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摘要针对沥青路面在使用期开裂的实际问题,仅对基层为二灰砾(碎)石,底基层为石灰土或二灰土结构的公路沥青路面裂缝产生的原因进行详细的分析,并阐述影响裂缝产生的主要因素。从设计和施工方面提出切实可行的减少路面裂缝产生的相关措施。最后提出沥青路面的裂缝多为二灰砾(碎)石基层裂缝的反射裂缝及温度裂缝,认为如何提高沥青面层的防裂性能、缩短二灰砾(碎)石的养生期、改善沥青及沥青混合料的使用品质是今后进一步研究的主要方向。
关键词沥青路面裂缝;产生原因;主要因素;预防措施
中图分类号U416.216文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0054-02
沥青路面在使用期开裂是一个普遍存在的问题。咸阳地区粉煤灰、石灰、砾(碎)石等筑路材料丰富,所以笔者在这里只浅谈基层为二灰砾(碎)石,底基层为石灰土或二灰土结构的公路。沥青路面初期产生的裂缝对其使用性能一般无明显影响,但是随着地表雨水和雪水不断地从裂缝侵入,可能导致裂缝附近土基含水量增大,甚至路基软化,导致路面承载力下降。在大量行车荷载的反复作用下产生唧浆、台阶、网裂等病害,从而加速沥青路面的破坏。
1沥青路面开裂的原因
路面开列主要原因分为两大类:荷载型裂缝和非荷载型裂缝。
1)荷载型裂缝是由于行车荷载的作用,沥青面层产生的拉应力大于沥青砼面层的抗拉应力。在行车荷载的反复作用下,二灰砾(碎)石基层也同样会产生相应的应力效果,这样路面结构层的底部就会首先产生裂缝,并且裂缝会沿着底部逐渐向上扩展,最终造成沥青砼面层的开裂破坏。
2)非荷载型裂缝主要是由沥青面层温度变化而产生的温度裂缝,包括低温收缩裂缝和疲劳裂缝。①由于现行沥青路面设计规范中沥青路面基层多采用半刚性材料,目前咸阳地区二级公路基层多为二灰砾(碎)石结构,但二灰砾(碎)石的配合比、组成材料的抗压强度、养生条件决定了它的稳定性。一般情况下,二灰砾(碎)石会产生温度裂缝和收缩裂缝。正因为如此,沥青面层会产生对应的反射裂缝,此类裂缝也属于非荷载型裂缝。②在某些情况下,沥青路面开裂也可能是由行车荷载和温度效应共同作用产生的。
2沥青路面裂缝的应力分析
2.1结构性破坏裂缝
结构性破坏的结果反映到路面上就是各种形状的裂缝,如龟裂、决裂、横裂、纵裂。这些裂缝有以下原因引起的。①路面材料品质不良,如沥青的针入度、石料的强度、沥青混凝土的配合比不适合当地气候条件等。②交通荷载的剪切作用,如重型汽车的车轮荷载。③路基下沉。如路基的密实度不够、半填半挖路段回填不密实、路基与构造物搭接处回填不密实、雨季施工措施不力等。④道路二灰砾(碎)石基层的施工控制不严格。如含水量过大,碾压后未达到规范要求的密实度、养生期不足,因摊铺方法不当,导致的骨料分布不均匀,出现灰包等粗、细料集中现象。
2.2温度裂缝
沥青路面的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝分为低温裂缝和温度疲劳裂缝。
1)底温裂缝。沥青材料在较高温度条件下,具有良好的应力松弛性能,温度升降产生的变形不致于产生过大的温度应力,但当温度大幅度下降时,沥青材料会发硬并开始收缩,此时将产生拉应力。当沥青混凝土的应力松弛赶不上温度应力的增长时,沥青混凝土劲度急剧增长,然而沥青混凝土受路面硬化路肩的约束,面层中产生的收缩应力超过沥青混凝土的抗拉强度,沥青路面就会开裂。由于沥青路面宽度有限,收缩受路面结构的约束小,随意低温裂缝主要是横向的。
