旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝研究

旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝研究

龚科

江苏文曲工程设计咨询有限公司，江苏常州213000

摘  要：反射裂缝，即铺设一层沥青在存有接缝的水泥混凝土的路面上，但经过一段时间之后，该接缝位置处或旧裂缝处又出现裂缝的情况，结合实际情况可以对反射裂缝进行分类。由于路面基层开裂后，不论在交通荷载还是温度梯度作用下，裂纹均可能向面层和路面深度方向扩展，文章从反射裂缝经历的三个阶段分析了裂缝的成因，并总结了反射裂缝对路面造成的不利影响。通过研究分析表明，反射裂缝是无法彻底消除的，反射裂缝修复措施仅仅起到避免和延缓其发生的作用。目前所采取的防治措施，其最终目的并不是消除开裂的情况，而是为了控制层面发生开裂。

关键词：反射裂缝；成因；防治措施

1反射裂缝的产生机理和病害

1.1反射裂缝的分类

反射裂缝，即铺设一层沥青在有接缝的水泥混凝土的路面上，但一段时间后接缝位置处或者旧裂缝处，又出现裂缝的情况。之前关于反射裂缝的研究主要是从行车荷载作用的角度考虑问题，探讨为何新铺层面上会重新出现裂缝，其主要原因是由于路面下层发生裂缝，进而逐步传递给上层面，引起新的裂缝。一般称之为反射裂缝。 [1]如下是反射裂缝的一些常见类型：

（1）荷载型反射裂缝

路面结构中的“白改黑”是一种刚性基层与柔性面层相结合的一种方式，这种结构的应力应变特征有别于普通的弹性层状体系。当水泥混凝土路面出现接缝时，整个路面的强度下降，在温度应力、载荷应力的加持下，会引起沥青混凝土加铺层受到复杂的应力。在不连续的板体上，车辆经过会给接缝两侧的板块施加较大的垂直应力，而这种应力就会导致沥青混凝土加铺层出现反射裂缝。

（2）非荷载型反射裂缝

非荷载型裂缝，主要分为两类，一个是温度裂缝，另一个是干缩裂缝。前者形成的主要原因是温差所引起半刚性基层刚度发生变化。后者形成的主要原因是由于半刚性基层施工完成后水分变化形成的。环境及外部载荷的共同作用，会导致裂缝延伸至沥青加铺层，最终引起非荷载型反射裂缝。

1.2反射裂缝的成因

当路面基层出现裂缝，温差、外部载荷的任意因素，都会导致裂纹出现，并逐步延伸至各个方位。反射裂缝形成的整个过程分为以下三个阶段，具体如下所述：

（1）起裂阶段

路面整体结构的边界条件发生改变，其核心问题是水泥混凝土基层出现开裂。加上外部载荷力、温度因素的共同影响，使得原有的裂缝引起路面结构的基层裂缝处出现位移和应力不均匀的情况，同时沥青加铺层的底部也相应出现应力集中问题。裂缝周边出现应力集中并延伸到沥青加铺层，尤其是反射裂缝这一类型会直接破坏沥青层面，进而缩短道路使用寿命，大大增加道路维护的成本和时间。

（2）稳定扩展阶段

传统的强度理论指出，若沥青混凝土的自身极限强度小于沥青加铺层中某点的临界应力，那么它就处于破坏状态。然而现实情况却截然不同，当路面出现反射裂缝时，其路面结构已经遭到破坏，裂缝会持续扩展，即在沥青加铺层的横向和纵向，反射裂缝会不断的扩展。并在温度因素、外部载荷的共同作用下，应力集中点会逐步扩展到整个层面。

另一方面，断裂力学理论指出，引起位移的模式有三种，分别是张开模式、撕开模式以及剪切模式。其中张开模式，即为温度应力影响到反射裂缝的情况，而剪切模式、撕开模式，主要是由于外部荷载影响到反射裂缝的情况。当车辆行驶在裂缝的正上方，此时的位移主要为张开模式，而其它位置处，则为剪切模式。

（3）破裂阶段

对于“白改黑”路面结构，沥青加铺层在经过长时间运营，裂缝不断扩展，有效承载面积减少，基层和路面材料模量、材料强度下降，多次作用下会破坏到路面的表层。裂缝刚发生的时候，并不会影响到路面结构的使用性能，随着时间的推移，路面基层的承载力降低，裂缝两侧路面结构层的垂直相对位移变大，从而导致道路的使用性能下降，进一步影响到整个路面结构的安全性。

