沥青面层下旧水泥路面裂缝的产生原因及处理

郭梅登

（东莞市致高建设工程有限公司，广东 东莞 523072）

1 工程案例

1.1 工程概况

该工程为蓬江区北环路的改建工程，路线全长约3288.26m。其中主线长度为2564.49m，规划宽度为80m；至潮连大桥分为左右匝道，长度分别为353.78m、369.99m，规划宽度为20m。采用城市主干路标准，主线设计行车速度为60km／h，匝道设计行车速度为30km／h。由甲方提供的旧路检测报告来看，旧路面开裂、断板的数量占12%，板底脱空量占2.1%，接缝传荷能力评定在次级以下的占35%，根据相关设计规范规定，路面损坏状况为次级。

1.2 改造方案

检测发现部分路段损坏情况比较严重，甚至存在大面积脱空现象，原路面地基较薄，简单的面层加固补强并铺设沥青层成本较高且短期内容易出现病害，并不适用于该项改造工程，因此选择采用打裂技术处理水泥混凝土路面，以此作为基层铺设沥青面层。对旧混凝土打裂后应使75%以上的旧水泥混凝土板发生不规则开裂，然后铺设水泥稳定层，最后铺设沥青层。

2 沥青加铺层下水泥路面裂缝成因分析

2.1 裂缝产生机理

沥青加铺层下产生的反射裂缝主要是由于水泥混凝土层存在的裂缝和接缝在使用过程中由于温度和湿度的影响或车辆荷载作用反射到沥青面层产生的裂缝。由温度影响产生的裂缝又被称为温度反射裂缝，由车辆荷载引起的裂缝称为荷载反射裂缝。反射裂缝的形成主要包括两个阶段：反射裂缝初步形成阶段和局部裂缝扩展阶段。

2.2 裂缝产生的原因

裂缝产生的原因主要包括以下几个方面：

1）温度引起的裂缝

温度产生的裂缝主要包括两种，一种是由于昼夜温差过大引起的路面开裂，当白天温度较高时，旧水泥路面板角发生上翘变形，夜晚温度较低时，路板板角下翘变形，经过较长时间的反复形变，旧水泥混凝土路面产生疲劳，强度和耐久性大大降低，无法满足日常荷载，从而发生开裂。底面裂缝在负的温度梯度下有一定的拉应力，在正的温度梯度下，拉应力会进一步增大，从而导致沥青层产生裂缝，这种由于温度反复变化造成水泥混凝土板块疲劳导致的沥青层开裂的现象被称为温度疲劳裂缝；另一种是由于冬季温度骤降导致旧水泥混凝土路面整体收缩，板块接缝处间距增大，对上层沥青部分产生了较大的拉应力，而由于冬季气温较低，沥青塑性降低，抗变形能力的增强导致应力不断增大，当聚集应力超过沥青路面的抗变形能力时就会产生裂缝。

2）车辆荷载引起的裂缝

当行驶车辆经过旧水泥混凝土路面接缝时会对沥青路面层施加一次弯拉作用和两次方向相反的剪应力作用，具体过程为：当车辆行驶至接缝一端的路面时，这端板块边缘受到车轮的压应力作用发生轻微下沉，而接缝另一端保持不动，使得接缝两端的水泥混凝土板块之间产生一个高度差，这就导致沥青加铺层在水泥板块接缝位置产生一次剪应力；当车轮行驶至接缝中间时，沥青路面在接缝处受到一个弯拉作用；当车轮驶过接缝到达裂缝时又会产生一次上述剪应力。车辆的反复荷载作用在接缝位置，导致接缝处沥青层不断受到不同的作用力，在长期使用下就会发生应力疲劳从而产生荷载裂缝。

3）反射裂缝的扩展

反射裂缝形成的第二个阶段为裂缝扩展阶段，这一阶段的发展大体上分为纵向发展和横向发展，裂缝横向发展最终发展为贯穿道路横向裂缝，纵向发展则是沿道路拉长。根据断裂力学的裂缝扩展分析，其扩展行为主要分为剪切、张开和撕开三种模式，在路面裂缝扩展中剪切模式和张开模式较为常见，车辆在行驶过程中车轮接触裂缝两端的旧水泥混凝土板时产生剪切作用，裂缝扩展表现为剪切模式，当车轮位于接缝上方时，裂缝扩展表现为张开模式。撕开模式在沥青加铺层中不易出现。

温度作用下产生的反射裂缝在沥青层的下部首先生成，在张开模式扩展过程中由下向上进行扩展，直至顶层裂缝出现。由于车辆正荷载产生的裂缝在张开模式扩展过程中也由下至上扩展，偏荷载产生的裂缝是由底部沿45度角的方向斜向上扩展形成的。在实际扩展过程中，由于同时收到温度作用和偏荷载的作用，裂缝扩展既不是沿垂直方向扩展也不是沿45度角斜向上扩展，而是沿介于二者之间的角度由下至上逐渐扩展，相对于偏荷载的单独作用，实际扩展方向更垂直。反射裂缝的形成和发展在正常情况下是十分缓慢的，一般产生于汽车车轮轨迹处，而由于裂缝初步产生后，雨水的侵入和裂缝断面的氧化导致沥青路面强度降低，从而提高了反射裂缝的发展速度。

