沥青路面Top—Down裂缝产生的原因分析

牛力强

摘要：为深入了解TopDown裂缝病害成因机理，以某高速公路发生的裂缝病害为例，通过路面结构力学分析认为交通荷载作用不是造成沥青路面自上而下开裂的主要原因，通过路面温度场实测、沥青老化试验、不同老化程度沥青混合料的低温弯曲应变和弯曲劲度模量分析，认为温度疲劳作用是造成沥青路面自上而下开裂的主要原因，沥青路面表面的拉应力则加剧了这种开裂。

关键词：沥青路面；自上而下裂缝；温度疲劳；低温缩裂

中圖分类号：U416.21文献标志码：B

Abstract： In order to understand the cause of the topdown crack disease， an expressway was taken as an example. The mechanical analysis of pavement structure shows that the traffic load is not the main reason that causes the asphalt pavement cracking from top to bottom. Temperature field test， asphalt aging test， lowtemperature bending strain and bending stiffness modulus of asphalt mixture with different degrees of aging were conducted. The results show that the temperature fatigue is the main reason for the cracking of asphalt pavement from top to bottom， and the tensile stress on the surface makes it exacerbated.

Key words： asphalt pavement； topdown crack； temperature fatigue； lowtemperature crack

0引言

开裂是沥青路面破坏的主要形式之一，包括车辆荷载疲劳作用引发的龟裂、基层反射裂缝、路基沉降引发的纵向裂缝以及低温收缩引起的横向裂缝等，除低温缩裂外一般从路面下部向上发展。近年来，由于沥青路面结构的逐步改良，出现了一种自上而下型式的TopDown裂缝。国外研究认为，TopDown表面裂缝是由高轮压导致的表面拉应力、低温缩裂和路面梯度温度变化引发的温度应力以及面层沥青材料的不断老化造成的[15]。本文以某高速公路的裂缝病害为例，对沥青路面出现的TopDown表面裂缝的成因、机理加以探讨。

1某高速公路裂缝形式调查

某高速公路于2005年建成通车，至今运营已超过7年，路面结构从上至下为：4 cm AC16（5%SBS）改性沥青混凝土、6 cm AC20 （4%SBS）改性沥青混凝土、6 cm AC20沥青混凝土、32 cm水泥稳定碎石、20 cm水泥稳定砂砾。沥青面层总厚度为16 cm。2012年的路况调查表明：该高速公路路面裂缝严重，除去上下贯通的半刚性基层反射裂缝和疲劳开裂外，还有一种自上而下的裂缝，如图1、2所示。图1为重度横向裂缝病害，只发生在上、中面层，下面层良好；图2为龟裂病害，图2（a）中上、中面层破坏严重，下面层良好；图2（b）的病害形式是仅上面层发生了龟裂，中、下面层良好。上述3种类型裂缝的共同特点是裂缝形状不规则，既有横向、纵向裂缝，也有龟裂，而且沥青下面层和基层均没有开裂。

2病害原因分析

2.1车轮疲劳荷载对路面开裂的影响分析

图3为路面沥青面层在车轮下的受力状态，车轮作用于基层层底B点之上时，B点受到拉应力作用，车轮驶过一定距离后应力方向旋转，B点承受压应力作用；路表面A点则相反，车轮作用时承受压应力，车轮驶过后变为受拉。路面在整个使用过程中长期处于应力（应变）重复循环变化的状态[67]。

本文按标准双圆荷载采用BISAR软件计算该高速公路路面结构A、B点的受力变化（图4、5），车轮前进方向为水平方向。由图4、5可以看出，路表A点和基层底面B点都存在压、拉应力变换，A点最大压应力是最大拉应力的约35倍，B点最大拉应力是最大压应力的约13倍，因此A点主要承受压应力作用，而B点主要承受拉应力作用。由于路面材料的抗压强度远大于抗拉强度，且面层底部B点在车轮下所受的拉应力较之表面A点在车轮驶近或驶过后产生的拉应力要大得多，因此在荷载重复作用下路面裂缝通常从面层底部开始发生[810]。由此可见，交通荷载作用不是造成沥青路面自上而下开裂的主要原因。

