【温故创新】沥青路面反射性裂缝研究
2023-05-08 ｜ 来源：本网
作者：郭兆丰 任 军
【摘要】本文首先分析了我国的沥青路面结构形式，认为在相当长的一个时期内，半刚性基层沥青路面仍将是我国沥青路面的主要结构形式。并在研究半刚性基层沥青路面反射性裂缝机理的基础上，提出可从减少半刚性基层的开裂、增加沥青面层厚度及设置隔离层三方面采取措施来防治沥青路面反射裂缝的出现。同时从设计和施工两个方面，提出了具体的防治半刚性基层沥青路面反射性裂缝的技术措施。对于半刚性基层沥青路面的设计和施工具有一定的指导意义。
【关键字】沥青路面 半刚性基层 反射性裂缝 机理 防治措施
Research of the Reflective Gap
on Asphalt Pavement
Abstract: The paper firstly analyses asphalt pavement structure of our country and think that the asphalt pavement of the semi-rigid roadbase will still be primary structure of our country’s asphalt pavement in a long time .And three aspects’ measurements that is to reduce the gap of the semi-rigid roadbase ,increase the thickness of asphalt pavement and set separating layer was put forword to prevent the reflective gap on asphalt pavement of the semi-rigid roadbase. Meanwhile, brings forword specific technique measurements to prevent the reflective gap on asphalt pavement of the semi-rigid roadbase in design and construction. This would be instructive to the design and construction of the asphalt pavement of the semi-rigid roadbase.
Key words: Asphalt pavement Semi-regid roadbase Reflective gap Mechanism Preventing measurement
1.概述
一直以来，我国的道路建设均以半刚性基层的沥青路面结构为主，这是由我国的具体国情所决定的，是道路建设发展历史的必然结果。半刚性基层沥青路面结构的基本思想是“强基、薄面、稳土基”，这为我国沥青路面的发展做出了巨大的贡献。但是，近年来我国大量的市政道路和高速公路出现了各种各样的早期损坏，严重影响了道路的正常使用，降低了其使用寿命。其中，沥青路面的反射性开裂是最普遍的损坏现象之一。高速公路上每隔数十米，有的甚至十几米就会有一道反射性裂缝。沥青路面初期产生的反射性裂缝对行车无明显影响，但随着表面雨水的浸入，在大量行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，会导致沥青路面结构的破坏加速、路面承载力降低，严重影响沥青路面的使用寿命。
这就使得我们开始思考，对此结构提出质疑。其原因必定是在半刚性基层优点的背后，也有不少缺点，甚至有些是无法克服的【1】，例如，半刚性基层的收缩开裂、透水性差、强度和模量的疲劳衰减、对重车轴载的敏感性等等。
