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《公路养护百科》连载四:高速公路沥青路面裂缝成因分析

 guoxiongxin 2017-12-18

沥青路面裂缝的分类
  裂缝是高速公路沥青路面最主要的损坏形式之一,沥青路面裂缝有多种分类方式。
1
按裂缝形态分类
  《公路技术状况评定标准》(JTG H20-2015)和《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ073.2-2001))按裂缝的外观形态将裂缝分为龟裂、块状裂缝、纵向裂缝和横向裂缝。


  路面检测、评价的过程中龟裂和块状裂缝按面积计算,横向裂缝和纵向裂缝用影响宽度(0.2m)换算成面积。


2
其他分类方式

  高速公路沥青路面病害调查分析、养护管理及养护设计施工过程中,通常会根据裂缝产生的原因、裂缝出现的层位等多种因素对裂缝类病害进行再分类。

  按导致开裂的直接原因可分为:由车辆作用导致的荷载型裂缝、温缩裂缝、由路基沉降或基层开裂等路面自身原因引起的裂缝等;

  按裂缝处出现的位置可分为:贯穿型裂缝、表层裂缝、仅仅出现结构内部的裂缝等;

  按裂缝发展方向又可分为:自上而下的裂缝(例如:Top-Down)和由下而上的裂缝(例如:反射裂缝);

  裂缝病害的成因相对复杂,不同类型的裂缝形成机理不尽相同,其中,龟裂和横向裂缝是裂缝类病害中最常见的破坏形式,也是荷载型裂缝和非荷载型裂缝的典型代表。

沥青路面裂缝的危害

  从道路使用角度(行驶舒适性和安全性)考虑,裂缝对路面的影响远不及坑槽、车辙、抗滑不足等病害的危害大,但站在公路养护管理的角度,裂缝对路面的使用寿命会产生直接影响。

  一方面,裂缝出现后,路面设计时的受力状态发生变化,会加速路面的破坏;另一方面,裂缝出现后,路面原有的功能减弱或丧失,导致路面的早期损坏。例如,半刚性基层结构体系中,反射裂缝出现后,路面封水能力大幅下降,路表水会逐步侵入结构内部导致路面出现唧浆、唧泥,同时裂缝处的压应力和剪应力增加加速破坏,最终对路面结构产生摧毁性的破坏作用。


我国高速公路的几种典型裂缝病害
1
龟裂

  传统意义上的龟裂是由于材料老化、累计轴载作用次数达到设计寿命时出现的极限疲劳破坏状态,即设计时的假定:由沥青层层底开裂再向上扩展贯穿整个沥青层。除传统的疲劳裂缝外,在实际工程中由于车辆荷载作用导致的纵向剪切疲劳裂缝和由于层间接触条件不良导致的疲劳破坏也大量存在。

  剪切疲劳型龟裂(Top-Down):高速公路的重载、高轮压车辆较多,面层顶部是结构高受剪区域,在渠化交通下,轮迹带处反复承受强大的剪切作用力,最终在沥青路面表面层沿行车方向出现开裂破坏,初期为细小裂纹,逐渐发展为密集的纵向裂缝——龟裂。此外,如果存在层间(包含:基层与沥青面层间、各沥青面层之间)结构不连续或水损坏、结构内部材料松散,会加剧这类裂缝的产生。


2
半刚性基层反射裂缝

  半刚性基层沥青路面是我国高速公路主要的结构形式,半刚性基层材料具有持力作用强、承载能力好和造价低等特点,同时也有温缩和干缩的性质,也就意味着半刚性基层开裂是不可避免的,半刚性基层沥青路面反射裂缝多是其主要缺点之一,尽管近年来在路面建设中采用控制模量、控制含水率、增设应力吸收层和结构形式调整等技术措施起到了减少裂缝的效果,但反射裂缝仍然广泛存在。

  反射裂缝大部分表现为横向裂缝,其形成大致可分为两个阶段。

  首先,受干缩和温缩影响半刚性基层板体开裂:基层可以看作是纵向上足够长的板体,收缩时在板体内产生径向应力,当这一应力大于基层板体的抗拉应力和层间摩擦力时,板体就会断裂产生横向裂缝,这一过程往往在基层施工过程中就已经开始。

  然后,基层裂缝形成及“运动”过程反射至沥青面层:一方面,基层发生温缩,裂缝会近一步扩大,将给沥青层增加一个附加应力,超过沥青混合料的抗拉强度时,沥青面层将从底部开始开裂;另一方面,车辆荷载作用于裂缝处时,沥青面层受到正反两次剪切和一次弯拉作用,经车辆和温度反复作用后最终形成贯穿至路面的反射裂缝。


3
温度裂缝

  除反射裂缝外,温度裂缝也是横向裂缝的主要类型之一,在我国北方及西北地区更为常见,温度裂缝是指由于环境温度的改变而引起的沥青路面的开裂。根据开裂的形成机理不同又可分为温度收缩裂缝、温度疲劳裂缝。

  路面结构的温度也随着周围环境温度的变化而变化,路面材料也随着温度的升降而膨胀和收缩,这种胀缩会对路面结构附加温度应力,附加温度拉应力或应变超过沥青混合料的极限抗拉强度或应变时,沥青混凝土面层便产生温度收缩裂缝,温度疲劳裂缝是指经过长时间温度升降循环,沥青混合料产生疲劳开裂。

结语
  裂缝类型较多,裂缝的产生与结构材料自身因素、环境因素、荷载条件都有关系,现阶段乃至未来一定时间内我国高速公路沥青路面面临的主要裂缝形式有剪切疲劳型龟裂、反射裂缝和温缩裂缝。裂缝本身对道路的使用性能影响有限,及时、有效地做好裂缝的处治是路面养护的重点工作。


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