山区道路工程沥青路面裂缝成因与防治策略分析

摘要 该文针对山区道路工程沥青路面裂缝问题展开研究。通过分析山区沥青路面的技术特点，系统探讨了低温开裂、疲劳开裂和反射开裂三类主要裂缝的形成机理。提出了从材料性能优化、结构设计改进和施工工艺控制等方面的综合防治策略。工程实例表明：采用高韧性改性沥青、设置应力吸收层、优化施工工艺等措施，能有效控制路面裂缝的发展，提高路面使用寿命，对指导同类工程具有重要参考价值。

关键词 山区道路；沥青路面；裂缝成因；防治策略

中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0085-03

0 引言

山区道路工程建设是我国交通基础设施建设的重要组成部分，在促进区域经济发展、保障人民群众正常出行方面具有重要意义。随着《国家公路网规划（2013—2030年）》的深入实施，我国山区道路工程建设进入快速发展时期。沥青路面由于具有平整度高、行车舒适等优点，在山区道路工程中得到广泛应用[1]。但受复杂环境因素和车辆荷载等影响，沥青路面极易出现低温开裂、疲劳开裂、反射开裂等病害，严重影响了山区道路使用性能和安全运营。该文结合工程实际，重点探讨山区道路工程沥青路面裂缝的成因及其防治技术，研究成果以期为同类工程提供借鉴。

1 山区道路沥青路面的技术特点

山区道路沥青路面具有独特的技术特点。首先，由于山区纵横坡较大，为保证行车安全，对路面抗滑性能要求极高，通常采用改性沥青和粗糙型磨耗层，提高路面与车轮之间的摩擦系数。例如，新藏线林芝至米林段采用SBS改性沥青，粗集料选用高强度玄武岩，矿料配比严格控制，确保路面构造深度满足0.7～1.1 mm的要求。其次，考虑山区气候变化剧烈，昼夜温差大，沥青路面必须具备优异的温度稳定性。一方面，要选择高软化点的基质沥青和改性剂，提高路面高温稳定性，抵抗高温引起的路面车辙、拥包等病害；另一方面，需控制沥青混合料低温弯曲刚度模量及断裂韧性，增强路面抗低温开裂能力，延缓低温纵向龟裂、横向裂缝的出现[2]。再次，山区路基多以土质、中软岩为主，强度和稳定性不足，极易产生沉陷变形。因此对沥青路面的高模量特性提出更高要求，可在上面层适当掺加纤维，并合理设置封层、黏层，增强路面整体刚度，减小拉应力的影响，有效抑制反射裂缝。最后，山区施工供水、供电等条件有限，对沥青混合料的耐储存、易摊铺、易碾压等施工性能也提出更高要求。通过合理选用颜色、级配及添加剂，改善混合料的施工性，可有效解决这一难题。

2 山区道路工程沥青路面裂缝主要成因

山区道路沥青路面服役条件恶劣，结构性能受到诸多因素的影响而出现退化，进而产生各类裂缝。通过理论分析和工程调研，可以归纳出低温热应力开裂、车辆荷载疲劳开裂和水损坏导致的反射开裂是山区路面的三类主要病害。在低温开裂方面，高寒山区昼夜温差普遍在20℃以上，局部路段温差甚至超过30℃。当环境温度降至-15℃时，沥青面层热收缩应力可达1.5 MPa，而沥青混合料的抗拉强度通常低于3.0 MPa，在约束力作用下极易诱发开裂。特别需要关注的是，路面导热系数越低、比热容越大，温度梯度也就越大，热应力变化速率可达2.5 MPa/h，瞬时热冲击效应显著。在车辆荷载方面，山区公路纵坡大、弯道多，大吨位货车爬行频繁。有限元分析表明[3]：当轴载重复作用1.5×107次时，若沥青层底拉应变超过210 με，将快速积累疲劳损伤。研究表明：山区路面弯沉值普遍在500 MPa以上，局部路段可超过1200 MPa，远高于300 MPa的临界值，在动载作用下极易产生疲劳开裂。在路基沉降引起的反射开裂方面，山区填料如风化岩、高液限黏土的固结系数低至0.013 MPa-1，饱水软化系数高达0.75以上。当不均匀沉降引起的拉应力超过1.2 MPa时，裂缝将沿着路面厚度方向快速扩展。三维动力学分析表明，在温度与车载应力耦合作用下，沥青层开裂区域的拉应力可放大1.6倍以上，极大地加剧了反射开裂的风险[4]。由此可见，山区道路恶劣的环境条件和复杂的荷载特性是导致沥青路面裂缝的内在原因，亟须因地制宜地开展针对性的防治技术研究。

