旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝成因及防范措施

何 超，邓 斌

（北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京市 100053）

0 引言

旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层，是一种较为常见的旧路面改建方案，加铺沥青面层后，能有效改善车辆行驶平顺性和舒适度。其加铺层具有造价低、施工简便、对现有交通状态影响较小的特点。但是相对于完全新建的沥青混凝土路面，改建的沥青加铺层材料特性与旧水泥混凝土路面差异大，温度变形差异也较大，因此，改建路面的沥青加铺层容易出现反射裂缝。若出现反射裂缝，面层雨水等可通过缝隙渗入至基层和路基中，从而造成路基软化，路面承载力下降。裂缝进一步发展致使路面产生网裂、错台等病害，从而缩短了路面的使用寿命。本文分析了沥青加铺层形成反射裂缝的主要成因及发展方式，并论述了主要的防治措施延缓裂缝的出现[1-5]。

1 沥青加铺层反射裂缝的分类及成因

旧水泥混凝土板在温度影响下产生收缩、翘曲变形，或在车辆荷载下混凝土面板产生了挠曲及剪切变形，混凝土板块之间发生相对位移。在接缝位置，旧水泥混凝土路面不能很好的传递拉力及剪力，从而在接缝处的沥青加铺层出现应力集中，导致反射裂缝的产生。因温度变化造成的裂缝为温度反射裂缝。因车辆荷载引起的反射裂缝，则为荷载型反射裂缝。反射裂缝的形成主要分为两个阶段：沥青加铺层反射裂缝的初步形成；已形成的局部裂缝进一步扩展。

1.1 温度引起的反射裂缝

温度引起的反射裂缝主要分为两种，一是冬季温度突然降低导致旧路面混凝土板收缩，见图1（a）。旧水泥混凝土板接缝张开，随着温度继续下降，混凝土板块之间的位移继续增大，板块收缩相当于在沥青加铺层底面施加了拉应力。冬季温度较低时，因沥青混合料应力松弛将较难适应该拉力的继续增加，当底部拉应力大于沥青混合料的容许应力时，沥青加铺层将产生裂缝。

另一种为温度昼夜变化大时产生的裂缝，见图1（b）。温度升高时，旧水泥混凝土板板角向上翘曲变形，温度下降时，混凝土板板角向下翘曲变形。在混凝土路面反复翘曲变形的情况下，沥青加铺层底面容易产生疲劳开裂，底面裂缝产生后，不仅在负温度梯度下接缝处有拉应力，在正温度梯度下缝端产生的拉应力更大。由温度变化造成混凝土板块变形从而导致沥青加铺层产生的裂缝称为温度疲劳裂缝。

1.2 汽车荷载引起的反射裂缝

当车辆接近旧水泥混凝土路面接缝一侧时，相邻两混凝土板间将产生竖向的相对位移，使得沥青加铺层产生较大的剪力。当车辆行驶至接缝正上方时，两侧混凝土面板产生的位移相等或相差较小。由于混凝土面板在接缝处不能承担弯拉应力，导致弯拉应力全部施加在沥青加铺层上。当车辆行驶过了接缝，沥青加铺层再承担一次剪力。综上所述，车辆行驶过程中，沥青加铺层一共承受了2次剪力和1次弯拉作用。汽车行驶过程中车轮荷载反复作用，导致了沥青加铺层的反射裂缝产生和发展。因此，沥青加铺层在汽车荷载下，主要为车轮作用在接缝两侧旧水泥混凝土板导致的剪切型反射裂缝和车轮作用在接缝上方时导致的弯拉型反射裂缝，见图2。

图1 温度引起的反射裂缝

图2 汽车荷载引起的反射裂缝

1.3 反射裂缝扩展模式

沥青加铺层从产生的局部裂缝发展到贯穿整幅路面，需要一个裂缝的扩展过程。该过程为裂缝在路面竖线的纵向发展，以及路面表层的横向发展。根据断裂力学裂缝扩展的分类，裂缝的产生分为剪切、张开、撕开模式。其中，温度变化引起的沥青加铺层反射裂缝为张开模式，汽车行驶时导致的反射裂缝主要为剪切模式和张开模式，当车轮作用在接缝两侧旧水泥混凝土板时为剪切模式，当车轮作用在接缝上方时，出现的裂缝为张开模式。而断裂力学中的撕开模式，在沥青加铺层中较难出现。

