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重庆交通大学 400074
摘要：相关资料和大量工程实践表明，复合式路面的一个致命缺点就是反射裂缝。本文通过对复合式路面反射裂缝的形成机理及扩散机理进行分析，提出防治复合式路面反射裂缝的措施。
1 引言
刚柔复合式路面在温度和湿度的双重作用下，基层混凝土板易产生温缩和干缩裂缝，在交通荷载循环作用下，这些裂缝很容易扩展到沥青面层，形成反射裂缝；再加上基层水泥板接缝处因挠度差异所产生的反射裂缝，直接影响到路面的连续性与整体性，更为严重的是雨水可能通过反射裂缝渗入基层或路基土，使之产生唧泥、脱空、断板等病害；大大降低了路面的强度与稳定性，导致路面在远未达到设计年限时就出现了不同程度的结构性损坏，严重影响了路面的使用寿命。鉴于刚柔复合式路面反射裂缝的普遍性与严重性，本文同过对复合式路面反射裂缝的形成机理及扩散机理进行分析，提出防治复合式路面反射裂缝的几点措施。
2 反射裂缝产生机理
刚柔复合式路面的反射裂缝主要有两种：荷载型反射裂缝和非荷载型反射裂缝。荷载型反射裂缝主要是由车辆荷载引起的，是本文研究的主要对象。下面首先从受力角度和协调变形角度分别阐述路面反射裂缝的产生机理。
（1）受力角度
各国道路工作者普遍认为，路面反射裂缝是在内因和外因的综合作用下产生的。内因主要源于水泥混凝土基层板在施工和使用过程中产生的不规则缝隙，外因主要来自于车辆荷载等外界环境作用。新建复合式路面水泥混凝土基层施工完成后会进行预切缝处理，连同因热胀冷缩产生的温度型裂缝，致使水泥混凝土基层板上存在许多间断型断裂地带，虽然施工后会采用硅胶等材料进行填补，但在车辆荷载作用下裂缝迟早会沿施工缝发展；再加上局部水泥混凝土板存在脱空或基层软弱等不利因素，致使路面结构在外荷载作用下产生的应力和位移在基层裂缝处不连续，尤其是沥青面层底部，无论是在交通荷载还是温度荷载作用下，裂缝附近产生的应力都很大且具有明显的奇异性，距离裂缝尖端越近应力越大，当无限靠近于裂缝尖端时其应力趋于无穷大，而沥青混合料抗弯拉性能较差，当沥青面层底部所受的弯拉应力或剪切应力大于沥青混合料自身的抗拉强度时便会产生反射裂缝。反射裂缝产生后，裂缝处应力松弛，应力得到重分布，如果重分布后的应力仍大于沥青混合料的极限抗拉强度，裂缝将继续扩展形成第二批反射裂缝；之后再进行应力重分布，直到裂缝尖端处应力值小于沥青混合料的极限抗拉强度，裂缝才会停止扩展。
如图2.1所示，当车辆在裂缝左侧行驶时（a点以左），由于裂缝两侧存在竖向位移差，此时沥青面层底部会受到一次剪切作用；当车轮继续前行到达裂缝正上方b点时，基层板受力均匀，基本不会产生竖向位移差，沥青面层底部主要受到弯拉作用；而当车轮荷载驶离c点时沥青面层底部再次受到剪切作用，但方向与第一次剪切作用正好相反。因此，每当有车辆经过裂缝时，沥青面层底部就会受到一次“剪切-弯拉-剪切”应力循环作用，当沥青面层底部受到的破坏应力大于沥青混合料自身容许应力时即会产生反射裂缝，此荷载型反射裂缝的产生过程是在受力角度进行阐述的。
图2.1 车辆荷载作用模拟图
Fig.2.1 Mimic diagram of vehicle loads
（2）协调变形角度
重庆交通大学的易志坚从协调变形角度分析了反射裂缝的产生机理。假设图2.2中同一字母所示的点为路面内部的两相邻点，在荷载应力作用下，沥青面层和水泥板基层内会产生变形，但不同部位变形量大小有所不同，位于裂缝同侧的两个相邻点会保持良好的变形协调性，比如B点和B1点、C点和C1点、D点和D1点、E点和E1点；而裂缝两侧的A点和A1点的变形却不协调，A和A1两点之间的变形量大于其他任何位置两点之间的变形量，实际上A和A1之间的变形量反映了路面板的整体变形量。这种变形特点会使得裂缝附近的应变远大于路面的平均应变，而应变的产生源于路面受到的应力作用，因此，裂缝尖端部位会产生应力集中现象，反射裂缝随之产生。