1.3反射裂缝造成的路面病害

反射裂缝的出现是导致改造路面出现破坏的根源，这一现象使得沥青加铺层的使用寿命、耐久性、路用性能等大幅降低，是制约道路改造的关键因素之一。反射裂缝对路面造成的不利影响主要有以下几个方面：

（1）降低了沥青加铺层路面的防水性。沥青面层出现任何裂缝均会使路表浸入路面结构内部，严重影响路面结构，造成路面破坏。

（2）易造成原水泥混凝土基层压应力超限。反射裂缝，会引起不连续的水泥路面板块，外部载荷的持续施压，引起路面的边缘发生形变，造成面层部分压力通过裂缝传递个基层，致使其应力偏大。

（3）沥青面层的应力和变形增大。因为原水泥混凝土板的边缘发生形变，进而大大增加了路面结构的应力集中，从而影响到整个路面的使用性能。

（4）反射裂缝会破坏整个磨耗层。当遇到雨雪霜冻天下，加之外部载荷的共同作用，会导致磨耗层发生骨料、沥青脱落等现象。

2反射裂缝的防治措施

2.1破碎和稳定原有水泥混凝土路面

破碎和稳定旧水泥混凝土路面是现在所有水泥混凝土加铺方案中最有效的防止和延缓反射裂缝的措施。这种方案就是将破碎后的板块作为下承层，接着将沥青层铺设在上面。该设计方案的初衷是避免水泥混凝土面板上的应变及应力集中，减小应力集中现象，同时也变相提高了加铺层的路用性能。

[2]另外对于原水泥混凝土面板的破碎和处理要注意以下几点：

（1）对于原水泥混凝土面板的破碎大小一般在（45～60）cm为宜，另外裂缝必须要贯穿水泥混凝土板厚，从而起到分散和减小应力应变的目的。

（2）施工过程中，可以采用35～50t的压路机碾压，使得混凝土的垂直方向和水平方向都趋于稳定。

（3）水泥混凝土路面，必须要进行凿毛处理且最好使用改性沥青，以达到保证水机混凝土路面与沥青加铺层之间的连接质量。

2.2设置中间层

（1）应力吸收层

十九世纪末期，德国的布来梅市、海尔布隆市首次运用橡胶沥青应力吸收层，（SAMI），该方案是将SAMI夹层喷洒在旧的水泥混凝土路面板上，然后铺设洒布裹着粘结料的碎石，最后用4cm的沥青碎石进行摊铺。通过实际验证该设计方案是可行的，其接缝或裂缝的竖向相对位移不超过0.1mm。布来梅市的本次实验路面，仅出现了几道竖向相对位移超过0.1mm的接缝，因此很少发生反射裂缝；海尔布隆市的实验路面因为地域的气候较为恶劣，尤其是在重车道的型竖曲线段，出现的竖向相对位移达到0.1mm以上的较多，所以出现了较多的反射裂缝，基于此可以确定，采用SAMI方案仅适用于接缝竖向相对位移量<0.06 mm的路段。

现阶段，我国主要采用了SAMI和STRATA中间层设计方案。其中，第一种是用到了一种柔软的应力吸收材料，主要成分是特种聚合物改性沥青，其粒径大小不超过10mm，含油量约为9%，高温状态下具有较好的稳定性，且在低温情况下，粘结性也较为优良，此外还有较强的抗断裂能力、抗弯曲能力。这种材料层不仅软，又能抗压，能够起到缓解反射裂缝发生，避免路面水渗入基层。铺设SAMI，其目的是避免下层裂缝发生延伸，同时吸收下承层的水平位移引起的应力过大的情况。相关研究现实，SAMI具有较好的防渗水能力，能延缓裂缝的形成。为充分发挥SAMI的作用，还需要采取其它的配套措施加以辅助。