为此，许多单位和学者已经开始考虑在中国适当地发展柔性基层沥青路面的结构形式。但半刚性基层沥青路面结构造价低的特点是其它路面结构所无法比拟的，长期以来我国遵循“强基薄面”的方针，铺筑半刚性基层沥青路面，这一点已经深入人心，要想一下子改变是不现实，也是不合理的 。
因此，针对沥青路面反射裂缝产生及对沥青路面造成破坏的实际情况，深入分析研究其原因和机理，提出切实可行、有效的防治措施，具有重要的现实意义。
2. 反射性裂缝的原因及机理
基层所受应力大致有两种：即由交通荷载产生的应力和由温度及湿度变化产生的应力。作为半刚性基层，首先要有足够的承载能力，以承担设计期间的累计标准轴次，保证路面不致产生过度的变形和开裂损坏。但是，半刚性基层也存在非荷载变形的特点，由于整个路面结构层属一体结构，当含水量和温度变化时，基层材料因急剧收缩受阻，几乎无法避免收缩变形，于是产生了较大的拉应力，当拉应力超过基层材料本身的承载能力，而应力又得不到适当的缓冲时，就会产生收缩裂缝。又由于道路的纵向约束大于横向约束，收缩的主轴在纵向，故基层总是横向裂缝。这种由温度和含水量变化引起的收缩．称为温缩和干缩[2]。
2.1 温缩
无机结合料稳定类混合料是由固相、液相和空隙中的气相组成的。其温缩裂缝主要是由液相涨缩、固相涨缩以及二者的共同作用形成的。
2.2 干缩
干缩的基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间作用、碳化收缩作用等引起的整体体积变化。半刚性材料的干缩会产生裂缝，铺筑的半刚性材料随着混合料水分的减少要产生干缩应力。干缩应力的大小与混合料水分散失的速度成正比，特别是刚刚铺筑的半刚性基层．水分散失的速度非常快。混合料产生的干缩应力也较大，而此时基层的抗拉强度尚没有完全形成。若不能保证半刚性基层混合料的含水量，即不能及时洒水养生，便会产生干缩裂缝。半刚性基层养生结束后，若不能及时地撒铺透层油，也会随着时间的增长而产生干缩裂缝。
半刚性基层在温缩及干缩的作用下，产生横向裂缝。随着时间的推移，在车轮荷载的作用下，沥青面层层底由于在基层裂缝处产生应力集中，加之水的作用，势必会产生反射性裂缝。
3.减少反射性裂缝的措施
半刚性基层沥青路面的反射性裂缝在世界各国均普遍存在，至今仍无彻底的解决方法，只是大多数发达国家在较高等级的道路上均不采用半刚性基层，而是采用柔性基层及长寿命沥青路面，来减少沥青路面上产生反射性裂缝【1】。我们只能是针对我国半刚性基层反射性裂缝产生原因和机理，以及对沥青路面造成的损坏，采取有效的措施，尽量避免或延缓沥青路面反射性裂缝的产生，以延长道路的使用寿命。
3.1 减少反射性开裂的技术途径
1. 减轻无机结合料稳定集料的收缩性能和抗裂性能，使基层产生的裂缝减小到最小的程度。措施主要有两条：
1）调整无机结合料稳定集料的矿料级配，增加粗集料用量。
2）采用合理的水泥品种和水泥剂量，减小水泥稳定集料的强度和刚性。
2.适当增加沥青层的厚度，降低产生反射裂缝的可能性，以及采用组合式基层沥青路面结构。
增大沥青层的厚度对防止基层裂缝向上传递是有效的。国外一般采用不少于15cm的沥青层厚度，以防止半刚性基层沥青路面的反射性裂缝。我国在若干条高速公路上也采用了大于15cm到18cm的沥青面层，也证明了这一点。但由于我国水稳粒料强度过高、在施工期就出现开裂，以及沥青层不在同一年铺筑等原因，还是没能防得住有些高速公路的反射性裂缝。
增加沥青层的厚度会明显增加成本，而有时效果也不很明显。因此也不能迷信这一点，可采用较薄的沥青层，在半刚性底基层上铺筑碎石过渡层或沥青稳定碎石基层等措施。
3.采取隔离基层收缩裂缝与沥青层的措施，使基层的收缩开裂尽可能少影响沥青面层，少反射到沥青面层来。防治裂缝反射到面层，并减缓裂缝进一步发展。例如，可设置应力扩散层或下封层，或在基层上设置浸渍沥青的土工布等。