3 沥青加铺层下旧水泥路面裂缝防治措施

3.1 增加沥青加铺层厚度

增加沥青层厚度，一方面使沥青混凝土层的荷载能力有所提高，增加了沥青层在旧水泥路面接缝处的抗变形能力，减少弯沉量；另一方面直接延长了裂缝由下至上的扩展路径，使裂缝产生时间有所增加。从断裂力学上来讲，沥青加铺层厚度的提高可以明显降低接缝处的应力集中，大大提高耐久度。根据资料表明，厚度升高1cm，沥青层弯沉差将会降低5%，但随着厚度增加，效果逐渐减弱，当厚度过大时，效果提升非常有限并且会造成经济上的浪费，因此应根据实际要求选择合适的沥青面层厚度。

3.2 设置应力、应变吸收夹层

在沥青混凝土层和旧水泥混凝土层间加设一层应力、应变吸收夹层可以对路面起到增韧补强的效果。当接缝处荷载发生变化时，由于应力应变吸收层的存在，作用在沥青面层的剪应力和弯拉作用力会明显降低，从而减缓了沥青产生疲劳，从而增强其耐久性。工程上常用的应力应变层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，土工格栅和土工织物夹层的抗拉性能较好，对于缓解水泥混凝土接缝处的应力集中有很好的缓解作用，因此在我国相关工程领域中被广泛应用。此外，设置应力应变吸收层还具有防渗透的作用，可以有效阻断雨水下渗避免发生侵蚀，改善沥青层施工质量，提高使用寿命。

3.3 条带铺设式防治反射裂缝

条带铺设式防治是指沿混凝土板块接缝处布置条带，常采用高分子抗裂贴、高弹性应力吸收带等，其防治机理与设置应力应变吸收夹层相似，主要是对接缝处产生的应变起到缓解作用，此外还起到阻断雨水下漏的作用，有效阻碍裂缝的横向发展和纵向发展。条带铺设式防治反射裂缝技术近年来也有所发展，相比于传统的人工施工，机械施工更加简单快捷，并且具有造价低、操作方便、对周围环境影响小等优点。

条带铺设式防治中用的的高分子抗裂贴是由高强织物、高强抗拉胎基和沥青材料等组合成的复合材料，具有抗拉性能好、韧性高、粘度大等优点，可满足工程需要，此外还由耐高温、抗氧化、抗腐蚀、抗潮湿、低温韧性好等特点，可以与水泥混凝土路面很好地粘结。混凝土路面裂缝防治中常用的高分子抗裂贴的粘结宽度为120mm，沿裂缝方向铺设，使其紧密粘结在裂缝两端。高弹性应力吸收带由高分子抗裂带的概论而成，将加热的粘性材料铺设在裂缝处，并铺设玻纤布或土工布以增强其抗拉强度，同时热塑性材料在加热状态下流入裂缝，对旧水泥路面板起到良好的粘结作用。

3.4 破碎旧水泥混凝土路面

该工程中路面损坏较为严重，采用破碎旧水泥混凝土路面的方法防止反射裂缝产生。将旧水泥路面进行破碎，大的水泥路面板破碎成面积较小的板块作为沥青铺设层的基础，使应变分散开，以消减应力。破碎后的面板间缝隙不宜过大，否则在车辆经过时会发生应力集中，对路面产生不良影响。通过测试不同路面破碎程度对同样荷载下沥青路面的影响发现，随着破碎后旧水泥混凝土路面板尺寸降低，对沥青面层的荷载影响不大，只有小幅减小，但对温度应力影响较大，随着旧路面板尺寸降低，温度应力下降速度明显。在旧路面板尺寸与结构强度的测试中发现，随着面板尺寸的降低，结构强度呈下降趋势。因此，在实际施工中应综合考虑面板面积减小对应力降低和结构强度降低的影响，选择合适的破碎尺寸，以使裂缝防治效果达到最好。

3.5 设置裂缝缓解层

大粒径透水性沥青混合料是一种新型沥青混合材料，通常由大粒径集料作为骨架，细集料填充而成的骨架型沥青混合材料，经过合理设计后，使该种材料中的大粒径骨料具有单一粒径，使用少量细集料填充空隙，在保证排水性良好的前提下有效降低孔隙率，使这种大粒径透水性沥青混合料具有良好的排水性和较高的弹性模量，可以承受较高的荷载。使沥青路面的高温稳定性有所提升，尤其是对于低速较重的车辆行驶时有较好的抗变形能力。

4 结语

随着交通量的增长，道路压力逐渐增大，受到温度作用和车辆荷载的压力，旧的水泥混凝土路段在长期运行过程中难免会产生各种病害，对旧水泥路面进行修补，并铺设沥青层是当下常用的道路改造方式，处理不当就会引起道路在较短的时间内出现裂缝。要完全消除反射裂缝是不经济的也是不现实的，因此只能延缓裂的生产和扩展，尽可能地延长道路的使用寿命。采用设置裂缝缓解层、破碎旧水泥混凝土路面、采用条带铺设式防治反射裂缝、设置应力应变吸收夹层和增加沥青加铺层厚度等都是有效的防治路面裂缝产生的有效举措，应根据实际情况和施工需要选择合适的防治方法，延长路面的使用寿命。