高速公路沥青路面开裂原因分析与防控措施

高速公路建设是一个国家基础设施建设的重要组成部分,是带动地区经济发展的关键因素。我们在关注高速公路建设迅猛发展的同时，也需要对公路管理与养护展开深入研究。若没有对路面初期病害及时控制，将会大大缩短沥青路面的使用寿命。沥青路面的最主要受损形式是开裂，庞世华等[1]认为，车荷载是导致沥青路面开裂的主要原因，并针对这一因素制定了防控措施。但这一观点忽略了天气、温度变化等因素对沥青路面产生的影响，使得防控效果不够理想。基于此，本文分析不同形式高速公路沥青路面裂缝的开裂原因，并提出相应的防控措施，以期为实现对沥青路面开裂的有效防控提供借鉴和参考。

1.高速公路沥青路面开裂原因分析

由于行车荷载的反复作用，高速公路行车道的轮迹处常产生纵向裂缝，表面开裂后再受到雨雪天气积水的影响，会造成路基含水量的变化，在超重车辆的荷载作用下，形成纵向裂缝。横向裂缝一般产生于沥青路面中线处，并与其相垂直。沥青材料对于温度的变化较为敏感，由于气温的突然升高或降低，基层所产生的温度应力较大，其数值大于沥青面层的抗拉强度时，则会导致开裂[2]。而网状裂缝的产生与外界的影响因素无关，主要是由沥青混凝土路面整体强度所导致。而对于高速公路的半开空隙结构，其局部离析则较为严重[3]。

2.高速公路沥青路面开裂防控措施

高速公路沥青路面开裂防控措施，需根据措施的应用目的及应用效果来决定。在开裂防控过程中，其措施的实施要适用于高速公路等级、交通量以及基础路面状况等，并且具备经济效益性[4]。

2.1 抗裂机理分析

现行的高速公路多采用半刚性基层沥青材料，具有较好的抗拉、抗疲劳度和水稳特性，但在气温变化、车辆荷载以及路面各结构层的相互作用下，会不可避免地产生细微裂纹。这些细微裂纹在外力影响下持续扩展，形成宏观裂纹，最终形成基层裂缝。基层裂缝在受到应力作用后，向沥青面层与底基层反射，最终使沥青面层和底基层产生开裂。因此，利用表征振动成型骨架密实水泥稳定碎石基层，可增强断裂韧度、增加裂纹扩展阻力，从而达到减缓裂纹扩展速率的目的。

应力强度因子表达式如式（1）所示：

断裂韧度计算过程如式（2）所示：

考虑到循环载荷作用的影响，根据混凝土的损伤演化方程，得到疲劳开裂演化结果，如式（3）所示：

由此可知，裂纹长度与损伤程度及疲劳寿命皆成反比。

裂纹扩展速率计算过程如式（4）所示：

由于初始裂纹的长度与其扩展速率成正比，则损伤阶段的裂纹扩展速率计算式如式（5）所示：

裂纹扩展阻力曲线的获取过程如式（6）所示：

由此可知，裂纹扩展阻抗应力强度因子随着裂纹扩展长度与断裂韧度的增大而增大，三者之间的变化关系成正比。

2.2 薄层罩面材料选择

纤维沥青混凝土薄层罩面，是一种经济、有效的路面修复方式，且防水能力强。本研究选择胶粉掺量为20%的80目橡胶粉和基质沥青，其施工技术指标如表1所示。

表1 橡胶沥青的技术指标

将平整度、抗滑性能、降噪音性能、延长使用寿命性能和防水性能作为判断指标，可以发现：上述设计的薄层罩面的各项应用性能均为主要效果。

3.防控措施应用效果测试

3.1 测试准备

利用ANSYS软件模拟某高速公路建设的实际施工情况，其中，面层材料为中粒式密级配沥青混凝土，上面层型号为AK-16A，中面层型号为AC-25I，下面层型号为AC-30I。在面层材料下部的稳定碎石层设置裂缝，并将轮载设置为BZZ-100(0.9MPa)，温度设计在15℃～20℃之间。设定沥青面层顶面降温ΔT=-10℃，其余实验所需参数如表2所示。

3.2 测试结果分析

利用ANSYS 软件模拟得出基层与面层内的拉应力与剪应力分布情况，对比应用文献1中的沥青抹缝措施（传统措施1）、文献2中的扩展有限元分析养护防控措施（传统措施2）和所提出措施后的应力情况，结果如表3所示。

由表3可知，应用所提出的防控措施后，剪应力相比于传统措施明显减小。因此，本研究提出的措施能够有效减小裂缝上端沥青加铺层底部的剪应力，且消散作用明显。在非对称荷载作用下，面层与基层内的应力变化情况如图1所示。

表2 实验参数表

表3 不同措施底面层底部应力情况对照

图1 实验结果对比图

由图1可知，本文所提出的防护措施能够使对应裂缝尖端区域的应力状况得到明显改善，与传统措施相比，延缓了低面层中反射裂缝的产生，减小了裂缝的扩展速率。

4.结语

本文研究分析了高速公路沥青路面开裂的主要原因，并结合纤维沥青混凝土薄层罩面提出了新的防控措施。仿真对照实验结果表明，相比传统防控方法，本文采用的方法能够使裂缝尖端区域的应力得到明显改善，减小了偏荷载作用下的应力值，有效控制了沥青路面的开裂现象。同时，实验结果也证实了该措施在实际应用当中的效果优于传统的防控措施。