3.2 减少半刚性基层开裂和形成反射性裂缝的技术措施
半刚性基层的收缩裂缝主要是其干缩和冷缩造成的，与无机结合料的集料、集料配合比、结合料含量等设计因素有关；同时半刚性基层的开裂、裂缝的扩展及向上的反射与施工工艺及工期有很大的关系，若在铺筑沥青层之前，基层已经开裂，则基层的裂缝肯定会反射到沥青路面上。因此，我们应该从设计和施工两个方面采取措施，严防半刚性基层出现严重开裂：
3.2.1设计方面的技术措施
1.采用强度适中、收缩性小、抗裂性能和抗冲刷性能好的无机结合料稳定集料基层。严格控制粒料中不包含土，减少细粉的含量。
2.在无机结合料稳定碎石配合比设计中，采取密实式粒料。密实式粒料的干缩应变系数是悬浮式粒料的1／3。
3.在半刚性基层上面设置高沥青含量的细级配沥青混凝土应力扩散层。其厚度一般不小于10mm，且只宜设置在较厚沥青层的路面下。或可在基层顶面铺一层浸透沥青的土工织物，可以起到更好的隔水作用。土工织物具有一定柔性伸展性，使基层中产生向上传播裂缝的水平拉力在界面处大大削减，基层形变得到部分控制，基层开裂会大大减少，从而阻止过多反射裂缝的发生。
4.可考虑在半刚性基层上进行预切缝，深度为基层厚度的1／3左右。
5.选用松弛性能好的优质沥青做沥青面层。在稳定性满足的情况下，选用针人度大的沥青做沥青面层。
6.增加沥青面层厚度，可使整体抗弯拉强度得到提高，而且对半刚性基层起到很好的隔温隔热作用，从而减轻半刚性基层水分蒸发，促进二灰碎石混合料强度增长，从而有效防止反射裂缝隙的产生，沥青面层的厚度应与气温、日温差等适应，同时考虑经济合理性。
7.顶面设置沥青封层，可进一步隔绝外界自然因素对基层影响，从而防止裂缝产生。
8.在沥青混凝土面层下，采用热拌沥青碎石或级配碎石，形成一个有孔隙的隔层、联结层，能有效防止反射裂缝向上传播，并可以减薄沥青面层，降低造价。
3.2.2施工方面的技术措施
1.施工的关键是保证铺筑沥青混合料之前，半刚性基层不产生收缩裂缝；确保沥青面层和半刚性基层的连续施工，以及沥青层数层的连续铺筑，避免层间污染，以保证连续的界面条件，提高沥青层与基层的粘结性，使之成为一个整体。
2.严格控制无机结合料稳定集料的施工碾压含水量，以低于最佳含水量1—2个百分点作为控制指标，即做到宁干勿湿，不要超过最佳含水量。实践证明每增加1％的施工含水量明显大于增加1％的水泥剂量对干缩系数的影响。
3.基层碾压完成，即开始养生。应加强对碾压成型的半刚性基层、底基层的养生。7d的养生期间要始终保持基层表面处于湿润状态，即少洒、勤洒水，天气干燥时更应注意。7d后干缩才会趋于稳定。
4.成型以后立即喷洒乳化沥青养生剂，同时作为透层油，即使铺筑了下封层，也不能省掉透层油。
5.透层或粘层完成后，尽快铺筑沥青面层。若不能马上铺筑沥青层，宜在透层油的基础上再铺筑稀浆封层或下封层。
6.不要使沥青混合料中的沥青过分老化，施工中加强碾压，使沥青混合料达到高的密实度，并增加碾压遍数，使之充分压实。
4.结论
1.半刚性基层裂缝包括干缩裂缝和温缩裂缝；半刚性基层裂缝产生后，势必会反射到沥青路面上。
2.半刚性基层沥青路面反射裂缝普遍存在，目前尚无彻底的解决方案。我国的沥青路面结构，在相当长的时期内，还将以半刚性基层为主。
3.采取各种防治措施延缓或避免半刚性基层沥青路面的出现，具有重要的现实意义。可从减少半刚性基层的开裂、增加沥青面层厚度及设置隔离层三方面来防止沥青路面反射裂缝的出现。
4.提出了从设计和施工两个方面采取措施来防治半刚性基层沥青路面反射性裂缝的具体措施，对实际工程具有一定的指导意义。
(作者单位：西安市市政工程管理处)
【参考文献】
【1】沈金安主编.国外沥青路面设计方法总汇.人民交通出版社.2004.4.
