旧水泥路面沥青加铺层反射裂缝防治方法

　文章编号:1671-2579(2003)06-0011-03

旧水泥路面沥青加铺层反射裂缝防治方法

王随原,周志刚(长沙交通学院,湖南长沙　410076)

摘　要:简要论述了旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝产生的基本原理,归纳总结了防治反射裂缝的方法或措施,对设计和施工有一定的借鉴和参考价值。关键词:沥青加铺层;反射裂缝;基本原理;防治

水泥混凝土路面在长期使用过程中,由于诸多原因,不可避免地出现结构和功能性的破坏,许多道路面临修复。与沥青路面相比,水泥混凝土路面修复相对困难,而加铺沥青面层有方法简单、工期短、造价低、对交通影响小、修复路面服务性能好等优点,因此近年来得到广泛应用。但往往由于原水泥混凝土板在温度和交通荷载作用下产生变形,造成沥青加铺层在原接缝(裂缝)处反射开裂,较大的反射裂缝会导致雨水渗入,从而引起沥青加铺层新的病害。控制与防治反射裂缝已成为沥青加铺层设计的重点,多年来一直是许多道路工程师和科技工作者研究的热门课题。1　反射裂缝的基本原理1.1　反射裂缝的产生交通荷载、温度变化及温度梯度的综合作用将在沥青加铺层内产生复杂的周期性弯、拉、剪应力状态。车轮荷载经过接缝或裂缝时对加铺层产生一次弯曲、两次剪切作用(图1)。每一次路面位移(张拉和剪切)都使裂缝长度小幅度地增加。随着位移的增加,裂缝增长的速度越来越快,当旧路存在脱空时,反射裂缝会更快出现,故加铺前应对旧路进行合理的处置。

图1　交通荷载引起的裂缝 交通荷载的加载频率很大,温度引起的翘曲一天有一次,季节性温度变化也能引起加铺层的位移变化(图2)。沥青混凝土的蠕变和松弛特性也因加载频率的不同而受影响。Tons等人对美国麻省的水泥混凝

图2　温度引起的裂缝

第23卷　第6期2003年12月

中　外　公　路 11

收稿日期:2003-01-14

作者简介:王随原,男,硕士研究生.

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.土路面荷载复合效应的重要性进行了总结,认为是水平接缝张开和垂直挠曲位移引起反射裂缝。接缝处的轴向和弯曲拉力不但影响接缝上的区域,也会在接缝两侧的一定距离延伸。一旦裂缝出现,就有恶化和扩展的趋势。1.2　裂缝扩展裂缝扩展理论通常基于Paris&Erdogan提出的裂缝扩展速率的经验断裂力学定律:dc/dN=A(K)n(1)式中:c———裂缝长度;N———荷载的循环次数;K———裂缝尖端的应力强度因子;A,n———材料的断裂属性参数。Schapery认为,A,n是材料的不变参量,它们与材料的蠕变、抗拉应力以及断裂性质有关,并可以通过实验室试验估计。从式(1)可以看出,裂缝反射与裂缝尖端的应力有关,要防治反射裂缝,就需降低裂缝尖端的应力集中因子,从而减缓裂缝的扩展速率,延长加铺层的寿命。2　基本防治措施反射裂缝的产生和扩展一般是由于温度变化引起的混凝土板收缩和交通荷载驶过接缝、裂缝,在缝端附近的沥青混凝土材料内产生应力集中。裂缝的水平位移主要是由于水泥混凝土水平向温缩和热胀引起的;竖向位移主要是由于行车荷载作用引起的。通常认为:温度应力引起反射裂缝的产生,并参与了其最初的扩展,而荷载应力加速了裂缝的进一步扩展。针对其机理,可采取适当措施预防或延缓反射裂缝产生。2.1　增加加铺层的厚度增加加铺层厚度以后,首先裂缝要经过较长时间才会到达加铺层表面,即可以延长寿命;其次较厚的加铺层减少了温度对旧面板的影响,温度荷载诱发的加铺层中的拉应力也随之减少;另外增加加铺层的厚度可以增加道路弯曲刚度,这样交通荷载的影响就相应减少,从而降低了接缝处的弯沉量和弯沉差,减少了加铺层内的剪应力。根据断裂力学的观点,Coetzee&Monismith认为增大加铺层的厚度可以显著减少裂缝尖端应力,因此能延长加铺层的寿命。文献[6]认为增加加铺层的厚度可以增加疲劳寿命,但当厚度大于15cm时,疲劳寿命的增加就不太明显。另外如果加铺层厚度太厚,不仅增加了工程造价,而且在高温季节路表容易出现推移、拥包、车辙等病害。为此,通过力学分析和试验路的验证,文献[7]提出了最佳罩面厚度的概念,并给出了不同基础条件(基础模量)下沥青罩面的最佳厚度。国外经验也表明,加铺层必须满足最小设计厚度的要求,同时必须保证路面板的稳定和在接缝处加玻璃纤维格栅。南京大校场机场的路面加铺层厚度为16cm,接缝处铺设了贴缝,效果很好。2.2　设置夹层夹层有机织土工布、无纺土工布、沥青胶薄膜、改性沥青防水毡、土工格栅、改性(橡胶)沥青砂、沥青碎石、沥青混凝土等。1)机织土工布、无纺土工布等也称为应力、应变

