水泥混凝土路面加铺沥青面层防反射裂缝措施浅析

水泥混凝土路面加铺沥青面层防反射裂缝措施浅析

苏波

苏波

（天津市市政工程设计研究院，天津，300051）

1、概述

我国早期修建的水泥混凝土路面病害日益严重，较多道路需大修，加铺沥青面层由于具有行车舒适、造价低、施工期短等优点而成为主要的大修的方案之一[1-2]。但加铺的沥青面层在旧水泥路面板接缝和裂缝处易出现反射裂缝，降低道路使用品质和使用寿命。因此，在加铺沥青面层时，应采取防反射裂缝措施。本文结合国内外相关研究成果，分析了反射裂缝的发生机理和常用防反射裂缝措施的优缺点，并提出了工程实施建议。

2、反射裂缝发生机理

在旧水泥混凝土板的接缝处，车轮荷载及温度变化导致旧水泥板块位移，进而导致而沥青层应力集中，集中应力的反复作用使沥青面层出现开裂，即反射裂缝。车轮荷载及温度变化是引起反射裂缝的两大外界因素[3]。

水泥路面接缝一侧板块受到的车轮荷载很难完全传递至另一侧板块，因此车轮经过接缝时必然引起两侧板块的竖向位移差，而沥青层与旧水泥板块粘结紧密，该位移差引起沥青层剪应力集中。车轮驶过接缝将使沥青面层产生两次连续的剪应力集中：车轮驶近接缝时，前向下的位移大于后板，出现第一次剪切应力集中；当车轮驶离接缝时位移差反向，出现第二次剪应力集中。当剪应力超过沥青混合料的抗剪强度时，在接缝处的沥青加铺层便会出现反射裂缝。大量的计算和试验[4]也表明，车轮荷载引起的反射裂缝主要是剪应力集中作用的结果。

旧水泥板因温度下降而收缩时，板块接缝将扩大，沥青层由于与旧水泥板紧密粘结也将产生相应的收缩变形，在接缝处被拉伸，出现拉应力集中。如果降温梯度较大，或降温较快，旧水泥板的收缩就会较大，产生的拉应力超过沥青面层的抗拉强度时将导致其开裂，这种开裂成为温度张开型反射裂缝。旧水泥板一般较厚，当温度在厚度方向不均匀分布时，不同厚度处的收缩量不同，将引起旧水泥板的翘曲，进而引起沥青面层产生翘曲应力，翘曲应力引起的沥青面层开裂称为温度翘曲型反射裂缝。

一般来说，车轮荷载是反射裂缝发生的主因，但在北方寒冷地区低温收缩产生的影响则更大。

3、防反射裂缝措施及分析

随着我国相关工程实践增加，已有一系列的防反射裂缝措施在工程中应用，常用措施有：加强水泥路面病害治理、增加沥青层厚度、设置应力吸收层、设置裂缝缓解层、铺设土工合成材料、改造水泥路面接缝等。

①加强水泥路面病害治理

从反射裂缝发生机理看，水泥路面接缝（或裂缝）两侧位移差是裂缝产生的主要原因。因此加铺沥青面层前，必须对现状水泥路面的破碎、裂缝、沉陷、错台、脱空等病害进行治理。病害较重的板块应进行换板，基层或路基薄弱时应一并治理；病害轻微的板块可进行修补；弯沉或传荷能力不足的板块应采用注浆等方式改善。根据城市道路和公路路面设计规范，水泥路面病害治理后板必须满足块弯沉不大于20（0.01mm），接缝（或裂缝）两侧弯沉差不大于6（0.01mm）等要求后方可进行沥青面层加铺。工程实践表明，采用恰当的处治方式，达到规范要求的指标并不困难，经试验段验证提高治理标准经济可行时，应适当提高对弯沉和传荷能力的处治标准。

②增加沥青层厚度

美国沥青协会试验发现：每增加沥青层厚度1cm可以降低旧水泥板接缝处的2％的弯沉量（最大可达4％-5％）。国内相关研究[5]也表明：当加铺层厚度增加时，车轮荷载及温度所引起的剪应力均下降。因此增加加铺层厚度能有效延缓反射裂缝。

城市及公路路面设计规范要求高等级道路加铺厚度不宜小于10cm，其他道路不宜小于7cm。而研究[5]表明：加铺厚度从6cm增至18cm时，车轮荷载及温度所引起的剪应力均迅速下降，厚度超过18cm后则下降速度变缓。因此在无高程条件限制时，建议加铺层厚度可在规范规定的最小值基础上适当增加，但考虑技术经济效益，加铺厚度也不宜超过18cm。

