高速公路沥青路面横向裂缝成因分析及防治对策

2018-03-21郑福山

福建交通科技 2018年1期

■郑福山

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路工程试验检测中心站，福州 350004）

1 引言

近年来随着我国高速公路建设高速发展，沥青路面因其自身优势，已经成为我国高速公路的主要路面结构形式。随着高速公路运营年份的增长，诸多沥青路面病害开始出现，给养护工作带来严峻的挑战。横向裂缝作为沥青路面主要病害之一，如果没有尽早处理，将会带来诸多严重的并生病害，并影响到其它结构层。本文对某高速公路进行路况调查，针对横向裂缝的病害产生原因进行分析，提出合理防治对策以改善和恢复路面应有的路用性能，提高沥青路面使用寿命。

2 路面损坏状况

2.1 路面损坏状况调查

通过对某条高速公路破损情况、平整度、车辙、抗滑等指标进行调查和检测，针对其典型病害进行详细调查、取芯，获得统计数据。路面损坏主要病害为横向裂缝、纵向裂缝、松散、沉陷、坑槽、车辙及修补不良等。从损坏统计数据分析图1中看到，横向裂缝病害最多，占路面总破损的35.20%。

图1 沥青路面病害统计图

2.2 横向裂缝

横向裂缝是沥青路面病害最常见的裂缝之一，通常是早期损坏现象之一。横向裂缝的方向垂直或大角度相交于道路中线，裂缝间隔不等且数量逐年增加。如图2、图3所示基本贯穿全幅的横向裂缝。

图2 贯穿全幅的横向裂缝

图3 横缝处取芯

半刚性基层横向开裂，或者是加铺的沥青面层由于下卧旧沥青路面的横向裂缝、水泥路面的横向接缝等，会造成沥青面层的横向反射裂缝（图4）。此外，沥青路面与构造物连接处填土压实度不足、固结沉陷等，也会形成横向裂缝。

初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能无明显影响，但是随着路表雨水的侵入，并在行车荷载反复作用下产生冲刷和唧浆现象（如图5所示），使沥青面层与基层间出现脱空，导致路面很快产生大面积龟裂或者其他形式的结构性破坏。

图4 水稳基层横向开裂

图5 有裂缝渗水产生的路面唧浆

3 横向裂缝成因分析

该高速公路的横向裂缝主要是半刚性基层裂缝造成的反射性裂缝和沥青路面的温度裂缝。

3.1 路面结构层

2006年12月之前已通车高速公路均采用半刚性基层沥青混凝土路面结构，某高速公路路面结构层示意图（如表1所示）。

表1 路面结构示意图

半刚性基层沥青路面的横向裂缝大部分是反射裂缝。半刚性基层与沥青面层的模量相差较大，结构上不连续，热容量小，与沥青层的粘结性能差，在行车荷载及温度应力的作用下，本身由温湿度引起的收缩，造成基层的开裂，裂缝尖端的应力、应变高度集中，反射到路表面，造成面层开裂形成反射裂缝。反射裂缝降低路面强度，成为雨水进入路面的通道，造成面层局部破碎、层底脱空、唧浆等病害。

3.2 气候的影响

温度裂缝包括温缩裂缝和温度疲劳裂缝两种。

一方面，沥青混凝土是一种热胀冷缩的材料（随沥青的品种、稠度、老化程度及矿料级配而变化）。气温升、降时它会膨胀和收缩。低温收缩裂缝是在气温大幅下降后，沥青路面的收缩变形受到约束，产生的拉应力或者拉应变超出沥青层抗拉强度或者极限拉应变而出现的开裂。

另一方面，温度疲劳裂缝是由于环境温度变化，沥青路面在温度应力的反复作用下产生的疲劳开裂。在南方非冰冻地区，例如福州市，周年无负气温，通常冬季最冷一天低温为4～5℃，而在同一天的温度高时仍在10℃以上，但夏季时间较长，气温高，最高时沥青面层的表面温度可达65℃左右。同时夏季阵雨多，大晴天时路表温度高达65℃时，突然下一阵阵雨，可使路表温度突降到接近30℃，在短时间内产生路表温度产生约30℃以上的温差；有时一天内这种温度变化多次，每次都会使沥青面层产生较大温度应力，温度应力的反复作用导致面层产生温度疲劳裂缝。产生温度裂缝的外因主要是气温的骤然变化。如大风降温天气，昼夜温差过大等。产生温度裂缝的内因包括沥青材料的质量差、沥青强度等级相对于气候条件而言偏低（即沥青过硬）、沥青老化等。