【2】李立寒，张南鹭编著.道路建筑材料.同济大学出版社.1999.7.
【3】姚虹飞，朱卫松，张世勇，王末顺.二灰碎石基层反射裂缝的研究. 中国市政工程.2004年第1期(总第107期).
【4】沈金安，李福普，陈景编著.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策.
人民交通出版社.2004.12.
【关键字】沥青路面 半刚性基层 反射性裂缝 机理 防治措施
Research of the Reflective Gap
on Asphalt Pavement
Abstract: The paper firstly analyses asphalt pavement structure of our country and think that the asphalt pavement of the semi-rigid roadbase will still be primary structure of our country’s asphalt pavement in a long time .And three aspects’ measurements that is to reduce the gap of the semi-rigid roadbase ,increase the thickness of asphalt pavement and set separating layer was put forword to prevent the reflective gap on asphalt pavement of the semi-rigid roadbase. Meanwhile, brings forword specific technique measurements to prevent the reflective gap on asphalt pavement of the semi-rigid roadbase in design and construction. This would be instructive to the design and construction of the asphalt pavement of the semi-rigid roadbase.
Key words: Asphalt pavement Semi-regid roadbase Reflective gap Mechanism Preventing measurement
1.概述
一直以来，我国的道路建设均以半刚性基层的沥青路面结构为主，这是由我国的具体国情所决定的，是道路建设发展历史的必然结果。半刚性基层沥青路面结构的基本思想是“强基、薄面、稳土基”，这为我国沥青路面的发展做出了巨大的贡献。但是，近年来我国大量的市政道路和高速公路出现了各种各样的早期损坏，严重影响了道路的正常使用，降低了其使用寿命。其中，沥青路面的反射性开裂是最普遍的损坏现象之一。高速公路上每隔数十米，有的甚至十几米就会有一道反射性裂缝。沥青路面初期产生的反射性裂缝对行车无明显影响，但随着表面雨水的浸入，在大量行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，会导致沥青路面结构的破坏加速、路面承载力降低，严重影响沥青路面的使用寿命。
这就使得我们开始思考，对此结构提出质疑。其原因必定是在半刚性基层优点的背后，也有不少缺点，甚至有些是无法克服的【1】，例如，半刚性基层的收缩开裂、透水性差、强度和模量的疲劳衰减、对重车轴载的敏感性等等。
为此，许多单位和学者已经开始考虑在中国适当地发展柔性基层沥青路面的结构形式。但半刚性基层沥青路面结构造价低的特点是其它路面结构所无法比拟的，长期以来我国遵循“强基薄面”的方针，铺筑半刚性基层沥青路面，这一点已经深入人心，要想一下子改变是不现实，也是不合理的 。