2.2温度对路面开裂的影响分析

该高速公路所处区域四季分明，年平均气温10 ℃左右，1月份平均气温最低-6.5 ℃，极端最低气温-27.4 ℃，7月份最高平均气温23.8 ℃，极端最高气温39.9 ℃。图6为该高速公路2012年10月6日路面结构不同深度处实测温度数据。

一般认为，沥青路面的开裂是由于气温骤降造成面层温度收缩，在沥青层内产生的温度梯度应力超过沥青混凝土的抗拉强度所引发的。由于沥青混凝土面层宽度小，收缩所受到的约束力相对于长度小得多，因此低温裂缝主要为横向裂缝，多从路面表面产生，向下发展。从图6、7可以看出路面沥青层昼夜温度最大变化超过34 ℃/12 h，以表面层温度变化最为剧烈，半刚性基层温度变化平缓，最大变化约3 ℃/12 h；而相应的气温变化则为7 ℃/12 h左右。实际上气温变化主要受太阳辐射和冷空气影响，太阳辐射受地球自转和地球围绕太阳公转影响，变化缓慢，因此气温急剧变化的最主要影响来自于冷空气寒流的到来。该高速所在区域冬天受寒流影响，最大气温降幅也未超过10 ℃/12 h，远小于昼夜温度变化带来的影响，因此可以确认，不是因为气温骤降导致沥青层内产生温度梯度应力超过沥青混凝土的抗拉强度而造成开裂[1112]。

沥青路面在使用过程中受到光、热、氧、风、雨、温度变化等自然条件的作用，随着时间的推移沥青发生蒸发、脱氢、缩合、氧化等，沥青的胶体结构、物理化学性质发生不可逆变化，通常表现为软化点升高、针入度下降、延度减小，最终导致沥青硬化变脆，丧失原有的流变性、柔韧性和粘附性[1318]。不同老化方式下的沥青三大指标试验结果如表1所示。

从表1可见，AH70沥青和PG7022瀝青经过短期老化、长期老化后，针入度降低，延度变小。这表明：随着老化的深入进行，基质沥青和改性沥青的流变性不断降低，变硬变脆。其中PG7022改性沥青还会因老化的进行出现软化点不断降低的现象。

长时间的温度循环疲劳作用会加速沥青混凝土的老化[1920]。图6、7也说明温度梯度循环疲劳作用在日复一日、年复一年地不断发生，而且变化幅度剧烈。受沥青老化影响，沥青混合料路用性能会不断衰减。在周期性的变化剧烈的温度梯度疲劳作用下，沥青路面的松弛性能将不断降低，特别是在温度低的寒冷季节，沥青路面的极限拉伸应变降至低点，极易产生开裂。本文用上述PG7022改性沥青作为胶结料成型沥青混合料，进行小梁低温弯曲试验，结果如图8所示。图8表明：随着老化的不断进行，沥青混合料的低温弯曲应变不断减小，弯曲劲度模量不断增大，流变性逐步衰减。

由于沥青路面材料上部受老化影响更大，其延展性和松弛性能下降远远超过下部，同时在沥青路面表面又存在由车轮荷载不断产生的拉伸—压缩反复疲劳作用（图4、5），在长期梯度形态的应力交叠变化和温度疲劳共同作用下，沥青路面从表面向下不断地梯度硬化。当荷载重复作用超过一定次数以后，路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，造成TopDown裂缝产生。

3结语

通过本文分析得出以下结论。

（1）温度疲劳作用对沥青路面开裂的影响远远超过温度骤降的低温缩裂作用。

（2）沥青路面温度疲劳作用造成的加速老化是形成沥青路面自上而下开裂的主因。

温度疲劳裂缝在世界范围内广泛存在，对道路设计者而言，如何提高沥青面层的防裂性能、改善沥青及沥青混合料的使用品质仍是今后研究的主要方向。一个可行的办法是通过选择沥青混合料类型来减少温度疲劳开裂，例如SMA就具有较好的低温抗裂性能，对减少低温开裂有明显效果；也可选择大粒径沥青混合料，通过提高结构抗力、减少沥青含量来减缓开裂。

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[责任编辑：王玉玲]