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【摘 要】国内已建高速公路使用调查表明,不论是南方还是北方,通车后一年至两年均出现裂缝,裂缝中有50%以上为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝。本文从分析半刚性材料的收缩机理出发,提出提高半刚性基层材料的抗裂性能的措施。
通过揭示沥青路面反射裂缝的机理,并运用力学分析和实验室分析结果,提出具体的半刚性基层沥青路面反射裂缝的有效防治措施。
【关键词】半刚性基层;反射裂缝;沥青路面
Prevention measures of semi-rigid asphalt pavement reflection cracking
Li Xi-zhi1, Liu Zhen-feng2
(1. Shouguang CityHighway Bureau Shouguang Shandong 262700;2. Rong-wu highway Weifang management station Weifang Shandong 261108)
【Abstract】China has built highways use surveys indicate that either the South or the North, were one to two years after the opening of cracks, cracks in more than 50% of semi-rigid base Xian split which led to reflection cracking of asphalt pavement cracks. Based on the analysis of the contraction of semi-rigid material based on the mechanism proposed to increase the semi-rigid base material crack resistance measures.
By revealing the mechanism of reflective cracking of asphalt pavement, and the use of mechanical analysis, and laboratory analysis results, semi-rigid asphalt concrete pavement reflection cracking and effective control measures.
【Key words】Semi-rigid; Reflective cracking; Asphalt pavement
1. 前言
随着国民经济的不断发展,公路交通大幅度增长,汽车轴载剧增,要求公路建设向高等级、高标准方向发展。半刚性基层材料以强度高、稳定性好、刚性大以及整体性好等优点满足了公路经济与技术的要求,已成为高等级路面的主要结构形式。然而由于其脆性和对温度、湿度的敏感性,再使用过程中因温度和湿度的变化易产生温缩、干缩裂缝。裂缝的存在使车辆行驶质量下降,破坏了路面结构的整体性和连续性,并在一定程度上削弱了路面结构强度,而且随水分的进入,路基甚至会发生软化,路面承载能力下降,产生唧浆、台阶、网裂等病害,从而加速路面的破坏。
2. 裂缝产生的原因和对路面的危害
半刚性基层开裂后,在沥青面层与半刚性基层层间的裂缝处形成一个薄弱点,在荷载应力与温度应力的共同作用下,该点的沥青面层底面产生应力集中,若沥青面层较薄则会引起开裂。在行车和大气因素的反复作用下,裂缝逐渐向上扩展,直至沥青表面。这种裂缝通常称反射裂缝,其间距大小取决于当地的气候条件、沥青面层厚度,以及半刚性基层和沥青材料的抗裂性能。
反射裂缝会对路面性能和耐久性能产生不利影响。这些不利影响包括:
(1)防水性降低。路表面的任何裂缝,都会使路表水有机会进入路面结构内部,甚至进入对温度敏感的路基中。
(2)引起路基过大压应力。由于存在裂缝,造成路面板体不连续,在行车荷载作用下将加大板体边缘的变形,从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面。
(3)增大路面应力和变形。上述的路面结构板体边缘变形,会在路面结构内(尤其是基层)产生很大的应力和变形,在行车荷载作用下将缩短这些结构层的寿命。
