沥青混凝土加铺层的反射裂缝研究

李浩瀚

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司， 上海 200092

沥青混凝土加铺层的反射裂缝研究

李浩瀚

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司， 上海 200092

在旧水泥混凝土路面上采用沥青混凝土加铺层是一种非常典型的补强方法，近年来得到了广泛的推广和应用。旧水泥混凝土路面接缝（裂缝）向上反射并贯穿沥青面层，是沥青混凝土加铺层主要的病害形式。研究沥青混凝土加铺层反射裂缝的产生机理及预防措施有助于提高沥青加铺层的使用寿命。

水泥混凝土路面；沥青加铺层；反射裂缝

水泥混凝土路面在我国有着广泛的分布，经过几十年的使用，部分水泥路面已经破损严重，不能满足使用要求，使用沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面具有工期短、投资少、行车舒适同时交通影响小等优点。由于水泥混凝土与沥青混凝土属于不同性质的材料，工作环境复杂，在旧混凝土板上存在接缝和裂缝，并常伴有错台、脱空等损坏现象，这些都会使加铺层在对应于旧路面板接缝（裂缝）的位置再次出现裂缝，这种裂缝常称之为反射裂缝。

1、反射裂缝的形成机理

反射裂缝是由于旧面层接缝或裂缝附近的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集中造成的，产生的原因包括由于环境温度的变化和车辆的荷载作用。

1.1 环境温度变化引起的反射裂缝

1.1.1 冬季气温较低使得接缝处水泥混凝土板产生收缩，由于旧面层与加铺层的层间黏附阻力，沥青加铺层产生收缩而引起反射裂缝，这时的反射裂缝表现为加铺层的开裂，即张开型反射裂缝。

1.1.2 季节性气温变化可使面层因产生过大的应力而导致一次性开裂不同，日气温变化小且变化频繁，在路面结构中产生温度梯度造成水泥混凝土板及沥青加铺层的收缩及翘曲而导致加铺层产生地张开，这也属于张开型反射裂缝。

1.1.3 对于环境温度变化引起的反射裂缝，接缝(或裂缝)间距越长，旧面层与基层顶面间的摩阻力越大，板平均温度下降量或下降速度越大，混凝土板与沥青层之间的黏附作用越强，则沥青加铺层内出现的拉应力便可能越大，反射裂缝越明显。

1.2 车辆荷载引起的反射裂缝

路面在汽车荷载作用下，接缝(或裂缝)处形成较大的弯拉应力和剪应力，使得两侧混凝土板在垂直方向产生相对位移，使接缝(或裂缝)上方的沥青加铺层产生较大的剪切应力，此剪切应力如超过沥青加铺层的抗剪强度，在接缝(或裂缝)处的沥青加铺层便会出现剪切型反射裂缝。旧面层越薄，接缝(或裂缝)的传荷能力越弱，基层的刚度越小，则车辆荷载引起的反射裂缝便可能越大。

1.3 水的因素

反射裂缝出现初期通常规模不大，对路面的使用性能影响也不大。初期反射裂缝通常产生于面层的底部，在周期性荷载和温度等的作用下垂直向上扩展。当反射裂缝贯穿罩面后，水分能够通过裂缝进入旧路面，使旧路面与面层联结减弱；同时水分由旧路面进入土基，使接缝(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。同时反射裂缝在道路纵向及横向持续发展，最终导致路面结构的彻底破坏。

反射裂缝的产生和发展是一个复杂的过程，其产生的主要原因是温度的变化和车辆荷载的作用，在其发展的过程中还附加了水的影响。此外在近年来的实践中，旧混凝土路面本身的质量缺陷正在引起越来越多的关注。

2、防止反射裂缝技术

国内外的研究表明，为了防止沥青混凝土加铺层的反射裂缝，需要从包括罩面层、夹层、旧水泥路面板、基层、土基的整个路面结构的整体出发，提高抗裂性能。随着技术的发展，出现了多种方法和材料以防止或延缓反射裂缝的产生和发展，主要采用措施有如下几种：

2.1 旧水泥混凝土路面处理

对旧水泥混凝土板的处理包括两个方面：接缝（裂缝）处理水泥混凝土板处理。

2.1.1 对于接缝（裂缝）的处理一般采用清缝再灌缝的方法，适用于旧水泥路面接缝较为完整，裂缝较浅且未贯通水泥板的情况。同时，为了防止水分的破坏和加强路面接缝处的强度，可以沿着水泥路面接缝（包括较长较宽的裂缝）敷设沥青防水卷材。试验表明沥青防水卷材处理的接缝基本可以杜绝水的侵入，有利于道路排水；同时沥青防水卷材本身具有较大的模量且与旧水泥混凝土板黏结紧密，可以增强路面抵抗温度及荷载带来的应力集中的能力；尤其是在反射裂缝发展的过程中，较强的变形能力和抗拉伸性能可以延缓反射裂缝的发展[1]。

2.1.2 对于较为严重的裂缝破坏以及破碎、龟裂、网裂、脱空等情况，采用换板或者注浆的处理方式：换板包括破除原有路面（包括基层），清理路床，排干水分并重新施工水泥路面；注浆可以采用多次注浆，即“注浆——开放交通——再注浆”的方式以确保质量。值得注意的是修复过程中对旧混凝土路面传力杆的修补，包括切割和恢复传力杆，对水泥混凝土路面的修复效果影响很大。