2)温度疲劳裂缝。由于温度反复升降导致沥青面层温度应力疲劳,使沥青劲度模量变小,加上沥青的老化,使沥青劲度增高,应力松弛性能降低,最终达到极限抗拉强度使路面开裂。
2.3沥青路面的反射裂缝和对应裂缝
1)二灰砾(碎)石及灰土的温缩开裂引起的反射裂缝。通常假设导致反射裂缝的机理是二灰砾(碎)石或灰土由于温缩而开裂,并允许有垂直位移和水平位移。垂直位移是由于行车荷载的反复作用引起的下卧路面结构在裂缝处的差动位移。水平位移是温度变化或水分变化引起的膨胀和收缩。
冬季在结合良好的沥青面层下,开裂的二灰砾(碎)石及灰土水平位移使得直接在裂缝上的面层内产生大的拉应力或拉应变。由于在低温下沥青面层普遍较硬,只能承受小的拉应力或拉应变,因此容易开裂,并由下至上的途径扩展。沥青面层越薄,反射裂缝的形成会愈早、愈多。
2)二灰砾(碎)石及灰土的干缩引起的反射裂缝和对应裂缝。对于新铺筑的二灰砾(碎)石基层及灰土底基层,随着内部水分的减少,要产生干缩和干缩应力,水分减少愈快愈多,产生的干缩应力就愈大。在已经产生干缩裂缝的二灰砾(碎)石基层上铺筑沥青砼,分两种情况:①在沥青面层较薄的情况下,二灰砾(碎)石的裂缝会由于温度应力而使沥青砼底部开裂,并较快形成反射裂缝,若行车荷载产生的拉应力和温度应力同时产生,反射裂缝就形成的更快。②在沥青砼面层较厚的情况下,由于温度应力在表面最大(在沥青砼内部呈梯形分布),二灰砾(碎)石的裂缝将使沥青砼表面先开裂,然后逐渐向下传播形成对应裂缝。
3影响裂缝产生的主要因素
3.1沥青和沥青混合料的性质
沥青和沥青混合料的性质是影响沥青路面温度开裂的主要原因。沥青混合料的低温劲度是决定沥青路面是否开裂的最根本因素,沥青劲度又是决定沥青混合料劲度的关键。在沥青性能指标中,影响更大的是温度敏感性,温度敏感性大的沥青面层更容易开裂。
3.2二灰砾(碎)石基层的性质
基层材料的收缩性愈小,面层裂缝愈少。二级公路多采用二灰砾(碎)石为基层,而欠合理的二灰砾(碎)石的配合比将产生过大的温度应力和干缩应力,容易造成裂缝的发生。
3.3气候条件
极端最低温度、降温速率、低温持续时间、升降温循环次数是气候条件影响沥青面层温度裂缝的四大要素。
3.4交通量和车辆类型
二灰砾(碎)石中的最大拉应力通常有最重要的车轮荷载产生的。并且对二灰砾(碎)石基层不同轴载对路面的破坏作用远不是4次方的关系,而是11-13次方的关系,即使通过次数少的重型荷载也对路面的破坏起着决定性的作用。
3.5施工因素
主要是二灰砾(碎)石基层的碾压含水量、二灰砾(碎)石基层成型后的暴晒时间、配套设施的回填土的压实度、铺筑时的沥青混合料的温度、碾压机具的配套等。
4减少沥青路面裂缝的措施
根据规范,通过路面结构设计和厚度计算可以满足沥青路面和承载能力的要求,基本避免了荷载裂缝的产生。但是如何避免或减少非荷载裂缝的产生,还应从设计、施工、养护三个方面进行考虑。
4.1设计方面
1)优化路面结构设计。从交通量调查到路面结构的确定都应满足要求。交通量的调查不仅要对现状进行详细的研究,更要对交通量的增长,尤其是对重型车辆的增长速度进行调查,并作出较为准确的预测。在此前提下,结合本地的原材料、气候条件,对路面结构进行研究,选择适宜的模量比,确定后,对路面的厚度进行计算,并对各层的施工方法提出具体的要求。同时,为了减少水侵害的影响,要优化路缘石设计,以降低水侵害的影响程度。
