沥青混凝土路面加铺层反射裂缝成因分析及防治措施研究

孟丛丛，柳海龙，况小根

(1.江西交通职业技术学院；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司)



沥青混凝土路面加铺层反射裂缝成因分析及防治措施研究

孟丛丛1，柳海龙2，况小根2

(1.江西交通职业技术学院；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司)

分析了沥青混凝土路面加铺层反射裂缝的产生和发展过程，用有限元软件从断裂力学的角度分析沥青层厚度、沥青层模量对裂缝发展的影响。在沥青加铺层设计时，可通过添加改性剂、改变集料级配或混合料组成等措施提高混合料的抗变形能力。

沥青加铺层；反射裂缝；应力分析；防治措施

0 概 述

由于车载和环境作用，使用一定年限后，沥青路面使用性能会逐年下降，出现不同程度的破坏。当路面的结构承载力和表面功能退化到一定程度，或其通行能力已不满足交通量要求，需要采取处治措施以恢复路面功能，达到提高道路通行能力的目的。常用处治措施是路面加铺，加铺主要发挥以下作用：(1)修复旧路病害；(2)恢复承载能力；(3)恢复路表功能。

沥青路面加铺层结构形式可以简单划分为三类：第一类是直接加铺沥青混合料面层；第二类是先加铺水泥稳定类等半刚性基层，再加铺沥青混合料面层；第三类是直接加铺水泥混凝土层。

1 反射裂缝的产生和发展机理

路面加铺层结构大部分采用的是第一类，即直接加铺沥青混合料面层，加铺后，加铺层下面原有未经处理的裂缝可能会向上发展，导致加铺层出现裂缝，这种裂缝与下层路面结构原有裂缝存在一一对应关系，称之为反射裂缝。认识反射裂缝的发展过程，对处治此类病害具有重要意义。反射裂缝发展包括产生和扩展两个阶段。

1.1 反射裂缝的产生阶段

旧路面加铺沥青混合料后形成的路面结构特性与按照弹性层状体系设计的新建沥青路面结构应力应变特性差别较大。由于作为基层的旧路面存在裂缝，降低了路面的整体强度，在环境温度应力与行车荷载应力的双重作用下，沥青混凝土加铺层的应力状态非常复杂。按照作用的不同，反射裂缝可以分为两种。

(1)行车荷载作用导致的荷载型反射裂缝。当车辆从不连续的板体驶过时，裂缝两侧板体产生竖向位移，形成较大的剪切应力作用于沥青混凝土加铺层，导致形成荷载型反射裂缝，这是反射裂缝产生的最主要原因。

图1 反射裂缝的产生

(2)环境温度作用导致的温度型反射裂缝。沥青混凝土路面由于长期暴露在室外环境下，路面需要承受周期性外界气温变化的影响，旧路面和沥青加铺层整个路面结构会发生热胀冷缩，结构内部与表面的热胀冷缩不一致就会形成温度应力。在裂缝处的旧路面的应力，由于不连续，沥青加铺层既承受自身内部结构所产生的温度应力，又需要承受旧路面所产生的温度应力。当在气温较低的冬季时，这种应力现象更加明显，导致旧路面裂缝处的加铺结构层承受过大拉应力，致使路面开裂，形成温度型反射裂缝。

1.2 反射裂缝的扩展阶段

从反射裂缝开始在沥青加铺层产生，到沥青路面完全被破坏，沥青路面需要经历扩展过程。反射裂缝产生后先纵向扩展(纵向扩展是在厚度方向)，再横向扩展(横向扩展是在表面)。

(1)反射裂缝的纵向扩展

反射裂缝的纵向扩展模式按照断裂力学理论可以划分为三类：张开模式、剪切模式和撕开模式。见图2。

图2 裂缝纵向扩展模式

温度应力一般是以张开模式作用反射裂缝。

行车荷载应力一般是以剪切、张开模式作用反射裂缝。

①车轮荷载作用于裂缝正上方时，行车荷载应力以张开模式来作用于反射裂缝。

②车轮荷载作用于裂缝前后位置时，行车荷载应力是以剪切模式作用于反射裂缝。

(2)反射裂缝的横向扩展

反射裂缝的横向发展过程：一般是裂缝先在路表面某个位置产生，再向横向两侧扩展。在路面宽度范围之内，由于温度应力对反射裂缝的作用基本相同，而行车荷载受行驶轨迹的影响，在车道上的分布并不均匀，尤其是在渠化交通的道路上，在行车荷载轮迹位置出现反射裂缝的情况更多。

环境因素的负效应也对面层开裂有较大的影响。反射裂缝一旦出现，在行车荷载的反复作用下，雨水、空气等外界因素立即侵入，加速了反射裂缝向四周扩展的速度。

2 应力应变分析

采用ABAQUS分析软件进行路面应力分析，假定路面结构为平面应变模型，以等参单元作为此次分析的基本有限元单元。

为了分析反射裂缝在车辆行车荷载作用下的扩展规律，假设旧路面在宽度范围内有一条贯穿裂缝，有限元分析的基本力学模型取单圆荷载作用下的4层连续体系。最不利行车荷载位置如图3，图4所示，忽略分析过程中动荷载效应的影响。