3.3 现场施工方面原因

在施工过程中，沥青混合料矿料级配变化、拌合温度、拌合时间、摊铺温度、碾压温度、摊铺厚度、粗细集料离析和压实度的变化等方面的原因。沥青混凝土面层的不均匀性会导致面层产生较多薄弱点，每个薄弱点容易成为低温收缩与温度疲劳裂缝的突破口。沥青混凝土强度大幅度降低时，面层表层产生温度应力大于表层沥青混凝土的拉应力时，面层的薄弱点就会开裂。此外，在沥青混合料摊铺时，由于横向施工接缝未处理好，造成接缝处粘结不牢，压实度不足，空隙率较大，形成弱接缝，也容易引起横向裂缝。

4 横向裂缝防治对策

4.1 调整路面基层结构设计

福建省从2006年开始逐渐以柔性基层（倒装式结构）替代半刚性基层。

倒装式基层是把半刚性基层所具有的优越性（承载力大、刚度大、模量高、板体性强、弯沉小），下放至底基层（如表2所示）；把级配碎石基层或过渡层放在底基层（半刚性基层）上面是防止或减少因半刚性基层基层干缩、温缩开裂导致反射裂缝向沥青面层发展（自下而上）。采用倒装式结构特点是材料属于粘弹性材料，韧性好，有一定自愈能力，其结构材料均为颗粒状级配成型，路面具有良好的排水。其优点是能防止和减少沥青面层裂缝，克服了半刚性沥青路面的大量早期横向开裂，同时减小半刚性基层自下而上的反射裂缝。

表2 结构层示意图

采用倒装式结构具有很好的耐久性和优良的抗疲劳性能，在后期养护期间的费用比半刚性基层材料费更低，使用寿命更长。也可以很好的防止此类病害的产生。

4.2 加强施工控制

加强施工控制措施主要包括：

（1）沥青结构层施工推行“零污染”施工。对已完成的工作面应尽快进行验收，验收合格后尽快施做下道工序，避免长期暴露，引起污染。沥青路面不得在气温低于10℃的情况下施工。

（2）严格控制沥青混合料拌合温度、出场温度和碾压温度，混合料拌合温度过高容易造成沥青老化，沥青与集料的粘附性会明显降低，严重时会造成面层局部色泽不一致或路面过早老化破坏等现象。据国外有关试验数据表明，沥青混合料的温度低于90℃，实际上已不可能再被进一步压实，应避免低温碾压造成疲劳开裂。可以使用高效配套的碾压设备、增加碾压遍数等来提高压实度。

（3）沥青路面接缝处，上、下层的横向缝应错位1m以上。各层横向接缝均采用垂直的平接缝。每天摊铺混合料收工时用3m直尺在碾压好的端头处检查平整度，选择合格的横断面，画上直线，然后用切割机切出立茬，多余的料弃掉，并清理干净。切割时留下的泥水必须冲洗干净，待干燥后涂刷粘层油。（4）基层混合料配合比设计强度过高容易开裂，规范标准规定高速公路基层7d抗拉张度为3～5MPa。在满足车载要求的前提下，尽量采取中值。一是选择较小的温缩系数和干缩系数的基层材料，二是控制施工压实含水量不超过最佳含水量，三是基层铺筑完后及时养生，采用透层或下封层施工完成后，应尽快铺筑沥青面层。预防和延缓沥青面层产生收缩裂缝。

4.3 横向裂缝治理措施

4.3.1 处治方法

横向裂缝处治目前主要有以下几种方法：

（1）灌缝。灌缝是使用灌缝机具，将专用的灌缝胶灌入到裂缝内部，从而起到封闭裂缝的作用。灌缝工艺分为开槽修补法和不开槽修补法两种形式。

（2）贴缝。贴缝是将贴缝带粘贴在裂缝表面，从而起到封闭裂缝的作用。

（3）挖补。可以采用挖补方式对宽度或者深度较大的裂缝进行处治。

（4）大面积修补。对大面积横向裂缝路段进行铣刨重铺，沥青层回填材料可选择AC-16或者AC-20，基层回填材料可选择冷再生沥青砼或者ATB-25。

4.3.2 处治方式

（1）缝宽为3～5mm裂缝，应及时使用专用灌缝胶和灌缝设备进行灌缝；也可以使用改性热沥青进行灌缝，然后在裂缝1m宽度范围内铺设聚酯玻纤布。

（2）缝宽在5mm以上的裂缝，应在清理松动的裂缝边缘后，使用沥青砂填充、捣实；也可以沿着裂缝两边各50cm开槽，进行挖补处理。

（3）再生技术可采用厂拌热再生：性能优异，优化原混合料级配和改善沥青性能，提高旧料回收的利用率，经济环保，沥青层回填材料可选择SMA-13、AC-16C或者AC-20C（如表3所示）。使旧沥青混凝土面层如同新铺面层。这种旧面层更新技术能消除旧面层中的部分裂缝，从而减少或延缓反射裂缝发展，处治效果（如图6所示）。