2)应选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小、抗拉强度高的最优化配合比的二灰砾(碎)石做基层。
3)选用松弛性能好的沥青作为沥青面层。
4)在稳定度满足要求的前提下,优先选用针入度较大的沥青作为沥青面层。
5)沥青面层采用密实型沥青砼。
6)采用合适的沥青面层厚度,确保二灰砾(碎)石基层在使用期一般不会产生干缩裂缝和温度裂缝。
7)为进一步提高沥青路面抗温裂缝的性能,可采用橡胶沥青和聚合物沥青在沥青砼表面做一层封层。
8)设置应力消减(应力吸收)中间层。在沥青面层较薄的情况下,应在二灰砾(碎)石层上面设置级配碎石中间层(或上基层),以减少或避免二灰砾(碎)石层在沥青路面的反射裂缝或对应裂缝。
9)严格把握材料配比关。沥青砼设计最好采用II型,运用骨架密实结构,粗骨料选用二到三种级配,尽量不采用通料。设计时,沥青砼的各项指标均达到理想状态,减少空隙率,防止水侵害的发生。
4.2施工方面
1)严格控制二灰砾(碎)石基层施工碾压时的含水量,混合料的含水量不能超过碾压实际需要的最佳含水量或控制在施工规范允许范围内。
2)二灰砾(碎)石基层碾压完成后,需及时养生。
3)二灰砾(碎)石基层碾压完成后,碾压完成后,或最迟在养生时限完成后,应立即用乳化沥青作透层或封层。
4)透层或粘层完成后,应尽快铺筑沥青面层,但是必须保证在铺筑沥青砼前二灰砾(碎)石基层不产生收缩裂缝。
5)对于半填半挖、台背等特殊部位应采用层层夯实,严格控制回填土的密实度。
6)严格把握施工工艺关,按规范操作,保证工程质量,要从施工的每一个环节来控制。沥青混合料的拌和、摊铺、压实、成型、养生都必须按规范操作。施工中首先要控制好沥青混合料的温度,包括拌和、运料、出料。摊铺、压实温度均不能低于规范要求,且拌和温度不能高于规范规定值,否则将会降低沥青的使用性能。摊铺时厚度应均匀,要随时观测温度、平整度、沥青面层的高程,同时,压实机械要匹配,先轻后重,先两侧后中间,直到压实度达到要求为止并注意纵缝接茬处的处理:先用热料敷化纵缝接茬处,等达到规定温度后,用压路机先在已压实的路面上行走,碾压新铺层的10-15cm,然后压实新铺部分,再伸过已压实路面的10-15cm。
7)沥青混合料是热操作材料,应作到快卸、快铺、快碾压的“三快”方法,当测定地表温度低于5时,应采取冬季施工措施。
8)在铺筑沥青砼前,若二灰砾(碎)石因温度应力、干缩应力或养生期不足而裂缝,可以利用土工织物或玻纤格珊等防止或延缓其反射裂缝或对应裂缝的发生。
4.3养护
1)新铺筑的沥青路面可以用乳化沥青封层,可以减少水分的渗入,降低水侵害的程度,避免造成路面的破损。
2)对于已产生裂缝的沥青路面,可以用无纺布、编织布减轻路面裂缝的产生,选用针次无纺布和聚丙烯编织布两类材料,在裂缝路段铺满,采用自由式搭接,搭接处用热沥青粘界,再用厚度为3-5cm的沥青砼罩面,即可收到交好的效果。
3)对于新铺筑的沥青砼路面早期产生的裂缝的治理方法:①对于细裂缝(2-5mm)可用改性乳化沥青灌缝。②对于粗裂缝(大于5mm)可用改性沥青灌缝。灌缝后,表面撒上粗砂或3-5mm石屑。
5结束语