(4)磨耗层沿裂缝的破坏。在车辆、水分、霜冻等因素的作用下,磨耗层常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的剥落。
3. 半刚性基层材料的缩裂分析
3.1 吸附水和分子间力作用。
毛细水蒸发完结后,随着相对湿度的继续变小,凝结颗粒间的吸附水开始蒸发,使颗粒表面水膜变薄,分子力增大,颗粒间距变小,甚至发生新的化学结合,导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量要比毛细管作用影响大的多。当吸附水膜减薄到一定程度以后,收缩量逐步减小,直至终止收缩。
半刚性基层材料中的新生胶结物,如C-S-H、Ca(OH)2、CaCO3以及C-A-H等结晶、凝胶和矿物颗粒表面均服从表面能原理,其所吸附的水做平行于表面方向的运动,引起“尖劈”作用力,是固体颗粒膨胀,水脱附后,“尖劈”作用力消失而引起收缩。
3.2 层间水作用。
半刚性基层材料中有大量的层状结构的晶体或非晶体,如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H等,其层间夹有大量的层间水与分化离子。随着相对湿度的进一步下降,层间水蒸发,致使晶格间距减小,从而引起整体材料的收缩。
4. 反射裂缝的力学分析与试验研究
4.1 级配碎石应力层的防反射裂缝的力学分析。
为了防止基层裂缝在车轮荷载和温度的联合作用下向上反射至路面表层,目前,某些高速公路上试采用在沥青面层与半刚性基层之间设置级配碎石应力层,以吸收部分基层应力,达到防止反射裂缝的目的。从这些试验路段的应用成果来看,这种结构对延缓和减少半刚性基层路面的反射裂缝有较好的防治效果。但目前这些研究成果主要停留在试验路段的观测,而未从力学角度去深入研究。
下面对有级配碎石层路面和没有级配碎石层路面两种情况,分别进行力学分析。
(1)路面结构形式。
根据某高速公路试验路段的路面结构形式,有级配碎石层路面采用如下4层路面结构形式,由上至下依次为:沥青面层厚15cm,弹性模量1500MPa,泊松比0.25;级配碎石层上基层厚20cm,弹性模量500MPa,泊松比0.25;水泥稳定碎石厚5~20cm,弹性模量1000MPa,泊松比0.25;水泥稳定砂砾厚30cm,弹性模量600MPa,泊松比0.25。
(2)计算参数确定。
国内外路面设计以层状弹性体系为理论基础,《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-2004)采用双圆均布垂直荷载在加载作用下的多层弹性连续体系理论,采用后轴载重100KN作为标准轴载,单轮荷载为25KN,轮胎压强为0.707MPa,当量圆直径为21.3cm,双圆均布垂直荷载作用。
(3)计算模型。
将上面路面结构视为4层弹性连续结构,并假定在半刚性基层中存在一贯通裂缝,双圆均布垂直荷载对称作用于裂缝处的路面表层上。
(4)计算结果及其分析。
根据《公路沥青路面设计规范》(JTJ1014-2004)规定,对二级以上公路(包含二级)要采用弯沉与拉应力两项指标进行路面设计。分别对含裂缝的半刚性基层有级配碎石的路面结构和没有级配碎石的路面结构进行计算,计算结果见表1。
从表1计算结果来看,设置级配碎石应力层的面层层底的弯沉值及最大应力与未设置级配应力层时相比,其面层层底的弯沉值及最大应力得到较明显的改善,随着级配碎石厚度的增加,弯沉值及最大应力也随之减小。
4.2 不同路面结构对反射裂缝的力学响应。
半刚性基层反射裂缝与这种结构基层刚度较大有着密切联系,如果适当降低半刚性基层的强度,使路面各结构层更好地协调工作,这有利于减少面层的反射裂缝。为了研究这个问题,拟定了3种不同路面结构,应用路面专用计算软件进行分析。
(1) 路面结构形式。
根据目前高等级公路路面结构的应用情况,拟定了3种路面结构如表2所示。
(2)路面结构材料计算参数。各层路面结构材料计算参数见表3
(3)计算结果与分析。
采用专用沥青路面计算软件对上述三种结构进行计算,计算结果如表4所示。分析表4的计算结果不难发现:
4.2.1 半刚性基层弹性模量的强弱对路面弯沉值和下基层面的拉应力影响较明显,结构1半刚性基层强度最大,面层顶面弯沉值为0.261mm,下基层底面最大拉应力为0.105MPa;结构2半刚性基层强度居中,面层顶面弯沉值为0.268mm,下基层底面最大拉应力为0.107MPa;结构3半刚性基层强度最小,面层顶面弯沉值为0.322mm,下基层底面最大拉应力为0.127MPa。
4.2.2 半刚性基层弹性模量越大,从基层顶面到基层底面的拉应力差也越大,结构1从面层底面到下基层底面的拉应力差为0.203MPa,结构2拉应力差为0.188MPa,结构3拉应力差为0.181MPa。
