反射裂缝

2.1问题的提出在旧水泥混凝土路面各种改建方案中，沥青混凝土加铺层是实际工程中最常用的措施之一。由水泥混凝土路面作为承重基层，沥青面层提供满足行驶质量要求的高摩阻系数、良好平整度，改善了行车的舒适性，也利于路面破坏时的快速修补。但是，由于水泥混凝土路面接裂缝的存在，在温度变化和交通荷载的作用下，沥青加铺层在接裂缝附近不可避免地产生应力集中，当该温度变化和交通荷载综合作用下的结构应力超过沥青混凝土的强度时，萌生裂纹，随着温度变化和交通荷载的重复作用，裂纹扩展贯通至加铺层顶面或底面，形成所谓的反射裂缝。图2-1反射裂缝示意图反射裂缝出现初期对路面的使用性能影响不大，但很影响路面的美观。而且随着雨水或雪水渗入到接缝（或裂缝）两侧的路面结构层中，使得接缝（或裂缝）附近的土基含水量加大，甚至饱和，造成路面结构的承载能力明显降低，在大量行车荷载反复作用下，导致接缝（或裂缝）两侧路面面层的碎裂并出现较大的垂直相对位移并引起路面出现松散、坑洞、唧浆和推移等病害，严重影响到路面的使用性能，加速路面的破坏，缩短路面结构的使用寿命。a）松散b）坑洞c）唧浆d）推移图2-2反射裂缝引起的路面损坏因此需要综合考虑减少水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的措施，减少路面病害，延长使用寿命。2.2反射裂缝产生机理概述对于反射裂缝产生原因，普遍认为是温度变化引起水泥混凝土板收缩、翘曲变形，以及交通车辆驶过接裂缝产生挠曲和剪切变形，使得接缝附近沥青混凝土产生应力集中所致。反射裂缝的发生是由温度应力和荷载应力耦合作用的结果。1）温度型反射裂缝路面运营过程中，温度应力可以分为因热胀冷缩产生的温度胀缩应力以及温度梯度产生的温度梯度应力。温度下降引起水泥混凝土板收缩，而沥青加铺层与旧水泥混凝土路面得粘结作用，在接裂缝附近的加铺层界面上产生温度收缩应力，温度收缩应力超过沥青混凝土的强度则诱发裂缝，断裂力学认为这种由温度下降诱发的裂缝为温度张开型反射裂缝；温度在旧水泥混凝土路面板厚方向部均匀分布引起板的温度翘曲而导致接裂缝处沥青面层温度翘曲应力过大而开裂产生温度翘曲型反射裂缝。图2-3温度型反射裂缝示意图温度型反射裂缝通常产生于加铺层的底部，而后逐渐向上扩展至加铺层顶面，RigoJM等人应用SAPL15程序模拟温度应力作用下反射裂缝的扩展路径，认为几乎是垂直由底部向上扩展的。BUTTON等人的“罩面试验”结果表明：当气温非常低时，裂缝产生在加铺层的顶面和低面，而后向加铺层的中部扩展。2）荷载型反射裂缝车辆荷载驶过接裂缝，对接裂缝附近沥青加铺层产生拉伸和竖向剪切作用，拉应力和剪切力超过沥青混凝土材料的强度（抗弯拉、抗剪切）时产生张开型和剪切型裂缝并扩展，相应地将这类由交通荷载引起的裂缝统称为荷载型反射裂缝。图2-4荷载型反射裂缝示意图正荷载作用下对应的张开模式反射裂缝产生于加铺层的底部，在重复荷载作用下垂直向上扩展，BROWN和CALTABIANO等人的室内试验证实了这一点。偏荷载作用下，反射裂缝以剪切模式在加铺层中向上扩展，RigoJM等人认为裂裂缝尖端加铺层水泥砼路面板底脱空弯曲剪切BAC缝沿45度的方向向上扩展。正荷载（偏荷载）和温度应力共同作用于复合罩面结构时，RigoJM等人分析结果显示裂缝扩展介于偏荷载与温度应力单独作用时裂缝扩展路径之间，比偏荷载作用时的裂缝扩展路径更垂直一些。实际上，沥青加铺层裂纹扩展路径与所处应力状态有关，沿加铺层厚度方向扩展的同时，还沿着横向或纵向扩展，只不过沿两个方向的扩展速度、程度不同而已。由几种应力耦合在一起的，并随周期性温度变化和交通荷载重复作用，接缝附近沥青加铺层界面某一处或几处结构应力超过沥青混凝土极限强度而萌生裂缝并逐渐扩展，形成综合型的反射裂缝。2.3反射裂缝处理措施研究现状在几十年地防治反射裂缝的研究和实践中，国内外进行了大量的试验，尝试了各种措施，大致可分为三类：改善沥青混凝土加铺层性能；设置中间夹层；处治旧路面板。具体措施包括，沥青加铺层上剧切横缝；加厚沥青加铺层；增设裂缝缓解层；破碎和固定旧混凝土面层；设置夹层等。1）沥青加铺层上剧切横缝采用这种措施可以减少反射裂缝处的边缘碎裂，但必须作好接缝的养护工作。适用于旧路面结构状况良好（或对损坏板以进行处理），接缝处板边弯沉量较小的混凝土路面，但确定是影响行车舒适度。2）加厚沥青加铺层增加加铺层厚度一方面可以减少旧面层的温度变化，降低加铺层的拉应力，另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少加铺层的剪应力。同时，对于厚加铺层，裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离，即可以延长其使用寿命。美国地沥青协会（AI）试验发现增加加铺层厚度可以降低旧路面接缝或裂缝处的弯沉量，每厘米厚的沥青混凝土加铺层可降低2%的弯沉（最大可达到4%~5%），但当需要降低的弯沉量超过50%时，仅用加厚层的办法是不经济的。另外，加铺层大于200~250mm时，还会引起纵坡、路肩、净空等一些问题。