因此，针对沥青路面反射裂缝产生及对沥青路面造成破坏的实际情况，深入分析研究其原因和机理，提出切实可行、有效的防治措施，具有重要的现实意义。
2. 反射性裂缝的原因及机理
基层所受应力大致有两种：即由交通荷载产生的应力和由温度及湿度变化产生的应力。作为半刚性基层，首先要有足够的承载能力，以承担设计期间的累计标准轴次，保证路面不致产生过度的变形和开裂损坏。但是，半刚性基层也存在非荷载变形的特点，由于整个路面结构层属一体结构，当含水量和温度变化时，基层材料因急剧收缩受阻，几乎无法避免收缩变形，于是产生了较大的拉应力，当拉应力超过基层材料本身的承载能力，而应力又得不到适当的缓冲时，就会产生收缩裂缝。又由于道路的纵向约束大于横向约束，收缩的主轴在纵向，故基层总是横向裂缝。这种由温度和含水量变化引起的收缩．称为温缩和干缩[2]。
2.1 温缩
无机结合料稳定类混合料是由固相、液相和空隙中的气相组成的。其温缩裂缝主要是由液相涨缩、固相涨缩以及二者的共同作用形成的。
2.2 干缩
干缩的基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间作用、碳化收缩作用等引起的整体体积变化。半刚性材料的干缩会产生裂缝，铺筑的半刚性材料随着混合料水分的减少要产生干缩应力。干缩应力的大小与混合料水分散失的速度成正比，特别是刚刚铺筑的半刚性基层．水分散失的速度非常快。混合料产生的干缩应力也较大，而此时基层的抗拉强度尚没有完全形成。若不能保证半刚性基层混合料的含水量，即不能及时洒水养生，便会产生干缩裂缝。半刚性基层养生结束后，若不能及时地撒铺透层油，也会随着时间的增长而产生干缩裂缝。
半刚性基层在温缩及干缩的作用下，产生横向裂缝。随着时间的推移，在车轮荷载的作用下，沥青面层层底由于在基层裂缝处产生应力集中，加之水的作用，势必会产生反射性裂缝。
3.减少反射性裂缝的措施
半刚性基层沥青路面的反射性裂缝在世界各国均普遍存在，至今仍无彻底的解决方法，只是大多数发达国家在较高等级的道路上均不采用半刚性基层，而是采用柔性基层及长寿命沥青路面，来减少沥青路面上产生反射性裂缝【1】。我们只能是针对我国半刚性基层反射性裂缝产生原因和机理，以及对沥青路面造成的损坏，采取有效的措施，尽量避免或延缓沥青路面反射性裂缝的产生，以延长道路的使用寿命。
3.1 减少反射性开裂的技术途径
1. 减轻无机结合料稳定集料的收缩性能和抗裂性能，使基层产生的裂缝减小到最小的程度。措施主要有两条：
1）调整无机结合料稳定集料的矿料级配，增加粗集料用量。
2）采用合理的水泥品种和水泥剂量，减小水泥稳定集料的强度和刚性。
2.适当增加沥青层的厚度，降低产生反射裂缝的可能性，以及采用组合式基层沥青路面结构。
增大沥青层的厚度对防止基层裂缝向上传递是有效的。国外一般采用不少于15cm的沥青层厚度，以防止半刚性基层沥青路面的反射性裂缝。我国在若干条高速公路上也采用了大于15cm到18cm的沥青面层，也证明了这一点。但由于我国水稳粒料强度过高、在施工期就出现开裂，以及沥青层不在同一年铺筑等原因，还是没能防得住有些高速公路的反射性裂缝。
增加沥青层的厚度会明显增加成本，而有时效果也不很明显。因此也不能迷信这一点，可采用较薄的沥青层，在半刚性底基层上铺筑碎石过渡层或沥青稳定碎石基层等措施。
3.采取隔离基层收缩裂缝与沥青层的措施，使基层的收缩开裂尽可能少影响沥青面层，少反射到沥青面层来。防治裂缝反射到面层，并减缓裂缝进一步发展。例如，可设置应力扩散层或下封层，或在基层上设置浸渍沥青的土工布等。
3.2 减少半刚性基层开裂和形成反射性裂缝的技术措施
半刚性基层的收缩裂缝主要是其干缩和冷缩造成的，与无机结合料的集料、集料配合比、结合料含量等设计因素有关；同时半刚性基层的开裂、裂缝的扩展及向上的反射与施工工艺及工期有很大的关系，若在铺筑沥青层之前，基层已经开裂，则基层的裂缝肯定会反射到沥青路面上。因此，我们应该从设计和施工两个方面采取措施，严防半刚性基层出现严重开裂：