图2.2 相邻点变形量图示
Fig.2.2 Deformation of adjacent points
3 反射裂缝扩展机理分析
反射裂缝的扩展途径主要有两种：纵向扩展和横向扩展。反射裂缝沿纵向扩展是指在荷载应力和温度应力作用下裂缝将在沥青面层顶面和底面同时产生，然后向中部扩展直至贯穿沥青面层；对于荷载型反射裂缝，当受到正载作用时，反射裂缝产生于沥青面层底部，在车辆交变荷载作用下垂直向上扩展，为典型的张开型反射裂缝；而当受到偏载作用时，反射裂缝一般产生于沥青面层底部，并且基本沿45°方向向面层顶部扩展，为典型的剪切型裂缝；当两者综合作用时，扩展路径将介于两种不同模式之间。反射裂缝横向扩展方向与纵向扩展方向相互垂直，反射裂缝的横向扩展会消耗掉部分应力，间接延缓了反射裂缝的纵向扩展速度，即横向裂缝的发展有利于提高路面的防反性能。
反射裂缝扩展过程会经历三个阶段：①反射裂缝萌生阶段，当应力超过沥青面层底部容许弯拉应力时产生开裂，即使面层底部总应力未超过沥青混合料容许应力，但随着循环加载次数的增加同样会产生疲劳开裂；②反射裂缝稳定扩展阶段，此时受力较为稳定，裂缝扩展速度不会出现较大波动；③反射裂缝不稳定扩展阶段，当裂缝扩展至临界长度后，将发生失稳破坏，此时反射裂缝将迅速贯穿沥青面层。
4 防治反射裂缝的措施
4.1 设置应力吸收层
应力吸收作用是防治路面产生反射裂缝的关键因素之一。为了尽大限度地发挥防裂材料的应力吸收作用，应力吸收夹层材料应选取模量较低、变形小、耐高温、厚度适中的弹性材料，要防止因夹层竖向变形过大而影响到路面整体结构的防反性能。
4.2加铺强加筋材料
加筋作用是防治路面反射裂缝的另一关键因素。所谓加筋，是指利用防裂材料改善沥青面层防反性能的行为。加筋作用的大小主要取决于加筋材料间的交织作用、与相邻构造物之間的磨擦作用、加筋材料自身的抗拉性能以及桥联增韧作用。重载交通条件下最好选用抗拉强度高、变形小、耐高温、抗腐蚀、性价比高的强加筋材料作为防反材料。
4.3 增加加铺层厚度
增加沥青加铺层厚度可显著提高复合式路面的防反性能，一是厚加铺层条件下增大了荷载的受力面积，使裂缝处应力集中程度大幅减小；二是沥青加铺层越厚，反射裂缝扩展到面层的距离越长。因此，在有条件情况下可通过增加沥青加铺层厚度提高路面的整体防反性能，但并非厚度越大防反性能越好。当沥青加铺层较薄时，防反性能随着厚度的增加显著提高，而后随着厚度的增加防反性能提高缓慢，甚至超过一定厚度后不利于路面的整体路用性能；而且随着沥青加铺层厚度的增加，资金投入量明显加大。通常情况下，沥青加铺层的厚度介于15cm～18cm，分两层或三层摊铺完成。
参考文献：
[1]蒋应军.重载交通水泥混凝土路面[M].中国科学技术出版社，2009.
[2]胡长顺，王秉刚.复合式路面设计原理与施工技术[M].人民交通出版社，1999.
[3]刘林才.旧水泥混凝土路面状况分析及沥青加铺层质量监控[D].广州：华南理工大学，2011.
[4]刘艳春.复合式路面反射裂缝的力学分析及防治措施[D].合肥：河北工业大学，2001.
[5]周娟兰.设置应力吸收层的复合式路面动态响应及抗裂机理分析[D].西安：长安大学，2011.
[6]周富杰.防治反射裂缝的措施及其分析[D].上海：同济大学，1998.
[7]周富杰，孙立军.防治反射裂缝的措施及分析[J].华东公路，1996（5）：25-31.
[42]易志坚.从变形协调关系看路面反射裂缝的形成机理[J].重庆交通学院学报，2003，22（4）.