图3 裂缝受对称加荷

图4 裂缝受非对称加荷

加铺层材料类型E/MPaH/cmμ上面层SMA13或AK13140040．25中面层AC25120080．25沥青稳定碎石层ATB301000160．25旧沥青基层1500200．25旧路面土基100-0．25

在整个计算中作以下基本假定(计算参数见表1)：

(1)地基、基层、沥青混凝土等材料都假定为线弹性材料，且材料各向均匀、同性；

(2)各结构层完全相连；

(3)横向裂缝贯穿沥青混凝土路面整个宽度，各横向裂缝之间的距离是相等的，且所有裂缝面均为自由面。

2.1 厚度影响

在非对称荷载和对称荷载作用两种情况下，考虑沥青稳定碎石基层不同厚度时，计算反射裂缝尖端的水平应力大小及应力强度。见图5，图6。

图5 对称荷载作用下水平拉应力

图6 反射裂缝尖端在对称荷载作用下应力强度因子

可见，对称荷载作用的情况下，增加加铺层厚度，裂缝尖端应力和强度因子呈线性递增趋势，到达12 cm的厚度后，这种变化趋于缓慢，最后呈下降的趋势。

图7 反射裂缝尖端在非对称荷载作用下裂缝尖端剪应力

图8 反射裂缝尖端在非对称荷载作用下应力强度因子

图7和图8为反射裂缝尖端在非对称荷载作用下裂缝尖端剪应力，非对称荷载作用情况下，KⅠ(张拉型应力强度因子)是为负数，裂缝受压。伴随加铺层厚度增加，KⅡ(剪切型应力强度因子)呈线性递减趋势，到达12 cm厚度后下降很快。综合分析以上对称荷载和非对称荷载两种情况，KⅡ(非对称荷载作用产生)远大于KⅠ(对称荷载和非对称荷载产生)，控制着路面裂缝扩展的是KⅡ。由此可知，在行车荷载作用下，增加沥青混凝土加铺层厚度，既可以延缓剪切型反射裂缝向上反射的速度，也可以降低面层底部裂缝尖端的应力集中。

2.2 模量影响

在非对称荷载和对称荷载作用两种情况下，考虑沥青稳定碎石基层不同模量时，计算反射裂缝尖端的应力大小。计算结果见图9和图10。

图9 反射裂缝尖端在对称荷载作用下水平拉应力

图10 反射裂缝尖端在非对称荷载作用下剪应力

对称荷载作用情况下，水平应力随模量的增加而增加。当模量≤500 MPa时，水平应力是负数，裂缝处于受压状态。当模量>500 MPa时，水平应力转变为正数，当模量达到1 400 MPa后，水平应力增速减缓。

非对称荷载作用情况下，剪应力随模量的增加而减小。

在非对称荷载和对称荷载作用两种情况下，考虑沥青稳定碎石基层不同模量时，计算反射裂缝尖端的应力强度因子。计算结果见图11和图12。

图11 反射裂缝尖端在对称荷载作用下应力强度因子

图12 反射裂缝尖端在非对称荷载作用下应力强度因子

对称荷载作用情况下，KⅠ(张拉型应力强度因子)正数，裂缝受拉。伴随模量增加，KⅠ呈线性递增趋势。

非对称荷载作用情况下，KⅠ(张拉型应力强度因子)是负数，裂缝受压。伴随模量增加，KⅠ和KⅡ呈线性递增趋势。

综合分析以上对称荷载和非对称荷载两种情况，KⅡ(非对称荷载作用产生)远大于KⅠ(对称荷载和非对称荷载产生)，控制着路面裂缝扩展的是KⅡ。

沥青混合料是一种温度敏感材料，温度的变化对沥青混合料的模量影响非常显著，一般冬季时的模量是夏季时几十倍。实践也可以证明，沥青路面在冬季出现反射裂缝的概率远大于夏季。当温度下降幅度和速度较快，加铺层中反射裂缝也迅速发展。KⅡ随模量增加而迅速递增的特性，导致反射裂缝在冬季扩展速度显著快于夏季。

因此，在沥青加铺层结构设计过程中，应通过改变集料级配或混合料组成、添加改性剂等方法降低沥青混合料模量，以达到改善沥青混合料的抗变形能力的目的。

3 结 语

(1)增加沥青混凝土加铺层厚度，既可以延缓剪切型反射裂缝向上反射的速度，也可以降低面层底部裂缝尖端的应力集中。

(2)在非对称荷载和对称荷载作用两种情况下，伴随沥青加铺层模量的递增，KⅡ也将递增。因此，在沥青加铺层结构设计过程中，应通过改变集料级配或混合料组成、添加改性剂等方法降低沥青混合料模量，以达到改善沥青混合料的抗变形能力的目的。

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2015-02-15

孟丛丛(1986-)，女，工程师，主要从事公路检测、养护以及教学、科研工作。

U416.217

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1008-3383(2015)12-0009-03