现行沥青路面设计规范中要求路面厚度设计相对偏厚,同时,二灰砾(碎)石基层的收缩偏小,且易摊铺,易成活,但目前工程普遍要求工期紧,任务重,二灰砾(碎)石的养生期大多不足,因此沥青路面的裂缝多为二灰砾(碎)石层裂缝的反射裂缝及温度裂缝。如何提高沥青面层的防裂性能、缩短二灰砾(碎)石的养生期、改善沥青及沥青混合料的使用品质是今后研究的主要方向。
关键词沥青路面裂缝;产生原因;主要因素;预防措施
中图分类号U416.216文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0054-02
沥青路面在使用期开裂是一个普遍存在的问题。咸阳地区粉煤灰、石灰、砾(碎)石等筑路材料丰富,所以笔者在这里只浅谈基层为二灰砾(碎)石,底基层为石灰土或二灰土结构的公路。沥青路面初期产生的裂缝对其使用性能一般无明显影响,但是随着地表雨水和雪水不断地从裂缝侵入,可能导致裂缝附近土基含水量增大,甚至路基软化,导致路面承载力下降。在大量行车荷载的反复作用下产生唧浆、台阶、网裂等病害,从而加速沥青路面的破坏。
1沥青路面开裂的原因
路面开列主要原因分为两大类:荷载型裂缝和非荷载型裂缝。
1)荷载型裂缝是由于行车荷载的作用,沥青面层产生的拉应力大于沥青砼面层的抗拉应力。在行车荷载的反复作用下,二灰砾(碎)石基层也同样会产生相应的应力效果,这样路面结构层的底部就会首先产生裂缝,并且裂缝会沿着底部逐渐向上扩展,最终造成沥青砼面层的开裂破坏。
2)非荷载型裂缝主要是由沥青面层温度变化而产生的温度裂缝,包括低温收缩裂缝和疲劳裂缝。①由于现行沥青路面设计规范中沥青路面基层多采用半刚性材料,目前咸阳地区二级公路基层多为二灰砾(碎)石结构,但二灰砾(碎)石的配合比、组成材料的抗压强度、养生条件决定了它的稳定性。一般情况下,二灰砾(碎)石会产生温度裂缝和收缩裂缝。正因为如此,沥青面层会产生对应的反射裂缝,此类裂缝也属于非荷载型裂缝。②在某些情况下,沥青路面开裂也可能是由行车荷载和温度效应共同作用产生的。
2沥青路面裂缝的应力分析
2.1结构性破坏裂缝
结构性破坏的结果反映到路面上就是各种形状的裂缝,如龟裂、决裂、横裂、纵裂。这些裂缝有以下原因引起的。①路面材料品质不良,如沥青的针入度、石料的强度、沥青混凝土的配合比不适合当地气候条件等。②交通荷载的剪切作用,如重型汽车的车轮荷载。③路基下沉。如路基的密实度不够、半填半挖路段回填不密实、路基与构造物搭接处回填不密实、雨季施工措施不力等。④道路二灰砾(碎)石基层的施工控制不严格。如含水量过大,碾压后未达到规范要求的密实度、养生期不足,因摊铺方法不当,导致的骨料分布不均匀,出现灰包等粗、细料集中现象。
2.2温度裂缝
沥青路面的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝分为低温裂缝和温度疲劳裂缝。
1)底温裂缝。沥青材料在较高温度条件下,具有良好的应力松弛性能,温度升降产生的变形不致于产生过大的温度应力,但当温度大幅度下降时,沥青材料会发硬并开始收缩,此时将产生拉应力。当沥青混凝土的应力松弛赶不上温度应力的增长时,沥青混凝土劲度急剧增长,然而沥青混凝土受路面硬化路肩的约束,面层中产生的收缩应力超过沥青混凝土的抗拉强度,沥青路面就会开裂。由于沥青路面宽度有限,收缩受路面结构的约束小,随意低温裂缝主要是横向的。
2)温度疲劳裂缝。由于温度反复升降导致沥青面层温度应力疲劳,使沥青劲度模量变小,加上沥青的老化,使沥青劲度增高,应力松弛性能降低,最终达到极限抗拉强度使路面开裂。
