半刚性基层沥青路面裂缝形成机理及预防措施研究

刘志成

摘 要：半刚性基层是新疆高速公路建设中被广泛使用，其中水泥稳定类基层又因其强度高、板体性好等优点成为最常用的基层类型之一。对于半刚性基层和沥青路面结构组合，水泥稳定基层常见的抗弯曲变形能力差、干缩、温缩等特性，不可避免的在基层中会产生开裂变形，在环境和荷载因素作用下可能会向上扩展从而使沥青路面产生反射裂缝。本文探究了半刚性沥青路面的裂缝形成机理，并总结了路面裂缝常用预防措施，对沥青路面常见病害治理起到了一定的作用。

关键词：裂缝;钻芯取样;裂缝形成机理;预防措施

0 前言

目前，半刚性基层沥青路面已发展成为新疆地区高等级公路路面结构的主要形式，由于半刚性基层材料是由水泥、粉煤灰等收缩性较大的材料作为结合料，受温度和湿度影响易产生收缩裂缝，且抗拉强度较低，在荷载作用和外界环境作用下，易产生裂缝。雨水或雪水顺着裂缝浸入内部，降低基层强度，在车辆行驶过程中产生的动水压力将对基层结构产生冲刷，将会出现龟裂、坑槽、唧泥现象。

1 沥青路面裂缝的类型

沥青路面裂缝的影响因素有多种，主要有以下裂缝类型。

（1）根据裂纹面的位移方式，裂缝分为3种类型：拉裂型、剪裂型、撕裂型，其中拉裂型裂缝危害最大[1]。

（2）按裂缝形态，裂缝主要分为：横向、纵向和网状裂缝，如图1和图2所示。

（3）按沥青路面开裂的主要原因主要分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝。其中非荷载型裂缝主要是指沥青路面反射裂缝，是沥青路面中最常见、危害最严重的裂缝形式。

总之，在沥青路面裂缝形式中，基层由于温度降低、干燥失水和重复荷载等作用而产生裂缝后向面层延伸非荷载型裂缝是在公路中最常见的也是危害最严重的，尤其是由半刚性基层材料温缩和干缩引起的反射裂缝问题最突出。

2 路面裂缝的钻芯取样分析

为了准确掌握和分析路面病害产生的原因及路面结构层厚度、结构形式、路基填料类型及结构层间粘结状况，并对裂缝处进行了钻芯取样，对所取芯样均现场测量厚度，了解检测路段路面厚度分布情况及层间联接情况，通过室内试验检测路面面层级配和油石比，通过无侧限抗压强度测试基层强度等。从芯样测量和观察，主要表现如下：

（1）在横向裂缝处钻取芯样，沥青面层芯样、水稳基层芯样全部沿裂缝处横向断裂，经验判断水稳强度较好。（2）在纵向裂缝处钻取芯样，沥青面层纵缝芯样、水稳基层芯样基纵向开裂;其余段落为面层开裂，大部分水稳基层芯样较为完整。（3）在龟裂处钻取芯样，大部分为沥青面层开裂、水稳基层芯样完整，少数出现面层与基层水稳芯样松散破碎情况。（4）在唧泥处钻取芯样，沥青面层和水稳基层芯样松散破碎。

3 沥青路面裂缝形成机理

3.1 行车荷载作用

路面结构在行车荷载重复作用下会发生重复变形，在材料内部出现疲劳应力，此时路面结构强度降低、变形增加并出现裂缝。由于半刚性基层是主要承重层，上部荷载传递给基层板体并在基层底部产生弯拉应力，当弯拉应力大于基层材料自身抗弯拉强度时，半刚性基层便会开裂，降低结构整体强度和稳定性。在重复荷载作用下，半刚性基层内部微裂缝不断向上延伸，最终导致沥青面层产生反射裂缝。