从上分析可以得到如下结论:路面结构设计要考虑弯沉值和路面结构的拉应力,同时也要考虑层间拉应力之差不要过大。上述三种结构中,结构2设计较为合理,对防止反射裂缝有较好的作用。
5. 半刚性基层沥青路面反射裂缝的防治
5.1 减少开裂的技术途径。
(1)减轻无机结合料稳定集料的收缩和抗裂性能,使基层产生的裂缝减小到最小的限度。
(2)适当增加沥青层的厚度,降低产生反射性裂缝的可能性。这样,实际上半刚性基层沥青路面就成为沥青面层+沥青稳定碎石基层+半刚性底基层的混合式结构。
(3)采取隔离基层与沥青层的措施,使基层的收缩开裂尽可能减少影响沥青面层,少反射到沥青面层来,防止裂缝反射到面层,并减缓裂缝进一步发展。
5.2 延缓无机结合料稳定集料收缩裂缝的措施。
(1)调整无机结合料稳定集料的矿料级配,增加粗集料用量。
(2)采用合理的水泥品种和水泥剂量,减小水泥稳定集料的强度和刚度。
(3)在无机结合料的收缩性能上看,干缩要比温缩严重得多,而且温缩的原因温度变化很难控制,干缩则可以通过养生、覆盖等措施改善。
5.3 关于沥青层的厚度与组合式基层沥青路面问题。
增大沥青层厚度对防止基层裂缝向上传递是有效的。需要指出的是,单凭增加沥青层的厚度措施不仅大幅度增加建设成本,而且效果不一定好,因此仅靠增加厚度的办法并不是上策。从目前情况看,推荐使用沥青稳定碎石基层和半刚性基层材料底基层的组合式结构是适宜的:即将现在通行的下面层沥青混凝土改为沥青稳定碎石,并适当增加沥青层厚度,使其在22~25cm以上。
参考文献
[1] 沙庆林主编,高等级公路半刚性基层沥青路面。北京:人民交通出版社,1998.9
[2] 张登良,郑南翔,半刚性材料抗裂性能研究之二,西安公路学院科学技术报告,1988.6
[3] 郑健龙,周志刚,张起森,沥青路面抗裂设计理论与方法,北京:人民交通出版社,2002.12
[4] 中华人民共和国交通部行业规范JTJ/T014-97,公路沥青路面设计规范[S],北京:人民交通出版社,1997
[5] 中华人民共和国交通部行业规范JTJ/T019-98,公路土工合成材料应用技术规范[S],北京:人民交通出版社,1998
[文章编号]1006-7619(2010)06-06-520
通过揭示沥青路面反射裂缝的机理,并运用力学分析和实验室分析结果,提出具体的半刚性基层沥青路面反射裂缝的有效防治措施。
【关键词】半刚性基层;反射裂缝;沥青路面
Prevention measures of semi-rigid asphalt pavement reflection cracking
Li Xi-zhi1, Liu Zhen-feng2
(1. Shouguang CityHighway Bureau Shouguang Shandong 262700;2. Rong-wu highway Weifang management station Weifang Shandong 261108)
【Abstract】China has built highways use surveys indicate that either the South or the North, were one to two years after the opening of cracks, cracks in more than 50% of semi-rigid base Xian split which led to reflection cracking of asphalt pavement cracks. Based on the analysis of the contraction of semi-rigid material based on the mechanism proposed to increase the semi-rigid base material crack resistance measures.
By revealing the mechanism of reflective cracking of asphalt pavement, and the use of mechanical analysis, and laboratory analysis results, semi-rigid asphalt concrete pavement reflection cracking and effective control measures.