③设置应力吸收层

在旧水泥板及沥青加铺层之间设置模量相对较低的应力层，缓冲旧水泥板产生的变形，从而降低加铺层应力峰值，可有效延缓反射裂缝的发生。应力吸收层模量越小其底面应力越小，抗裂反射缝能力越好，但同时其上的沥青加铺层底面应力也越大，因此不宜过小。相关研究[5]表明：应力吸收层模量宜为200-600Mpa，2-4cm厚的应力吸收层已能起到较好效果。同时应力吸收层力学性能对面层疲劳寿命影响较大，SMAI应力吸收层可提高面层疲劳寿命约40%，而聚酯纤维沥青混凝土能提高约90%。

④设置裂缝缓解层

当水泥路面状况较差且不受标高限制时，沥青加铺层下可以设置裂缝缓解层，裂缝缓解层通常采用大粒径沥青混合料或级配碎石。

大粒径沥青混合料中大粒径矿料多、沥青含量少、空隙率大，可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，消弱拉应力、拉应变的传递能力，并且能消散、吸收由交通荷载及温度变化所产生的荷载应力和温度应力，从而延缓反射裂缝。

级配碎石具有不传递拉应力、拉应变的能力，旧水泥板因温度而产生的水平应变和拉应力均被阻隔，不会传递至加铺层，从而起到减缓反射裂缝的作用。但级配碎石不能缓解荷载作用下产生的竖向相对位移，因此对剪应力缓解有限。

⑤铺设土工合成材料

在旧混凝土面层和加铺层之间铺设土工布、玻纤格栅、聚脂玻纤布等土工合成材料，也是较为常见的延缓反射裂缝措施。土工布施工困难，在施工质量较好的情况下也几乎不能提高加沥青铺层的疲劳寿命[5]；玻纤格栅施工容易，在水泥路面较好时改善效果好，能提高加铺层疲劳寿命约20%[5]，但水泥路面较差时效果不佳；聚脂玻纤布在水泥路面较差时也能收到较好效果。可根据路况选用铺设材料。

⑥改造水泥路面接缝

在原水泥路面接缝位置开槽，槽宽8-10cm，深约5cm，槽底铺设浸油土工布，再回填沥青混合料。有限元分析[5]表明，采用此种方法改造接缝后，接缝处车辆荷载应力降低约10%，温度应力降低约30%，可有效延长加铺层寿命。

四、防反射裂缝措施建议

通过以上分析，建议水泥路面加铺沥青面层时可考虑如下措施延缓反射裂缝：

①加强水泥路面病害治理。该措施是沥青加铺层寿命的关键影响因素，病害治理后必须满足板块弯沉不大于20（0.01mm）、接缝（或裂缝）两侧弯沉差不大于6（0.01mm）以及规范的其他相关要求后，方可加铺沥青层。经试验段验证提高治理标准经济可行时，应适当提高对弯沉和传荷能力的处治标准。

②沥青加铺层厚度可在规范基础上适当增加，但不宜超过18cm，受标高限制加铺厚度有限时，可采用高性能改性沥青。

③设置2-4cm应力吸收层，并采用模量较低的高性能改性沥青。

④水泥路面状况较好时可在加铺沥青面层前铺设玻纤格栅或聚酯玻纤布，较差时可考虑设置裂缝缓解层，破碎较严重时则应考虑将水泥板打裂后作为基层使用。

⑤条件允许时可对水泥路面接缝开槽，回填沥青混合料，再加铺沥青面层。

由于旧面层的结构状况和反射裂缝的机理较为复杂多变，而各种措施具有不同的特点和性能，应根据工程实际情况进行选用，以达到最佳综合效益。

参考文献：

[1]张树建．水泥混凝土路面的现状与发展[J]．黑龙江交通科技，2009，（2）：25-27．

[2]李关寿，郝祎．旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层技术综述[J]．公路交通技术，2007，4（2）：45-47．

[3]周富杰，胡圣．反射裂缝产生和发展机理[J]．国外公路，1997，（2）：15-16．

[4]郑建龙，周志刚，张起森．沥青路面抗裂设计理论与方法[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[5]吕大伟．高速公路水泥混凝土路面加铺沥青层综合技术研究[D]．西安：长安大学博士学位论文，2014．