温度应力对应张开模式的反射裂缝在沥青加铺层底部产生，然后从下向上发展到沥青加铺层的顶面。正荷载张开模式下的反射裂缝，也位于沥青加铺层底面，在荷载作用下垂直从下至上发展。偏荷载剪切模式下的反射裂缝从底面沿45°左右角度向上扩展。在汽车和温度应力作用下，裂缝扩展路径界于温度应力和偏荷载之间，相对于偏荷载单独作用时，裂缝扩展路径更垂直。在正常情况下，裂缝一般出现在汽车轮迹处，反射裂缝的形成及发展相对缓慢。裂缝在沥青加铺层某个位置形成，再向两侧发展，沥青加铺层反射裂缝产生后，雨水渗入、氧化及车辆行驶反复作用，更加速了裂缝的发展。

2 沥青加铺层反射裂缝的防治措施

2.1 增加沥青加铺层厚度

增加沥青加铺层的厚度，从而提高沥青加铺层的承载能力，同时延长了反射裂缝从底面扩散到表层的距离，减少了接缝位置的弯沉量及弯沉差。根据断裂力学，增加沥青加铺层厚度，可明显减少接缝处的尖端应力，从而延长加铺层的使用寿命。据以往资料表明，每增加1 cm沥青加铺层厚度，可降低沥青加铺层底面5%左右的弯沉差。但随着厚度的增加，防治效果减弱，当厚度超过23 cm时，再继续增加加铺层厚度，防治效果增加不再明显，且不经济。

2.2 设置应力、应变吸收夹层

在沥青加铺层和旧水泥混凝土路面中间设置应力、应变夹层，有效地降低了接缝应力向上传递的强度，缓解了裂缝尖端应力，起到了加筋的作用，提高了沥青加铺层的抗剪及抗拉强度。主要有橡胶沥青应力吸收夹层（SAMI）、土工格栅和土工织物夹层等。在我国常采用土工布和土工格栅，因为土工织物抗拉模量相对较高，可以缓解接缝处的应力集中，同时，土工织物的整体性和耐久性较好。设置在沥青加铺层下具有防渗、加筋和过滤等作用，还可提高加铺层的抗疲劳开裂以及抵抗变形能力。从而使沥青加铺层质量得以改善，增加路面的使用寿命。

2.3 条带铺设式防治反射裂缝

条带铺设式防治反射裂缝即沿着混凝土板接缝布设，主要为高分子抗裂贴、高弹性应力吸收带等。功能与应力、应变吸收夹层相似，可起到缓减裂缝纵向及横向发展的作用。现条带式铺设机械设备也逐渐成熟，解决了早期条带式人工施工困难的缺点，并且施工简单、操作方便、造价低，对周围环境影响较小。

由高强织物、高强抗拉胎基、沥青基等材料组合而成的高分子抗裂贴，其抗拉能力较强，具有良好的韧性及黏度，同时具有耐高温、抗老化、低温抗脆裂、耐腐蚀、抗潮湿等优点，与旧水泥混凝土板可较好的粘结。高分子抗裂贴粘结宽度一般选择120 mm左右，长度沿接缝或者裂缝方向铺设。高弹性应力吸收带则在高分子抗裂贴的基础上进行改良而成，在缓解旧混凝土路面上加铺沥青面层的反射裂缝有明显的效果。高弹性应力吸收带是将加热的粘弹性材料直接铺设在接缝位置处，然后铺设玻纤布或土工布。热塑性的粘结材料可以渗入至接缝深处，可以在竖直的方向对旧水泥混凝土面板进行连接。

3 结语

在旧水泥混凝土路面改建中，反射裂缝为沥青加铺沥青层的主要病害。因接缝处旧混凝土面板变形大，且旧路面在接缝处不能承受拉应力及剪应力，温度变化时，引起混凝土板变形导致加铺层底面产生拉应力和剪应力，并且汽车荷载反复作用加速了反射裂缝的扩展。针对沥青加铺层反射裂缝的特点，路面设计、施工时合理选择防范措施，可有效延缓反射裂缝的出现，延长沥青加铺层的使用寿命。