3）设置裂缝缓解层该措施可以提供缓解作用，使旧面层板接缝处的弯沉差难以影响到沥青加铺层的上层，从而减少反射裂缝的产生，但由于采用开级配的沥青碎石混合料（ATPB），含有大量孔隙，必须设计相应的路面排水系统，保证ATPB层内没有水分滞留，同时增设土工布包边，防止泥土堵塞ATPB空隙。4）破碎和固定旧混凝土面层在旧混凝土路面的结构损坏较严重，断板率较高，对损坏板进行修复后再采取其它措施已不经济时，可以对旧路面板进行破坏和固定。应用混凝土破碎机，将路面分解成尺寸为60mm×100mm左右的碎块，随后用重型轮胎压路机在碎石上碾压数遍，使之牢固地坐落在基层上，与基层顶面之间无空隙。图2-5旧混凝土路面板的破碎板块尺寸的减小，使得温度下降似的收缩位移大大降低，从而也降低了加铺层的拉应力。同时也可以降低接缝和裂缝两侧板块的弯沉量和弯沉差，但旧面层的结构刚度也大大降低，使破碎混凝土层的性状处于柔性与半刚性之间。破碎和固定技术在美国已使用了30多年，但对其使用效果仍有争议。1987年美国联邦公路局的调查报告指出，此项措施在最初几年克有效地减少反射裂缝，但4~5年后反射裂缝仍会大量出现。5）设置夹层设置夹层可以使沥青加铺层底面的应力或应变因离开应力集中的接缝（或裂缝）端部而降低，同时也可改变加铺层结构（包括夹层）的抗拉和抗剪能力。可以在旧混凝土路面上设置一层高弹性低劲度的橡胶沥青软夹层，厚度为1~5mm，模量约为10~100MPa。降低旧路面与加铺层之间的粘附阻力，使二者易于蠕动——滑移，从而减少温度下降引起的反射裂缝；同时，由于隔开了接缝（裂缝）端部，它也可以降低加铺层地面的荷载应力。所采用的夹层主要有以下三种：第一种是应力消散（吸收）夹层。Francken认为软夹层对距面层地面3~5cm以上的加铺层，以及位于接缝（裂缝）之间的加铺层的荷载应力具有不良影响，使其应力和应变比不设夹层时反而增大。Blankenship等采用一种由高沥青含量、高聚合物改性沥青、细粒碎石组成的热拌沥青混合料做应力消散夹层，厚25mm；这种混合料具有在弯拉应变为2000με在荷载下经受住10000次重复作用的抗弯曲疲劳的能力以及透水性小的特性。Molenaar认为SAMI（StressAbsorbingMembraneInterlayer，应力吸收夹层）应具有下列性能：①SAMI与旧路面以及加铺层间的粘层油的抗剪性能：如果抗剪强度过低，使得SAMI过早的出现分层现象，造成加铺层很快断裂；②SAMI的劲度：夹层的劲度与夹层的模量、厚度有关，如果夹层的劲度很低，那么在加铺层的底部引起很大的应变，从而导致加铺层的开裂。与此相反，如果夹层的劲度过高，或者夹层特别薄，温度应力将100％的传递到加铺层中，起不到防治反射裂缝的效果；③SAMI的韧度：如果SAMI的韧度太低，那么裂缝将很容易在SAMI中扩展，使得SAMI没有防治效果或者只有部分的效果。第二种是土工织物夹层，用于夹层的材料主要包括聚丙烯或聚酯织物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺织物。无纺织物的厚度约为0.4~4mm，模量约为10~160MPa，临界应力5~20MPa，临界应变40%~140%MPa和8%~15%。无纺织物夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸附夹层相似，而织物由于模量稍高，可对加铺层起少量加劲作用。图2-6土工织物夹层图2-7防裂贴贴缝第三种是格栅夹层，包括聚丙烯或聚酯土格栅、玻璃格栅和金属格栅。土工格栅的厚度约为0.8~1.1mm，模量约为900~2500MPa，临界应力和应变与织物相近。金属格栅的厚度约为2~4mm，其模量可达8000~10000MPa，刚度大的夹层对于降低加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，但对于降低荷载产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。采用复合式夹层（下层为应力吸收层，上层为金属格栅），虽然可以像软夹层那样介绍温度引起的反射裂缝，但仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。图2-8土工格栅前面已经介绍了目前针对反射裂缝的不同防治措施，各种处理措施具有不同的优缺点，其主要特性对比如表2.1。表2.1防治反射裂缝处理措施特点对比表方法优点缺点经济性有效性适应性增加沥青层厚度设计和施工简单费用增加大但效果不明显不经济在一定范围内有效高等级公路应力、应变吸收薄膜夹层可以起到防水层的作用薄膜容易卷起或造成加铺层滑移经济一般一般公路加筋沥青层施工简便较经济较好高等级公路设置隔离层施工简便对剪切型裂缝没有效果经济不佳低等级公路机械破碎旧路面板后加罩对老路破碎压实要求专门的设备不经济较好高等级公路改善沥青混合料性能施工简便费用增加较经济较好与其他方法同时使用在加铺层表面锯缝施工困难经济一般可作为辅助措施