低等级公路沥青路面加铺沥青防裂研究

衣松杰，杜武刚，张 刚，王 刚，寇景宇，阳 禄，王小兵，王 林

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

1 工程概况

铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程位于贵州省铜仁市江口县境内，工程起点位于江口县凯市村凯德坊，起点桩号K0+000=管养桩号K0+000，整体向西南方向延伸，途经傅家、辣子垱，终点为黑岩坪村，终点桩号K7+564=管养桩号K7+565，路线全长7.564 km。原有老路路基宽度为4.5～6.5 m，道路等级为四级公路。该道路建设于2013年，交通量小，由于年久失修，地方养护资金有限，全线路面破坏严重，通车至今已出现一些病害，主要表现为边坡坍塌、路基不均匀沉降、路基软弱变形、边沟普遍淤塞、涵洞部分淤塞及全线危险路段安全设施缺失，路面出现了龟裂、坑槽、剥落等现象。

本次路面改造是按照贵州省交通运输厅发布的《贵州省县乡公路路面改善提升工程设计指南（试行）》相关要求进行设计。因为原道路为单车道四级公路，道路等级较低，平纵面指标也较低，部分路段没有超高，所以本次设计在维持原有道路平纵线形指标不变和路基宽度不变的情况下，以“路面改造、完善安全设施为核心，辅以适当绿化、景观打造”为设计宗旨。设计重点在于对旧路面病害进行处治，完善交通安全设施，治理安全隐患等，同时对局部弯道路段的超高进行优化改造，增加行车安全性和舒适性。

2 低等级沥青路面加铺沥青层防裂技术研究意义

沥青路面有着施工费用低、刚度大、强度高以及施工要求较低等优点，但是近几年也发现存在一些问题，主要表现为：一些沥青路面在正常使用较长年份后会因为一些内部与外部因素的影响，例如循环应力、路面表面层老化、四季温度交替变化等出现一系列病害，这将影响沥青路面的正常使用和道路行车安全。

加铺沥青层是目前主要的改造方法，使用这种方法成本相对较低，在现场施工处理也更加方便，并且施工时间短。在低等级沥青路面上加铺沥青可以恢复路面的适用性，还可以提升低等级路面的性能，但同时要注意满足路面荷载要求，不会发生应力破坏。此外，应从加铺沥青层的对应种类和配合比等方面进行研究，以保证改造路面在规定范围内。在低等级沥青路面改造过程中也会出现一些技术问题，例如加铺沥青后更容易出现反射裂缝。反射裂缝刚开始出现时可能影响不大，但在雨水、氧化等负面影响下，周围的裂缝会迅速扩大，每次路面移动都会使加铺层的裂缝长度略有增加。随着荷载的增加，路面的运动幅度增大，裂缝扩展速率增大，加铺层表面迅速出现反射裂缝，缩短了路面的使用寿命[1]。所以首先要解决在加铺过程中反射裂缝被击穿的问题，这也是当前加铺沥青层所面临的普遍问题。

3 反射裂缝形成的原因

许多沥青路面覆盖层过早地出现与旧路面相似的开裂模式。加铺层表面开裂是由于加铺层不能承受下层路面原有裂缝的集中运动产生的剪应力和拉应力。这种移动可能是交通负荷导致下层路面裂缝出现不同程度的偏斜，路基土膨胀或收缩，路面本身因温度变化而膨胀或收缩。由上述任何原因引起的路面移动都会在新铺设的路面上产生剪应力或拉应力。当这些应力大于剪切强度或拉伸强度时，新的覆盖层就会产生裂缝。现有的裂缝模式从旧的路面扩展到新的铺装层，这就是所谓的反射裂缝[2]。

对加铺层开裂临界条件的研究包括裂缝宽度、加铺层厚度和车轮荷载位置效应。任何单一的裂缝扩展研究方法（张开法或剪切法）都不适用于沥青加铺层疲劳寿命的计算，拉伸模态和剪切模态的组合更适用于确定施工过程中加铺层的临界条件[3]，这种情况发生在车轮荷载在裂缝轴之前的地方。加铺层底部存在裂缝导致加铺层的剪应力比未开裂的加铺层增加5倍。结果表明，裂缝尖端附近拉应力和剪应力的增加在一定程度上与裂缝宽度有关。

当车辆荷载作用在沥青混凝土加铺层顶部接合处附近且板两侧接合处偏差较大时，加铺层顶部承受较大的弯曲应力和剪应力。如果它比沥青混合料中断裂模数与抗剪强度的其中一个大，都会在交汇的地方造成反射裂缝，并且已经有裂缝的情况下会使之扩展。

旧的底层路面的裂缝通过新的覆盖层迅速蔓延是许多地区路面存在的问题，它通常被称为“反射开裂”[4]，由热收缩循环、重复交通荷载或两种机制的某种组合引起。覆盖层设计方法应考虑反射开裂，并应能够评估任何给定情况下的处理效果，例如夹层、增强层、织物和增加的覆盖层厚度。断裂力学原理与应变能和强度标准可以得到有效利用[5]。