2.2 增厚加铺层

较厚的加铺层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，减少加铺层的剪切应力；另一方面可以延长裂缝由加铺层底面扩展到顶面所需要的时间。单纯依靠增加加铺层厚度的方法有明显的缺点，一方面研究表明，当沥青加铺层厚度在20cm以内时，增加罩面层厚度可以延缓反射裂缝的发生，如果超过这一厚度，增加厚度的方法效果不明显[2]；另一方面城市道路的标高受到多方面的控制，不允许出现过大的加铺厚度；此外增加加铺层厚度会将大幅度增加路面造价。因此加铺层厚度一般控制在10～15cm。

2.3 提高加铺层性能

在沥青混凝土加铺技术发展之初往往采用增大沥青用量的方法来改善加铺层性能，效果不明显。现在一般采用改性沥青技术，沥青玛蹄脂碎石SMA使用最为广泛[3]。与传统的沥青混凝土相比，SMA具有良好的表面性能，抗滑，车辙小，平整度高，对交通影响小，但是SMA必须使用改性沥青，造价相对较高且施工难度比较大。

2.4 裂缝缓解层

在旧面层上设置裂缝缓解层， 可使旧面板接缝( 或裂缝) 处的弯沉差难以影响到沥青加铺层的上层， 从而减少反射裂缝的可能性，材料可以采用大粒径沥青混合料，例如开级配沥青碎石混合料；还可以采用级配碎石。

大粒径沥青混合料大粒径矿料多、沥青含量少、空隙率大，可以有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，减弱拉应力、拉应变的传递能力，并且能消散、吸收由交通荷载及温度变化所产生的荷载应力和温度应力，但是需要保证路面排水通畅。

级配碎石作为散粒结构不传递拉应力、拉应变，可以吸收接缝所释放的应变能。由于碎石层较厚，一般为10～15cm，使得旧水泥混凝土板的温度变化、温度变化速率及温度梯度大大降低。

2.5 碎石化技术

如果旧混凝土面层的结构损坏较严重，换板和注浆等修复措施已经不够经济时，可以对旧面层板进行破碎，然后施工沥青混凝土面层[4]。应用混凝土破碎机将面层板分解成碎块，随后碾压使之稳定；然后清除接缝和裂缝内的松散混凝土和杂物，摊铺沥青混合料。

碎石化技术在美国已使用了30多年，但在使用效果上仍有争议。此项措施在最初几年可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]。此外破碎之后的碎块尺寸要求也难以确定，一般规定在30～150厘米之间。

2.6 夹层

夹层是目前我国使用最为广泛的防治反射裂缝技术。在旧混凝土面层和加铺层之间设置夹层，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；同时土工合成材料夹层具有一定的强度，可承受一定的拉应力，提高沥青加铺层的抗拉强度，减少裂缝张开变形量；此外可以减小接缝的弯沉差，低裂缝尖端的剪应力集中。夹层可以分成两种类型：

2.6.1 第一种模量较高，如玻纤格栅、土工布等，此类材料抗拉强度高，可以提高面层的抗拉强度，延缓反射裂缝的发展。其中玻纤格栅的使用最为广泛，实践表明使用玻纤格栅可以增加约20%的疲劳寿命，玻纤格栅一般采用满铺的形式。

2.6.2 另外一种模量较高较低的夹层，例如橡胶沥青、改性沥青防水毡、改性沥青砂或柔软沥青混凝土。使用较多的是橡胶沥青SAMI应力吸收层，其作用为降低旧面层与加铺层之间的黏附阻力，使二者易于蠕动、滑移，从而减少温度下降引起的反射裂缝。这种低模量的夹层必须要有合理的厚度，才能在这个厚度内消散应力集中现象，此外应力吸收层对于接缝(或裂缝)之间的加铺层的承载能力具有不良影响。

2.7 设计方法

加铺层的设计有经验法和力学法。 例如国外的经验法有AASHTO方法、沥青学会的方法，ARE的方法等，需要结合实际需求选择。对于我国自身的情况，则需要更进一步的研究和探讨。

3、结语

反射裂缝制约着沥青加铺层的质量和性能，目前国内已经有较多的沥青加铺设计及施工经验，但还没有形成完整的设计方法和质量控制体系。此外我国的水凝土路面情况复杂、质量差别很大、分布范围广泛，各地区的温度状况、交通条件也不相同。因此防治反射裂缝要根据不同情况分析采用不同的处理措施，综合考虑材料性能、施工水平、交通状况等条件，结合水泥混凝土路面检测、评价、养护等技术，因地制宜地解决问题。

[1] 王选仓，刘凯，李善强.沥青加铺层夹层材料抗反射裂缝性能研究[J].建筑材料学报,2010，第13卷第2期：247～252

[2] 徐利.城市道路改建刚柔复合式路面的研究[D] .合肥工业大学，2009

[3] 徐波.沥青玛蹄脂碎石( SMA) 在旧路改造中的应用.城市道桥与防洪[J],2003，第6期：17～19

[4] 中华人民共和国行业标准 JTG D50-2006[S].公路沥青路面设计规范

[5] 肖金军.旧水泥混凝土路面沥青加铺技术研究[D].长沙理工大学，2007

U416. 216

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.019

李浩瀚 工学硕士 研究方向：道路工程