3.2.1设计方面的技术措施
1.采用强度适中、收缩性小、抗裂性能和抗冲刷性能好的无机结合料稳定集料基层。严格控制粒料中不包含土，减少细粉的含量。
2.在无机结合料稳定碎石配合比设计中，采取密实式粒料。密实式粒料的干缩应变系数是悬浮式粒料的1／3。
3.在半刚性基层上面设置高沥青含量的细级配沥青混凝土应力扩散层。其厚度一般不小于10mm，且只宜设置在较厚沥青层的路面下。或可在基层顶面铺一层浸透沥青的土工织物，可以起到更好的隔水作用。土工织物具有一定柔性伸展性，使基层中产生向上传播裂缝的水平拉力在界面处大大削减，基层形变得到部分控制，基层开裂会大大减少，从而阻止过多反射裂缝的发生。
4.可考虑在半刚性基层上进行预切缝，深度为基层厚度的1／3左右。
5.选用松弛性能好的优质沥青做沥青面层。在稳定性满足的情况下，选用针人度大的沥青做沥青面层。
6.增加沥青面层厚度，可使整体抗弯拉强度得到提高，而且对半刚性基层起到很好的隔温隔热作用，从而减轻半刚性基层水分蒸发，促进二灰碎石混合料强度增长，从而有效防止反射裂缝隙的产生，沥青面层的厚度应与气温、日温差等适应，同时考虑经济合理性。
7.顶面设置沥青封层，可进一步隔绝外界自然因素对基层影响，从而防止裂缝产生。
8.在沥青混凝土面层下，采用热拌沥青碎石或级配碎石，形成一个有孔隙的隔层、联结层，能有效防止反射裂缝向上传播，并可以减薄沥青面层，降低造价。
3.2.2施工方面的技术措施
1.施工的关键是保证铺筑沥青混合料之前，半刚性基层不产生收缩裂缝；确保沥青面层和半刚性基层的连续施工，以及沥青层数层的连续铺筑，避免层间污染，以保证连续的界面条件，提高沥青层与基层的粘结性，使之成为一个整体。
2.严格控制无机结合料稳定集料的施工碾压含水量，以低于最佳含水量1—2个百分点作为控制指标，即做到宁干勿湿，不要超过最佳含水量。实践证明每增加1％的施工含水量明显大于增加1％的水泥剂量对干缩系数的影响。
3.基层碾压完成，即开始养生。应加强对碾压成型的半刚性基层、底基层的养生。7d的养生期间要始终保持基层表面处于湿润状态，即少洒、勤洒水，天气干燥时更应注意。7d后干缩才会趋于稳定。
4.成型以后立即喷洒乳化沥青养生剂，同时作为透层油，即使铺筑了下封层，也不能省掉透层油。
5.透层或粘层完成后，尽快铺筑沥青面层。若不能马上铺筑沥青层，宜在透层油的基础上再铺筑稀浆封层或下封层。
6.不要使沥青混合料中的沥青过分老化，施工中加强碾压，使沥青混合料达到高的密实度，并增加碾压遍数，使之充分压实。
4.结论
1.半刚性基层裂缝包括干缩裂缝和温缩裂缝；半刚性基层裂缝产生后，势必会反射到沥青路面上。
2.半刚性基层沥青路面反射裂缝普遍存在，目前尚无彻底的解决方案。我国的沥青路面结构，在相当长的时期内，还将以半刚性基层为主。
3.采取各种防治措施延缓或避免半刚性基层沥青路面的出现，具有重要的现实意义。可从减少半刚性基层的开裂、增加沥青面层厚度及设置隔离层三方面来防止沥青路面反射裂缝的出现。
4.提出了从设计和施工两个方面采取措施来防治半刚性基层沥青路面反射性裂缝的具体措施，对实际工程具有一定的指导意义。
(作者单位：西安市市政工程管理处)
【参考文献】
【1】沈金安主编.国外沥青路面设计方法总汇.人民交通出版社.2004.4.
【2】李立寒，张南鹭编著.道路建筑材料.同济大学出版社.1999.7.
【3】姚虹飞，朱卫松，张世勇，王末顺.二灰碎石基层反射裂缝的研究. 中国市政工程.2004年第1期(总第107期).
【4】沈金安，李福普，陈景编著.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策.
人民交通出版社.2004.12.
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