3 山区道路工程沥青路面裂缝防治策略

3.1 提高低温性能

为有效防治山区沥青路面的低温开裂问题，首要任务是提高沥青混合料的低温性能。针对山区气温骤降引起的热应力开裂，可选用低温敏感性较小的基质沥青，如A-70、A-90等高针入度等级的沥青，改善路面材料的耐寒性和柔性，增强热胀冷缩时的适应能力。在配合比设计时，宜采用连续密级配，提高混合料的低温稳定性。尤其是高寒地区，还可掺加3%～4%的天然沥青，进一步增强混合料的抗冻融性能。针对降温速率较快产生的热应力断裂，可掺加导热系数较低的轻质骨料如浮石，降低结构内外的热传导率，缓解温度应力的突变效应。同时采用玄武岩等高比热容的石料，延缓温度场的快速变化，减小峰值拉应力。针对沥青混合料脆化温度偏高引发的低温疲劳开裂，可在面层掺加SBS、橡胶粉等高弹性材料，提高混合料的断裂延性和应力松弛能力，将脆性温度由0℃降低至-15℃。微表处掺加纳米橡胶改性沥青，可使拉伸强度在-15℃时提高15%以上，大幅改善材料的抗裂韧性[5]。针对热胀冷缩应力集中引起的收缩开裂，应合理控制最大摊铺长度，并设置足够数量的伸缩缝。冷摊铺缝宽应≥15 mm，热摊铺缝宽应≥20 mm，缝内填充砂沥青或橡胶沥青，以缓解温度变形引起的拉应力。

3.2 增强抗疲劳性能

提高山区沥青路面的抗疲劳开裂能力，需从材料、结构、工艺等方面综合着手。针对山区普遍存在的高弯沉问题，工程中宜采用模量较高的硬质沥青，如A-70、SBSAD-I等，提高混合料的动态稳定度和永久变形抵抗能力。配合比设计时，应适当提高沥青用量，采用矿料破碎值和针片状颗粒含量较低的优质集料，严格控制0.075 mm筛孔通过率，优选公称最大粒径不小于19 mm的连续式密级配，增强骨料嵌挤效应，提高路面整体刚度。尤其是大应力作用区，表层宜采用抗剪切能力较强的GMA-I改性沥青混凝土，基层则选用高模量石灰岩等岩石，以增强结构承载能力。针对山区沥青层厚度普遍不足的问题，可酌情增加1～3 cm的层厚，优化上下面层厚度比例配置，必要时可在基层顶面铺筑抗疲劳裂缝布，延缓裂缝向上反射。针对山区纵坡路段的车辙及疲劳损伤加剧问题，应在先期设计时充分考虑坡度因素，严格按照行车道分别设计，必要路段宜适当增加车道宽度，合理放宽纵坡指标[6]。针对山区施工质量控制的特殊性，应编制完善可行的专项施工方案，严把原材料进场关、拌和出料关和摊铺碾压关。集料、粉料应分仓堆放并用帆布遮盖，防止材料污染和雨水冲刷[7]。摊铺时，应确保混合料温度满足施工要求，控制好摊铺速度和碾压遍数，做到紧跟、慢压、高频，尽量在混合料温度较高时完成终压，确保成型质量[8]。

3.3 抑制反射裂缝

山区路面反射裂缝的防治需重点关注路基沉陷变形的控制，路基填料应优选强度较高、压缩性较低的碎石土、级配碎石等，严格控制石料的软化系数和坚固性，减少湿陷性岩土的使用。路堑段宜设置深层排水系统，采用渗沟、盲沟等措施有效截获地下水，必要时可铺设土工布，避免路基积水软化引起的差异沉降。路基顶面应做好横向坡，保证排水速度和效果，同时加强施工质量控制，做好原地面的清理和处理工作，对软土路基采取换填、强夯等处治措施，确保每层填料的压实度[9]。针对温度、车载荷共同作用引起的反射开裂问题，可在基层开裂处预置玻纤土工格栅，增加箱梁的抗弯刚度，在主车道与爬车道分界处设置纵向裂缝诱导缝，将不规则开裂转化为规则缝隙。针对水的不利影响，在新建或大修工程中，可铺筑防水黏结层，采用SBS改性乳化沥青封层，提高路表的防水性能。对于运营期的既有路面，可采用就地热再生技术，利用路面铣刨料掺加新的沥青混合料，补充新骨料的同时填充蜂窝麻面，增大整体厚度，提高上面层的整体性，阻断裂缝扩展。对严重开裂路段，还可采用罩面法，即对路表进行坑槽修补后，整体罩面一层高弹性的砂石封层，削弱车辆荷载的动态冲击，延缓裂缝反射[10，11]。