2.3沥青路面的反射裂缝和对应裂缝
1)二灰砾(碎)石及灰土的温缩开裂引起的反射裂缝。通常假设导致反射裂缝的机理是二灰砾(碎)石或灰土由于温缩而开裂,并允许有垂直位移和水平位移。垂直位移是由于行车荷载的反复作用引起的下卧路面结构在裂缝处的差动位移。水平位移是温度变化或水分变化引起的膨胀和收缩。
冬季在结合良好的沥青面层下,开裂的二灰砾(碎)石及灰土水平位移使得直接在裂缝上的面层内产生大的拉应力或拉应变。由于在低温下沥青面层普遍较硬,只能承受小的拉应力或拉应变,因此容易开裂,并由下至上的途径扩展。沥青面层越薄,反射裂缝的形成会愈早、愈多。
2)二灰砾(碎)石及灰土的干缩引起的反射裂缝和对应裂缝。对于新铺筑的二灰砾(碎)石基层及灰土底基层,随着内部水分的减少,要产生干缩和干缩应力,水分减少愈快愈多,产生的干缩应力就愈大。在已经产生干缩裂缝的二灰砾(碎)石基层上铺筑沥青砼,分两种情况:①在沥青面层较薄的情况下,二灰砾(碎)石的裂缝会由于温度应力而使沥青砼底部开裂,并较快形成反射裂缝,若行车荷载产生的拉应力和温度应力同时产生,反射裂缝就形成的更快。②在沥青砼面层较厚的情况下,由于温度应力在表面最大(在沥青砼内部呈梯形分布),二灰砾(碎)石的裂缝将使沥青砼表面先开裂,然后逐渐向下传播形成对应裂缝。
3影响裂缝产生的主要因素
3.1沥青和沥青混合料的性质
沥青和沥青混合料的性质是影响沥青路面温度开裂的主要原因。沥青混合料的低温劲度是决定沥青路面是否开裂的最根本因素,沥青劲度又是决定沥青混合料劲度的关键。在沥青性能指标中,影响更大的是温度敏感性,温度敏感性大的沥青面层更容易开裂。
3.2二灰砾(碎)石基层的性质
基层材料的收缩性愈小,面层裂缝愈少。二级公路多采用二灰砾(碎)石为基层,而欠合理的二灰砾(碎)石的配合比将产生过大的温度应力和干缩应力,容易造成裂缝的发生。
3.3气候条件
极端最低温度、降温速率、低温持续时间、升降温循环次数是气候条件影响沥青面层温度裂缝的四大要素。
3.4交通量和车辆类型
二灰砾(碎)石中的最大拉应力通常有最重要的车轮荷载产生的。并且对二灰砾(碎)石基层不同轴载对路面的破坏作用远不是4次方的关系,而是11-13次方的关系,即使通过次数少的重型荷载也对路面的破坏起着决定性的作用。
3.5施工因素
主要是二灰砾(碎)石基层的碾压含水量、二灰砾(碎)石基层成型后的暴晒时间、配套设施的回填土的压实度、铺筑时的沥青混合料的温度、碾压机具的配套等。
4减少沥青路面裂缝的措施
根据规范,通过路面结构设计和厚度计算可以满足沥青路面和承载能力的要求,基本避免了荷载裂缝的产生。但是如何避免或减少非荷载裂缝的产生,还应从设计、施工、养护三个方面进行考虑。
4.1设计方面
1)优化路面结构设计。从交通量调查到路面结构的确定都应满足要求。交通量的调查不仅要对现状进行详细的研究,更要对交通量的增长,尤其是对重型车辆的增长速度进行调查,并作出较为准确的预测。在此前提下,结合本地的原材料、气候条件,对路面结构进行研究,选择适宜的模量比,确定后,对路面的厚度进行计算,并对各层的施工方法提出具体的要求。同时,为了减少水侵害的影响,要优化路缘石设计,以降低水侵害的影响程度。
2)应选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小、抗拉强度高的最优化配合比的二灰砾(碎)石做基层。