摘要：相关资料和大量工程实践表明，复合式路面的一个致命缺点就是反射裂缝。本文通过对复合式路面反射裂缝的形成机理及扩散机理进行分析，提出防治复合式路面反射裂缝的措施。
1 引言
刚柔复合式路面在温度和湿度的双重作用下，基层混凝土板易产生温缩和干缩裂缝，在交通荷载循环作用下，这些裂缝很容易扩展到沥青面层，形成反射裂缝；再加上基层水泥板接缝处因挠度差异所产生的反射裂缝，直接影响到路面的连续性与整体性，更为严重的是雨水可能通过反射裂缝渗入基层或路基土，使之产生唧泥、脱空、断板等病害；大大降低了路面的强度与稳定性，导致路面在远未达到设计年限时就出现了不同程度的结构性损坏，严重影响了路面的使用寿命。鉴于刚柔复合式路面反射裂缝的普遍性与严重性，本文同过对复合式路面反射裂缝的形成机理及扩散机理进行分析，提出防治复合式路面反射裂缝的几点措施。
2 反射裂缝产生机理
刚柔复合式路面的反射裂缝主要有两种：荷载型反射裂缝和非荷载型反射裂缝。荷载型反射裂缝主要是由车辆荷载引起的，是本文研究的主要对象。下面首先从受力角度和协调变形角度分别阐述路面反射裂缝的产生机理。
（1）受力角度
各国道路工作者普遍认为，路面反射裂缝是在内因和外因的综合作用下产生的。内因主要源于水泥混凝土基层板在施工和使用过程中产生的不规则缝隙，外因主要来自于车辆荷载等外界环境作用。新建复合式路面水泥混凝土基层施工完成后会进行预切缝处理，连同因热胀冷缩产生的温度型裂缝，致使水泥混凝土基层板上存在许多间断型断裂地带，虽然施工后会采用硅胶等材料进行填补，但在车辆荷载作用下裂缝迟早会沿施工缝发展；再加上局部水泥混凝土板存在脱空或基层软弱等不利因素，致使路面结构在外荷载作用下产生的应力和位移在基层裂缝处不连续，尤其是沥青面层底部，无论是在交通荷载还是温度荷载作用下，裂缝附近产生的应力都很大且具有明显的奇异性，距离裂缝尖端越近应力越大，当无限靠近于裂缝尖端时其应力趋于无穷大，而沥青混合料抗弯拉性能较差，当沥青面层底部所受的弯拉应力或剪切应力大于沥青混合料自身的抗拉强度时便会产生反射裂缝。反射裂缝产生后，裂缝处应力松弛，应力得到重分布，如果重分布后的应力仍大于沥青混合料的极限抗拉强度，裂缝将继续扩展形成第二批反射裂缝；之后再进行应力重分布，直到裂缝尖端处应力值小于沥青混合料的极限抗拉强度，裂缝才会停止扩展。
如图2.1所示，当车辆在裂缝左侧行驶时（a点以左），由于裂缝两侧存在竖向位移差，此时沥青面层底部会受到一次剪切作用；当车轮继续前行到达裂缝正上方b点时，基层板受力均匀，基本不会产生竖向位移差，沥青面层底部主要受到弯拉作用；而当车轮荷载驶离c点时沥青面层底部再次受到剪切作用，但方向与第一次剪切作用正好相反。因此，每当有车辆经过裂缝时，沥青面层底部就会受到一次“剪切-弯拉-剪切”应力循环作用，当沥青面层底部受到的破坏应力大于沥青混合料自身容许应力时即会产生反射裂缝，此荷载型反射裂缝的产生过程是在受力角度进行阐述的。
图2.1 车辆荷载作用模拟图
Fig.2.1 Mimic diagram of vehicle loads
（2）协调变形角度
重庆交通大学的易志坚从协调变形角度分析了反射裂缝的产生机理。假设图2.2中同一字母所示的点为路面内部的两相邻点，在荷载应力作用下，沥青面层和水泥板基层内会产生变形，但不同部位变形量大小有所不同，位于裂缝同侧的两个相邻点会保持良好的变形协调性，比如B点和B1点、C点和C1点、D点和D1点、E点和E1点；而裂缝两侧的A点和A1点的变形却不协调，A和A1两点之间的变形量大于其他任何位置两点之间的变形量，实际上A和A1之间的变形量反映了路面板的整体变形量。这种变形特点会使得裂缝附近的应变远大于路面的平均应变，而应变的产生源于路面受到的应力作用，因此，裂缝尖端部位会产生应力集中现象，反射裂缝随之产生。