4 工程案例剖析

4.1 工程概况及存在问题

某山区二级公路北京周边路段全长46.5 km，设计时速40 km/h，2011年建成通车，该路段位于北京西部山区，海拔在500～1 000 m，属典型的温带季风气候区，最高气温32℃，最低气温-18℃。全线采用沥青混凝土路面结构，其中面层为4 cm厚SUP-20改性沥青混凝土，中面层为6 cm厚SUP-25改性沥青混凝土，基层为36 cm厚5%水泥稳定碎石。路基主要由花岗岩风化料填筑，压实度控制在96%以上。通车8年来，该路段先后出现大量裂缝病害，经调查路面裂缝主要包括低温纵向裂缝、疲劳横向裂缝和反射裂缝三类。低温裂缝多发生于冬季，缝宽在2～5 mm，裂缝间距1～3 m；疲劳横向裂缝发生在爬坡及急弯路段，缝长一般大于2 m，间距5～10 m；反射裂缝多呈网状分布，主要发生在近桥涵及急弯陡坡路段，占路面总面积的5%以上。各类裂缝的发生严重影响了路面的使用性能，亟须采取有针对性的防治策略，经分析该路段裂缝发生的主要原因包括：（1）受海拔及大风影响，昼夜温差可达25℃以上，热胀冷缩应力显著，诱发低温裂缝；（2）重型货车爬坡较多，大应力作用引起沥青层疲劳开裂；（3）路基回填土含泥量偏高，压实度不足引发不均匀沉降，导致反射裂缝。

4.2 技术策略实施方案

针对该山区公路沥青路面裂缝问题，经反复论证，提出了一套综合性防治技术方案。首先，对于低温纵向裂缝，采用高韧性改性沥青提高混合料的抗低温开裂性能。通过在SUP-20中掺加3.5%的SBS和0.3%的硫磺，将混合料断裂韧性由8.2 mJ/mm2提高至13.5 mJ/mm2，小梁试验临界温度由-18℃降至-28℃。同时将沥青层厚度由4 cm增加至5 cm，并控制最大推铺长度不超过

3 km。在沥青层内预置宽10 mm、深25 mm的伸缩缝，缝距30 m，缝内填充D80橡胶沥青，以吸收温度变形。其次，对于疲劳横向裂缝，通过提高沥青混合料的高温稳定性和抗永久变形能力来延缓开裂进程。将SUP-25改性沥青混凝土的动稳值由1 800毫米/次提高至4 000毫米/次，车辙动态稳定性DS由15 00毫米/次增至5 000毫米/次。配合比设计采用空隙率3.5%的EME超薄磨耗层，粗集料和细集料的针片状颗粒含量控制在5%以内，基层顶面铺筑玻纤土工格栅作为应力吸收层，提高箱梁整体刚度。对于已产生的疲劳裂缝采用同步封缝法处治，即人工开槽、喷涂改性乳化沥青封层、撒布0.3～0.6 mm级配砂、二次喷涂改性沥青，裂缝密封后再进行表面雾封。最后，针对反射裂缝问题，采用路面就地热再生技术，混合深度达15 cm，掺加3%水泥和1.5%废旧橡胶粉，提高再生料的高温稳定性和抗裂性能，下承层局部开挖并回填5%水泥稳定碎石，对软基路段进行换填和加固处理。在主车道和爬车道设置宽2 cm的纵向裂缝诱导缝，引导裂缝沿缝隙扩展，同时在基层顶面铺筑两层抗裂贴缝带，控制开裂间距不大于10 m。路表罩面SMA-13磨耗层，掺加抗剪切纤维，提高高温下的变形抵抗能力。实施效果统计如表1所示。可以看出，通过采取上述综合防治措施，各类裂缝得到有效控制，总体开裂率降低了85%以上，运营状态明显改善，大大延长了路面使用寿命。

5 结语

该文通过理论分析和工程实践，阐明了山区道路工程沥青路面裂缝的成因及其演变规律，提出了以提高低温性能、增强抗疲劳性能和抑制反射裂缝为核心的系统防治方案。工程应用表明：该方案能显著降低路面开裂率，延长使用寿命。后续研究应加强路面裂缝发展预测模型的建立，开发智能监测预警系统，实现路面裂缝的精准防控，同时应进一步探索新型防治材料和工艺，提升防治效果。

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