荷载型裂缝主要表现为纵向和网状裂缝，其中网状裂缝一般是由反复荷载引起的疲劳裂缝。路面结构强度不够或者行车荷载超过设计荷载等原因使沥青路面產生荷载型裂缝，且在低等级公路及超载严重的高等级公路上最为常见[2]。

3.2 干燥收缩机理

干燥收缩是半刚性基层开裂的最主要原因之一，它是由于基层内部水分散失而引起体积减小的现象[3]。

（1）毛细管张力作用。半刚性基层材料的干燥收缩是由于大孔隙中毛细管水蒸发而引起的整体宏观体积变化，随着毛细管张力作用阶段的水分散失而增强。（2）吸附水、分子间力作用。吸附水引起的收缩量比毛细管张力作用引起的收缩量更大。（3）层间水作用。在半刚性基层材料中，粘土矿物、C-S-H凝胶等晶体或非晶体层状结构物间存在大量层间水，晶体间距随层间水散失而减小，从而引起宏观体积收缩。若半刚性基层材料中含有较多粘土，其由于层间水蒸发而引起的收缩作用更加强烈。（4）碳化脱水作用。碳化脱水作用是指Ca（OH）2和空气中的CO2反应生成水和CaCO3晶体，生成的水蒸发后会引起宏观的体积收缩。随着时间水分散失的越多，干缩应力越大。

3.3 温度收缩机理

半刚性基层是由固相、液相和气相组成的材料，固相包括骨架颗粒和其间的胶结料，砂粒以上的颗粒含量多，混合料温缩系数就越小;液相包括自由水、吸附水和毛细水，主要存在于固体颗粒表面及其空隙中;气相主要指颗粒间空隙中的气体，一般是连通空隙，对温度收缩性能影响不大。固相、液相和气相对温度敏感程度不一样，故在温度变化时内部产生较大应力，并引起收缩变形。

在水泥稳定类半刚性基层青路面中，无机结合料失水收缩的特性，会在内部产生干缩应力;随着温度变化，基体内部也会产生温度收缩应力。在温度降低和环境干燥的条件下，半刚性基层内部产生较大应力而发生开裂，在荷载作用下，基层裂缝不断向面层发展，使沥青面层产生反射裂缝。

4 沥青路面裂缝预防措施

沥青路面裂缝的产生对路面结构有较大危害，半刚性基层沥青路面的抗裂性研究越来越引起专业人士的重视，以水泥稳定类基层为例，目前常用的抗裂措施主要有：

（1）改善水泥稳定粒料半刚性基层的集料级配，增加粗集料含量，控制细集料和粉尘含量，降低水泥稳定砂砾基层的收缩性，提高其抗冲刷性，增强集料的嵌挤能力。（2）在保证基层强度和刚度的前提下，适当降低水泥剂量，降低其收缩性。（3）研究重型压实标准，减小水泥稳定粒料的含水量或在其中使用减水剂，降低干缩和温缩。（4）半刚性基层上设置预切缝，让半刚性基层在摊铺沥青面层前预先开裂，减少半刚性基层后期的开裂对沥青面层的影响。（5）半刚性基层摊铺完成后，如果养生不当，内部水分散失很快，将会产生较大干缩应力，很容易产生干燥收缩裂缝。在新疆地区，由于降水量少，气候干旱，干燥季节时空气非常干燥，加强养生及摊铺沥青面层的时间间隔控制，从而产生干缩裂缝。

5 结语

半刚性基层沥青路面虽然使用广泛，但易受外界因素影响出现裂缝，影响路面使用寿命，分析裂缝形成原因，制定预防措施，从而更好的方便通行。

参考文献：

[1]焦新海，周行春.半刚性路面反射裂缝防治措施研究综述[J].重庆交通学院学报，1988，17（1）：52-57.

[2]张登良，郑南翔.半刚性基层材料收缩抗裂性能研究[J].中国公路学报，1991，4（1）：16-22.

[3]张鹏.高等级公路半刚性基层材料的抗裂性能研究[D]大连：大连理工大学，2007.