【Key words】Semi-rigid; Reflective cracking; Asphalt pavement
1. 前言
随着国民经济的不断发展,公路交通大幅度增长,汽车轴载剧增,要求公路建设向高等级、高标准方向发展。半刚性基层材料以强度高、稳定性好、刚性大以及整体性好等优点满足了公路经济与技术的要求,已成为高等级路面的主要结构形式。然而由于其脆性和对温度、湿度的敏感性,再使用过程中因温度和湿度的变化易产生温缩、干缩裂缝。裂缝的存在使车辆行驶质量下降,破坏了路面结构的整体性和连续性,并在一定程度上削弱了路面结构强度,而且随水分的进入,路基甚至会发生软化,路面承载能力下降,产生唧浆、台阶、网裂等病害,从而加速路面的破坏。
2. 裂缝产生的原因和对路面的危害
半刚性基层开裂后,在沥青面层与半刚性基层层间的裂缝处形成一个薄弱点,在荷载应力与温度应力的共同作用下,该点的沥青面层底面产生应力集中,若沥青面层较薄则会引起开裂。在行车和大气因素的反复作用下,裂缝逐渐向上扩展,直至沥青表面。这种裂缝通常称反射裂缝,其间距大小取决于当地的气候条件、沥青面层厚度,以及半刚性基层和沥青材料的抗裂性能。
反射裂缝会对路面性能和耐久性能产生不利影响。这些不利影响包括:
(1)防水性降低。路表面的任何裂缝,都会使路表水有机会进入路面结构内部,甚至进入对温度敏感的路基中。
(2)引起路基过大压应力。由于存在裂缝,造成路面板体不连续,在行车荷载作用下将加大板体边缘的变形,从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面。
(3)增大路面应力和变形。上述的路面结构板体边缘变形,会在路面结构内(尤其是基层)产生很大的应力和变形,在行车荷载作用下将缩短这些结构层的寿命。
(4)磨耗层沿裂缝的破坏。在车辆、水分、霜冻等因素的作用下,磨耗层常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的剥落。
3. 半刚性基层材料的缩裂分析
3.1 吸附水和分子间力作用。
毛细水蒸发完结后,随着相对湿度的继续变小,凝结颗粒间的吸附水开始蒸发,使颗粒表面水膜变薄,分子力增大,颗粒间距变小,甚至发生新的化学结合,导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量要比毛细管作用影响大的多。当吸附水膜减薄到一定程度以后,收缩量逐步减小,直至终止收缩。
半刚性基层材料中的新生胶结物,如C-S-H、Ca(OH)2、CaCO3以及C-A-H等结晶、凝胶和矿物颗粒表面均服从表面能原理,其所吸附的水做平行于表面方向的运动,引起“尖劈”作用力,是固体颗粒膨胀,水脱附后,“尖劈”作用力消失而引起收缩。
3.2 层间水作用。
半刚性基层材料中有大量的层状结构的晶体或非晶体,如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H等,其层间夹有大量的层间水与分化离子。随着相对湿度的进一步下降,层间水蒸发,致使晶格间距减小,从而引起整体材料的收缩。
4. 反射裂缝的力学分析与试验研究
4.1 级配碎石应力层的防反射裂缝的力学分析。
为了防止基层裂缝在车轮荷载和温度的联合作用下向上反射至路面表层,目前,某些高速公路上试采用在沥青面层与半刚性基层之间设置级配碎石应力层,以吸收部分基层应力,达到防止反射裂缝的目的。从这些试验路段的应用成果来看,这种结构对延缓和减少半刚性基层路面的反射裂缝有较好的防治效果。但目前这些研究成果主要停留在试验路段的观测,而未从力学角度去深入研究。
下面对有级配碎石层路面和没有级配碎石层路面两种情况,分别进行力学分析。
(1)路面结构形式。
根据某高速公路试验路段的路面结构形式,有级配碎石层路面采用如下4层路面结构形式,由上至下依次为:沥青面层厚15cm,弹性模量1500MPa,泊松比0.25;级配碎石层上基层厚20cm,弹性模量500MPa,泊松比0.25;水泥稳定碎石厚5~20cm,弹性模量1000MPa,泊松比0.25;水泥稳定砂砾厚30cm,弹性模量600MPa,泊松比0.25。
(2)计算参数确定。
国内外路面设计以层状弹性体系为理论基础,《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-2004)采用双圆均布垂直荷载在加载作用下的多层弹性连续体系理论,采用后轴载重100KN作为标准轴载,单轮荷载为25KN,轮胎压强为0.707MPa,当量圆直径为21.3cm,双圆均布垂直荷载作用。