图2.2 相邻点变形量图示
Fig.2.2 Deformation of adjacent points
3 反射裂缝扩展机理分析
反射裂缝的扩展途径主要有两种：纵向扩展和横向扩展。反射裂缝沿纵向扩展是指在荷载应力和温度应力作用下裂缝将在沥青面层顶面和底面同时产生，然后向中部扩展直至贯穿沥青面层；对于荷载型反射裂缝，当受到正载作用时，反射裂缝产生于沥青面层底部，在车辆交变荷载作用下垂直向上扩展，为典型的张开型反射裂缝；而当受到偏载作用时，反射裂缝一般产生于沥青面层底部，并且基本沿45°方向向面层顶部扩展，为典型的剪切型裂缝；当两者综合作用时，扩展路径将介于两种不同模式之间。反射裂缝横向扩展方向与纵向扩展方向相互垂直，反射裂缝的横向扩展会消耗掉部分应力，间接延缓了反射裂缝的纵向扩展速度，即横向裂缝的发展有利于提高路面的防反性能。
反射裂缝扩展过程会经历三个阶段：①反射裂缝萌生阶段，当应力超过沥青面层底部容许弯拉应力时产生开裂，即使面层底部总应力未超过沥青混合料容许应力，但随着循环加载次数的增加同样会产生疲劳开裂；②反射裂缝稳定扩展阶段，此时受力较为稳定，裂缝扩展速度不会出现较大波动；③反射裂缝不稳定扩展阶段，当裂缝扩展至临界长度后，将发生失稳破坏，此时反射裂缝将迅速贯穿沥青面层。
4 防治反射裂缝的措施
4.1 设置应力吸收层
应力吸收作用是防治路面产生反射裂缝的关键因素之一。为了尽大限度地发挥防裂材料的应力吸收作用，应力吸收夹层材料应选取模量较低、变形小、耐高温、厚度适中的弹性材料，要防止因夹层竖向变形过大而影响到路面整体结构的防反性能。
4.2加铺强加筋材料
加筋作用是防治路面反射裂缝的另一关键因素。所谓加筋，是指利用防裂材料改善沥青面层防反性能的行为。加筋作用的大小主要取决于加筋材料间的交织作用、与相邻构造物之間的磨擦作用、加筋材料自身的抗拉性能以及桥联增韧作用。重载交通条件下最好选用抗拉强度高、变形小、耐高温、抗腐蚀、性价比高的强加筋材料作为防反材料。
4.3 增加加铺层厚度
增加沥青加铺层厚度可显著提高复合式路面的防反性能，一是厚加铺层条件下增大了荷载的受力面积，使裂缝处应力集中程度大幅减小；二是沥青加铺层越厚，反射裂缝扩展到面层的距离越长。因此，在有条件情况下可通过增加沥青加铺层厚度提高路面的整体防反性能，但并非厚度越大防反性能越好。当沥青加铺层较薄时，防反性能随着厚度的增加显著提高，而后随着厚度的增加防反性能提高缓慢，甚至超过一定厚度后不利于路面的整体路用性能；而且随着沥青加铺层厚度的增加，资金投入量明显加大。通常情况下，沥青加铺层的厚度介于15cm～18cm，分两层或三层摊铺完成。
参考文献：
[1]蒋应军.重载交通水泥混凝土路面[M].中国科学技术出版社，2009.
[2]胡长顺，王秉刚.复合式路面设计原理与施工技术[M].人民交通出版社，1999.
[3]刘林才.旧水泥混凝土路面状况分析及沥青加铺层质量监控[D].广州：华南理工大学，2011.
[4]刘艳春.复合式路面反射裂缝的力学分析及防治措施[D].合肥：河北工业大学，2001.
[5]周娟兰.设置应力吸收层的复合式路面动态响应及抗裂机理分析[D].西安：长安大学，2011.
[6]周富杰.防治反射裂缝的措施及其分析[D].上海：同济大学，1998.
[7]周富杰，孙立军.防治反射裂缝的措施及分析[J].华东公路，1996（5）：25-31.
[42]易志坚.从变形协调关系看路面反射裂缝的形成机理[J].重庆交通学院学报，2003，22（4）.