吸收薄膜夹层(SAMI),厚度很小,不能作为一个独立的结构层来发挥作用,而是通过粘结等作用形成一个整体来共同受载。一般设置在加铺层的中部或底部,

目的是减少裂缝尖端的拉应力。土工织物可以提高加铺层的性能是由于土工织物可使应力缓解、加筋;减少水的渗透等原因。Button&Lytton总结了三种与应力缓解和加筋有关的破坏模式:

①模式Ⅰ。这种模式下,夹层起到应力缓解的作用。反射裂缝从老裂缝迅速向夹层扩展。裂缝在夹层迟延一段时间,然后从夹层顶部向加铺层表面扩展。夹层可以产生很大塑性变形,因而改变了裂缝尖端的能量平衡。由于模量和应力水平低,夹层只能延迟而不能阻止裂缝扩展。Majidzadeh等人把裂缝延迟的现象称为“钝化”。②模式Ⅱ。这种模式下,夹层也起到应力缓解的作用。一条裂缝从加铺层底部向上扩展,暂时停在应力缓解夹层;另一条裂缝从加铺层顶部往下向应力缓解夹层扩展。③模式Ⅲ。这种模式下,夹层起到加筋的作用。向上扩展的裂缝遇到加筋层后向右转向,沿着加筋层和下面材料的界面发展。裂缝侧向扩展直至没有足够的能量进一步扩展。Majidzadeh等人为此引入了“缓冲区”的概念。如果模量大于周围的材料以及夹层厚度足够则观察到加筋模式;如果模量不够,则只有应力缓解模式。文献[8]的有限元分析结果表明设置薄膜夹层后沥青加铺层接缝处的剪应力与弯沉差有所减小,但效果并不明显。而武建民认为有限元计算只采用材料的弹性模量和泊松比两个参数,若将加铺层和SAMI看作两层,不能正确地评价SAMI的性能,应把SAMI和