(3)计算模型。
将上面路面结构视为4层弹性连续结构,并假定在半刚性基层中存在一贯通裂缝,双圆均布垂直荷载对称作用于裂缝处的路面表层上。
(4)计算结果及其分析。
根据《公路沥青路面设计规范》(JTJ1014-2004)规定,对二级以上公路(包含二级)要采用弯沉与拉应力两项指标进行路面设计。分别对含裂缝的半刚性基层有级配碎石的路面结构和没有级配碎石的路面结构进行计算,计算结果见表1。
从表1计算结果来看,设置级配碎石应力层的面层层底的弯沉值及最大应力与未设置级配应力层时相比,其面层层底的弯沉值及最大应力得到较明显的改善,随着级配碎石厚度的增加,弯沉值及最大应力也随之减小。
4.2 不同路面结构对反射裂缝的力学响应。
半刚性基层反射裂缝与这种结构基层刚度较大有着密切联系,如果适当降低半刚性基层的强度,使路面各结构层更好地协调工作,这有利于减少面层的反射裂缝。为了研究这个问题,拟定了3种不同路面结构,应用路面专用计算软件进行分析。
(1) 路面结构形式。
根据目前高等级公路路面结构的应用情况,拟定了3种路面结构如表2所示。
(2)路面结构材料计算参数。各层路面结构材料计算参数见表3
(3)计算结果与分析。
采用专用沥青路面计算软件对上述三种结构进行计算,计算结果如表4所示。分析表4的计算结果不难发现:
4.2.1 半刚性基层弹性模量的强弱对路面弯沉值和下基层面的拉应力影响较明显,结构1半刚性基层强度最大,面层顶面弯沉值为0.261mm,下基层底面最大拉应力为0.105MPa;结构2半刚性基层强度居中,面层顶面弯沉值为0.268mm,下基层底面最大拉应力为0.107MPa;结构3半刚性基层强度最小,面层顶面弯沉值为0.322mm,下基层底面最大拉应力为0.127MPa。
4.2.2 半刚性基层弹性模量越大,从基层顶面到基层底面的拉应力差也越大,结构1从面层底面到下基层底面的拉应力差为0.203MPa,结构2拉应力差为0.188MPa,结构3拉应力差为0.181MPa。
从上分析可以得到如下结论:路面结构设计要考虑弯沉值和路面结构的拉应力,同时也要考虑层间拉应力之差不要过大。上述三种结构中,结构2设计较为合理,对防止反射裂缝有较好的作用。
5. 半刚性基层沥青路面反射裂缝的防治
5.1 减少开裂的技术途径。
(1)减轻无机结合料稳定集料的收缩和抗裂性能,使基层产生的裂缝减小到最小的限度。
(2)适当增加沥青层的厚度,降低产生反射性裂缝的可能性。这样,实际上半刚性基层沥青路面就成为沥青面层+沥青稳定碎石基层+半刚性底基层的混合式结构。
(3)采取隔离基层与沥青层的措施,使基层的收缩开裂尽可能减少影响沥青面层,少反射到沥青面层来,防止裂缝反射到面层,并减缓裂缝进一步发展。
5.2 延缓无机结合料稳定集料收缩裂缝的措施。
(1)调整无机结合料稳定集料的矿料级配,增加粗集料用量。
(2)采用合理的水泥品种和水泥剂量,减小水泥稳定集料的强度和刚度。
(3)在无机结合料的收缩性能上看,干缩要比温缩严重得多,而且温缩的原因温度变化很难控制,干缩则可以通过养生、覆盖等措施改善。
5.3 关于沥青层的厚度与组合式基层沥青路面问题。
增大沥青层厚度对防止基层裂缝向上传递是有效的。需要指出的是,单凭增加沥青层的厚度措施不仅大幅度增加建设成本,而且效果不一定好,因此仅靠增加厚度的办法并不是上策。从目前情况看,推荐使用沥青稳定碎石基层和半刚性基层材料底基层的组合式结构是适宜的:即将现在通行的下面层沥青混凝土改为沥青稳定碎石,并适当增加沥青层厚度,使其在22~25cm以上。
参考文献
[1] 沙庆林主编,高等级公路半刚性基层沥青路面。北京:人民交通出版社,1998.9
[2] 张登良,郑南翔,半刚性材料抗裂性能研究之二,西安公路学院科学技术报告,1988.6
[3] 郑健龙,周志刚,张起森,沥青路面抗裂设计理论与方法,北京:人民交通出版社,2002.12
[4] 中华人民共和国交通部行业规范JTJ/T014-97,公路沥青路面设计规范[S],北京:人民交通出版社,1997
[5] 中华人民共和国交通部行业规范JTJ/T019-98,公路土工合成材料应用技术规范[S],北京:人民交通出版社,1998
[文章编号]1006-7619(2010)06-06-520