3)选用松弛性能好的沥青作为沥青面层。
4)在稳定度满足要求的前提下,优先选用针入度较大的沥青作为沥青面层。
5)沥青面层采用密实型沥青砼。
6)采用合适的沥青面层厚度,确保二灰砾(碎)石基层在使用期一般不会产生干缩裂缝和温度裂缝。
7)为进一步提高沥青路面抗温裂缝的性能,可采用橡胶沥青和聚合物沥青在沥青砼表面做一层封层。
8)设置应力消减(应力吸收)中间层。在沥青面层较薄的情况下,应在二灰砾(碎)石层上面设置级配碎石中间层(或上基层),以减少或避免二灰砾(碎)石层在沥青路面的反射裂缝或对应裂缝。
9)严格把握材料配比关。沥青砼设计最好采用II型,运用骨架密实结构,粗骨料选用二到三种级配,尽量不采用通料。设计时,沥青砼的各项指标均达到理想状态,减少空隙率,防止水侵害的发生。
4.2施工方面
1)严格控制二灰砾(碎)石基层施工碾压时的含水量,混合料的含水量不能超过碾压实际需要的最佳含水量或控制在施工规范允许范围内。
2)二灰砾(碎)石基层碾压完成后,需及时养生。
3)二灰砾(碎)石基层碾压完成后,碾压完成后,或最迟在养生时限完成后,应立即用乳化沥青作透层或封层。
4)透层或粘层完成后,应尽快铺筑沥青面层,但是必须保证在铺筑沥青砼前二灰砾(碎)石基层不产生收缩裂缝。
5)对于半填半挖、台背等特殊部位应采用层层夯实,严格控制回填土的密实度。
6)严格把握施工工艺关,按规范操作,保证工程质量,要从施工的每一个环节来控制。沥青混合料的拌和、摊铺、压实、成型、养生都必须按规范操作。施工中首先要控制好沥青混合料的温度,包括拌和、运料、出料。摊铺、压实温度均不能低于规范要求,且拌和温度不能高于规范规定值,否则将会降低沥青的使用性能。摊铺时厚度应均匀,要随时观测温度、平整度、沥青面层的高程,同时,压实机械要匹配,先轻后重,先两侧后中间,直到压实度达到要求为止并注意纵缝接茬处的处理:先用热料敷化纵缝接茬处,等达到规定温度后,用压路机先在已压实的路面上行走,碾压新铺层的10-15cm,然后压实新铺部分,再伸过已压实路面的10-15cm。
7)沥青混合料是热操作材料,应作到快卸、快铺、快碾压的“三快”方法,当测定地表温度低于5时,应采取冬季施工措施。
8)在铺筑沥青砼前,若二灰砾(碎)石因温度应力、干缩应力或养生期不足而裂缝,可以利用土工织物或玻纤格珊等防止或延缓其反射裂缝或对应裂缝的发生。
4.3养护
1)新铺筑的沥青路面可以用乳化沥青封层,可以减少水分的渗入,降低水侵害的程度,避免造成路面的破损。
2)对于已产生裂缝的沥青路面,可以用无纺布、编织布减轻路面裂缝的产生,选用针次无纺布和聚丙烯编织布两类材料,在裂缝路段铺满,采用自由式搭接,搭接处用热沥青粘界,再用厚度为3-5cm的沥青砼罩面,即可收到交好的效果。
3)对于新铺筑的沥青砼路面早期产生的裂缝的治理方法:①对于细裂缝(2-5mm)可用改性乳化沥青灌缝。②对于粗裂缝(大于5mm)可用改性沥青灌缝。灌缝后,表面撒上粗砂或3-5mm石屑。
5结束语
现行沥青路面设计规范中要求路面厚度设计相对偏厚,同时,二灰砾(碎)石基层的收缩偏小,且易摊铺,易成活,但目前工程普遍要求工期紧,任务重,二灰砾(碎)石的养生期大多不足,因此沥青路面的裂缝多为二灰砾(碎)石层裂缝的反射裂缝及温度裂缝。如何提高沥青面层的防裂性能、缩短二灰砾(碎)石的养生期、改善沥青及沥青混合料的使用品质是今后研究的主要方向。