4 反射裂缝参数研究

为了研究不同参数对沥青加铺层临界开裂条件的影响，本文进行了参数研究，主要研究了车轮荷载位置、裂缝宽度和加铺层厚度对沥青加铺层裂缝扩展临界条件的影响[6]。

在加铺层厚度为5 cm的情况下，不同荷载位置的拉应力分布无显著差异，但是在加铺层厚度为10 cm的情况下，分析结果表明荷载中间位置的拉应力增大。当荷载位置在裂缝轴线之前时，裂缝尖端的剪应力大幅度增加，10 cm厚的叠加层中的剪应力分布更为合理。在薄加铺层中或当裂缝长度达到沥青混合料层深度的5%～6.5%时，由于集料互锁的程度不同，不会因为拉张而进一步扩大裂缝[7]。当轮载到达特定位置且加铺层厚度小于10 cm时，得到了裂缝向上铺展的临界条件。

裂缝宽度对于裂缝扩展为叠加层的临界条件和裂缝扩展的应力分布质量是有效的。为了评价裂缝宽度对应力分布的影响，在有限元分析中对裂缝宽度分别为2 mm、4 mm和10 mm的沥青路面进行研究。结果表明，裂缝尖端附近拉应力和剪应力的增加在一定程度上与裂缝宽度有关，因为裂缝宽度从4 mm增加到10 mm时，裂缝尖端的张应力和剪应力没有发生明显变化。在薄覆盖层（小于10 cm）中，覆盖层底部的水平应力为压应力，底部的裂缝往往将这种应力转变为拉应力；在厚覆盖层（大于10 cm）中，覆盖层底部的水平应力是抗拉的。结果表明，在厚覆盖层中，应力导致裂缝扩展，而覆盖层是拉伸的。

5 反射裂缝防治措施

对于反射裂缝的控制在实际施工中有很多不同的方法，结合工程背景和施工要求，针对铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程提出以下措施，以达到防治反射裂缝的目的。

1）原路面在加铺土工织物之前应进行碾磨，在加铺沥青路面结构层之前就应该消除原路面的缺陷，研究沥青路面存在的缺点，这是预防反射裂缝的一种重要措施[8]。选择合理的配合比，控制材料用量，注意结构层的保护，及时在顶面或密封层上铺设路面层，减少收缩缝，同时提升沥青的质量，这也是减少沥青路面反射裂缝经常采用的方法[6]。为保证低等级沥青路面与沥青加铺层连接层的质量可以达到规定要求，应凿开低等级路面，并在上面涂上优质粘结性布油（最好是改性沥青）。

2）设置应力吸收膜。现在使用的国产应力吸收膜主要应用于有孔隙和多面层的路面。在施工中设置应力消除层的目的是消去下承层因为高应力作用而产生的水平方向的运动，防止沥青加铺层受到相应的影响从而产生相应的裂缝，同时预防出现反射裂缝，改变水分渗透对路面的影响效果，起到保护作用。

3）沥青路面的结构为多层体系，各层结构物之间依靠粘层油连接为一个整体来抵抗荷载和环境因素的作用。玻纤格栅的网格状结构决定了涂层热沥青可以直接接触到上层沥青混合料[8]。在进行上层混合料碾压时，通过热沥青使上下两层的压实更充分，强度更好。聚酯布、聚酯玻纤布属于可渗透的聚合物材料，渗透度高时上下层粘结则稍强，聚酯布和聚酯玻纤布较高的纤维含量提供了层间粘结的媒介作用，大大提高了材料的抗拉拔强度和抗剪切强度。

铺设铺装层之后，找到低等级沥青路面反射裂缝的部分，将旧道路上的裂缝进行修补，并在新铺沥青之前完成，以此保证旧缝不会对加铺沥青层造成影响。

6 结束语

通过多年的研究和工程施工实践，针对反射裂缝问题主要是进行防治和缓解，想要永久消除这种裂缝是不现实的。加铺沥青层所采用的反射裂缝防治措施主要是通过一系列的举措达到防治裂缝产生的最佳效果，不从产生后如何处理下手。在进行现场施工时为了达到后期使用阶段不产生反射裂缝的施工效果，需要在找寻相应措施时兼顾一系列其他的施工影响，例如施工条件是否满足施工现场要求，施工工艺是否成熟。当选择好对应措施之后不能直接运用到现场的施工中，因为室内实验和现场施工还存在一定的不同，要在对施工地形、施工特点进行分析后选出最好的符合该项目的沥青层防裂措施，这样才能达到预期的防治效果，让低等级沥青路面重新投入使用。

本文结合铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程施工实例，针对低等级公路沥青路面加铺沥青层的防裂进行研究，并提出一系列的措施用来解决工程中出现的一些实际问题，以期对其他反射裂缝防治工程提供参考。