（2）土工合成材料

土工合成材料，具有较强的抗变形能力，同时能承受较大的水平拉应力，不太适用于垂直于道路方向的路面。除此之外， 土工合成材料的厚度较小，一般都在（0.5~5）mm之间。土工合成材料的作为中间层的主要作用就是体现在减小由于温度效应引起的水平应力，因为其拉伸强度较大，可以减小各种应力作用。但土工合成材料对于防止和延缓反射裂缝的效果还要进行更深入的研究和实验。

为防止、延缓反射裂缝，中间层会用到土工合成材料，其原有主要有以下几点：

①土工合成材料可以隔离、阻断裂缝。采用土木合成材料能够阻隔水泥混凝土路面与沥青加铺层，进而使得裂缝处、混凝土的接缝处的应力集中大大减小，使得反射裂缝的扩展速率得到有效延缓。 [3]

②土工合成材料可以达到加筋的效果。中间层采用土工合成材料，其强度较好，能够承受较大的拉应力，使得加铺层的抗拉强度得到提高，裂缝的张开变形量变小。

③土工合成材料具有传递载荷的作用。土工合成材料能够让接缝传递载荷的能力达到有效提高，使得接缝两侧的弯沉差下降，有效避免造成应力集中现象。

2.3改善加铺层性能

对于水泥混凝土路面改造，由于接缝的存在，必将产生反射裂缝，因此延缓反射裂缝最好的选择就是使用抗裂性能良好的材料作为加铺层。这种改造方案充分借助面层材料良好的抗拉、变形性能，达到分散、抵消外部荷载所带来的应力。为提升面层的抗裂性能，通常会用到一层至二层橡胶类改性沥青混合料，大量实践表明其可以起到延缓反射裂缝的作用。该类施工方案具体包括以下几个方面：

（1）将纤维或改性沥青添加到沥青混合料中。

对于沥青加铺层虽然可以通过增加其厚度来增强面层的抗裂性能，，但是却会造成泛油和车辙等病害。另外为了改善沥青混合料的抗拉强度，也可以在沥青混合料中加入聚脂合成纤维等材料。目前，该材料在国外的研究过程中取得了良好的效果。

（2）增加沥青加铺层的厚度。

虽然增加沥青加铺层的厚度可以防止和延缓反射裂缝的出现，但是效果不明显，易造成其他路面病害，不能从根本上解决问题。

（3）加筋材料应用在加铺层的下部。

美国的加利福利亚、密歇根等州为提高面层的抗拉强度，均用到了加筋沥青混凝土，用于防治面板移动所引起的开裂问题。相较于加利福利亚州，密西根州的验证实验效果更加理想，采取加筋沥青混凝土的方案，可以较好的控制反射裂缝的形成。我国在加筋加铺层技术的研究还处于探索阶段，由于成本等问题，该方案现行推广受阻。

3小结

通过研究分析表明，反射裂缝无法彻底消除，仅能防止与延缓反射裂缝的发生。针对沥青加铺层结构开展相关防治工作，主要目的是控制和延缓裂缝的延伸。同时为了延缓反射裂缝这一路面现象的发生范围，达到延长道路使用寿命，降低维护的频次和成本的目的，需要借鉴和学习国外相关领域关于防护路面反射裂缝的研究成果。

另外，通过对反射裂缝的研究过程中，得到了以下结论：

（1）对于水泥混凝土路面加铺沥青面层的过程中，最关键的就是对于原水泥混凝土板块和接缝的的处理。因为其直接影响到路面改造的成功与否，如果采取的措施不当将会加快反射裂缝的产生，降低道路的使用寿命。

（2）反射裂缝的防治和延缓措施大体可以分为三大类：破碎原水泥路面；设置中间层；改善加铺层性能。目前使用土工合成材料作为中间层来防治反射裂缝，从实验路段来看达到了预期的效果，但还需要进行跟踪观测。总的来说，提高面层和夹层的性能、对原水泥路面板块和基层进行适当合理的处理是道路改造中需要着重考虑的。[4]

参考文献：

[1]黄燕萍.沥青混凝土反射裂缝产生原因及其防治和维修措施分析[J].大众科技,2008,(06):112-113.

[2]罗晓辉.旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层后反射裂缝的防治[J].公路,2004,(08):171-173.

[3]赖用满.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构及材料性能研究[D].东南大学,2004.

[4]孙仲楠.加铺沥青砼面层后反射裂缝的防治[J].散装水泥,2005,(03):50.

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