21 中　外　公　路 23卷　© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.加铺层作为一个整体来进行研究。Coetzee&Moni2smith的政府研究认为减少夹层的模量以及增加它的厚度对于减少裂缝尖端应力都有比较好的效果。值得注意的是,由于沥青加铺层底部不可避免地存在长度不一的微裂缝,反射裂缝扩展时将与这些微裂缝汇合。文献[5]基于线弹性断裂力学理论,利用平面有限元方法对土工加筋材料阻止沥青路面反射裂缝的桥联增韧效应进行了分析,计算结果表明加筋材料能降低裂缝尖端的应力集中程度。铺设土工布的工程实践很多,取得的效果也不错。深圳地区加铺层实践中,东门南路最早使用了土工布,中粒式沥青混凝土厚度为3cm,经过2年多使用周期,没有出现任何裂缝;东环快速路属于城市主干道,又是深圳进出关通道,车流量大,加之出关拥挤,停车起步较多,对承受水平荷载有很高的要求,且从经济角度考虑,加铺层不能太厚。在加铺层中铺设专用土工布应力吸收膜,该路于1999年5月改造完工,经过盛夏的高温和冬季6℃的低温,仍没发现反射裂缝。宁通一级公路是江苏省“四纵四横四联”公路主骨架的重要组成部分,其中六合东～江都段的水泥混凝土路面于1986年建成,经过多年的使用,24km水泥混凝土路面均出现了各种不同程度的病害,已不能适应交通运输要求,1998年进行加铺改造时,在扬州段铺设了玻璃纤维格栅,并使用了SBS改性沥青,效果不错。2)改性(橡胶)沥青砂、沥青碎石、二灰碎石、沥青混凝土等是厚度较大的夹层,可以作为一个独立的结构层进行研究。比较典型的是设置有排水系统的裂缝缓解层,即在沥青加铺层和旧路面之间设置一层开级配沥青碎石混合料,厚约9cm。混合料含有25%～35%的连通孔隙,因而可起缓解作用,使旧面板接缝(或裂缝)处的弯沉差难以影响到沥青加铺层的上层,从而减少反射裂缝产生的可能性。文献[8]用有限元分析表明这类夹层可以大幅度减少沥青加铺层内的剪应力和弯沉差,减弱了交通荷载对加铺层剪切破坏的作用。宁通一级公路在1998年加铺改造时,由于南京段水泥路面破坏相对严重,同时桥梁减少,除铺设玻璃纤维格栅之外,又增设了18cm二灰碎石补强层,以改善加铺层的应力分布。2.3　断开稳固法(破碎稳固法)这种方法适用于断板率高、结构损坏比较严重、进行修复已不经济的混凝土面层。做法是破碎旧混凝土面层,使其成为60～100cm左右的小碎块,然后用重型压路机碾压数遍,使之稳定,然后再铺沥青加铺层。板块尺寸减小大大降低温度下降时的收缩位移,从而也降低了加铺层的拉应力。同时,接缝和裂缝两侧的板块由于尺寸减小,压实后与基层紧密接触,没有脱空出现,故弯沉值和弯沉差也随之降低。如果是破碎有接缝的钢筋混凝土路面(JRCP),主要问题是难以拉断钢筋,如果钢筋和碎块在一起,就不能有效压实。另外这种方法需要专门的设备,费用较高。但是,对于已经破坏比较严重的路面或基层本身为细粒式半刚性材料,水稳定性很差,那么采用破板维修技术的经验证明是不合适的。宁杭公路江苏段、104

国道盱眙段、107国道郑州段养护经验证明了这一点。2.4　沥青加铺层上锯切横缝这种方法适用于旧路路况良好,接缝处混凝土板边的弯沉值较小的混凝土路面。在沥青加铺层上,对准旧混凝土面层的横缝位置锯切新的横缝,并在开放交通前尽早在缝内填入封缝料,以保持接缝有效地密封,防止渗水和杂物进入。预先锯缝的主要目的是释放加铺层因温度收缩受阻而产生的拉应力,这样有利于控制反射裂缝的出现。通过对锯缝和灌缝的研究,

Kilareski和Stoffels认为施工的关键是确定现有接缝上面锯缝的位置,只有在现有的接缝处25mm的范围内锯缝,才不会出现次反射裂缝。因此,对施工工艺要求较高。2.5　设置隔离层(石屑、砂)这种方法在国内比较少见,其做法是清除接缝、裂缝内的杂质和填缝料,再在缝两侧洒一层乳化沥青粘结料和一层石屑或砂并碾压密实。目的是减少沥青层和旧混凝土层间的摩擦阻力,从而抑制张拉型反射裂缝的扩展,但对于剪切性的反射裂缝效果并不好。

3　结语本文归纳总结了防治反射裂缝的基本方法或措施,应用时应具体情况具体分析。合理综合运用其中的几种方法才能取得较好的加铺层性能。

参考文献:

[1]　JamesF.Condronetal,NCHRPSynthesisofHighwayPractice171:FABRICSINASPHALTOVERLAYSANDPAVEMENTMAINTENANCE,TransportationResearchBoard,NationalResearchCouncil,Washington,D.C(1991).