1、沥青混凝土路面反射裂缝产生机理及其常用防治对策摘要：沥青混凝土路面反射裂缝是公路病害中一种顽症，总结了不同形式的反射裂缝的产生机理，并提出了新的见解。介绍了沥青混凝土路面反射裂缝的一些常用防治对策，提出了综合治理的新思路。 关键词：沥青混凝土路面；反射裂缝；机理；防治对策 中图分类号：U416 文献标识码：A 路面结构完全暴露在自然环境中，受外界各种条件变化的影响，因而，路面的常见病害多而复杂。我国经过长期的实践、探索和研究，随着施工技术和机械化程度的提高，许多病害逐年减少，开裂导致路面迅速损坏的现象虽有所改善，但沥青混凝土路面裂缝这一病害至今未能根除。国外针对这一问题运用多种方法也进行了大量
2、的研究，探讨其产生机理，提出了多种防治对策。 1 反射裂缝的分类及其研究重要性 1.1 反射裂缝的分类 沥青混凝土路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。影响裂缝轻重程度的主要原因有沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质和状况、气候条件（特别是冬季气温及其变化） 、交通量和车辆类型及施工因素等。但就沥青混凝土路面开裂的主要原因而论，可以分两大类，就即荷载型裂缝。沥青混凝土面层上的非荷载型裂缝主要是由温度引起的。 在已开裂的老沥青混凝土路面上或有接缝的水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土罩面层，以及有裂缝的基层上铺沥青混凝土面层后，原先的裂缝或接缝在新铺的沥青混凝土面层的相同位置处重新出现。以往在研究
3、这一问题时，主要考虑了行车荷载作用，下层裂缝引起裂缝上方面层底面先开裂并逐渐向上穿透到表面，所以习惯将其称为“反射裂缝”在很多文献中仍统一称为反射裂缝，以下仍称为反射裂缝。 沙庆林院士根据研究结果，提出所谓“对应裂缝”的概念，即沥青混凝土路面结构由于基层（或老路面层）开裂促成较厚的沥青混凝土面层（或罩面层）由顶到底产生的裂缝。 同济大学周富杰博士研究旧水泥混凝土路面接缝在沥青混凝土罩面内的反射情况时，提出了所谓的“双裂缝反射”现象，并得到野外试验路观测结果的验证。它是反射裂缝的一种特殊情况。 总结上述各种情况，广义的反射裂缝从其裂缝扩展路径上可分反射裂缝和对应裂缝两种，从其形成的主要原因可分为
4、温度型反射裂缝和荷载型反射裂缝。 1.2 反射裂缝研究的必要性 目前我国的高等级公路普通采用半刚性基层，半刚性材料的干缩性和温缩性相对较大，故在其施工碾压、养生过程甚至加铺沥青混凝土面层后，半刚性基层会不可避免地产生裂缝；因而，在开放交通后，在气候因素、交通因素的作用下，便会产生反射裂缝。在老路特别是旧水泥混凝土路面上进行沥青混凝土罩面被公认为是一种可行、有效的恢复老路面使用性能的措施，加罩面沥青混凝土后的复合结构涉及刚性、柔性两种路面结构形式，不仅材料性能差异大，旧水泥混凝土面板受温度变化影响大，而且旧路面板上存在接缝和裂缝，并常常拌有错台、脱空等损坏现象，使得复合结构中奇异部位尤为突出，这
5、些都促使罩面层在对应旧路面板接缝或裂缝的位置上极易产生反射裂缝。 反射裂缝本身对于沥青混凝土面层或罩面层性能影响不大，其危害在于水分从裂缝中不断进入道路结构使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、错台、网裂、加速路面破坏，进而增加面层或罩面层的养护费用，大大缩短其寿命。相比而言，反射裂缝问题在旧水泥混凝土路面上加沥青混凝土罩面结构中更为突出，也是其罩面设计中所面临的一大难题。在有大量半刚性路面修建和水泥混凝土路面需要修复的今天，对反射裂缝问题进行深入研究不仅是必要的而且有重要的实用价值。 2 反射裂缝的产生机理 对反射裂缝的产生及其扩展机理认识直接关系到反射裂缝的防治问题，虽然各国的
6、研究人员对反射裂缝的产生机理进行了不懈的调查研究，但至今仍有许多问题存在争议。通常情况下，把反射裂缝产生的过程分为两个阶段：反射裂缝的产生阶段；反射裂缝的扩展过程。不同的阶段对应于沥青混合料的疲劳规律，裂缝的扩展阶段对应于断裂力学裂缝的疲劳扩展规律。 2.1 反射裂缝的产生 一般认为，反射裂缝的产生和发展是由于老路面或开裂基层在接缝或裂缝处不能很好地传递拉应力和剪应力，当接缝或裂缝两侧的老路面或基层发生移动（水平向、竖向）时，在接缝或裂缝顶面的沥青混凝土层中产生应力集中，其结果是造成反射裂缝。而老路面或基层的移动是温度变化、行驶车辆以及两者的综合作用的结果。为方便起见，常常把温度变化引起的反射
7、裂缝称为温度型反射裂缝；相应地，把行车荷载引起的反射裂缝称为荷载型反射裂缝。 2.1.1 温度型反射裂缝 在开裂基层（或老路）上铺厚沥青混凝土面层后，在冬季突然降温过程中，基层（或老路）的裂缝会由于温度收缩而继续拉开，它将给也在产生温度收缩的新铺沥青混凝土面层一个附加拉应力；两个拉应力叠加一旦超过沥青混和料的抗拉强度，新沥青混凝土表面在基层（或老路）裂缝的上方开裂，并逐渐向下延伸，直到与老路的裂缝相连，即形成对应裂缝。相反，在开裂基层（或老路）上铺薄沥青混凝土面层情况下，裂缝将从面层底面开始，面层底面一旦开裂，除在负温度下拉应力外，在正温差（升温造成的温差）下缝端产生的拉应力更大。因此，面层底
8、部的裂缝既可由于负温差也可由于正温差而向上扩展形成反射裂缝。 2.1.2 荷载型反射裂缝 行车荷载行驶经接缝或裂缝过程可分为 3 个阶段：轴载位于接、裂缝一侧时，接、裂缝两侧产生较大的相对位移，在沥青混凝土面层中造成较大的剪切应力；轴载位于接、裂缝顶面时，两侧无相对位移或相对位移较小，沥青混凝土面层主要承受弯拉应力作用；轴载驶离接、裂缝时，在整个过程中沥青混凝土面层受到两次剪切一次拉应力作用，其作用的直接结果是引起反射裂缝的产生和扩展，荷载因素是引起反射裂缝的一个重要因素。 当行车荷载驶经接缝且沥青混凝土罩面层与水泥混凝土板之间首先因竖向接应力不足而产生竖向接开，使得罩面层中的最大应力点出现在
9、距接缝一定距离处的沥青混凝土罩面层底面，并引发反射裂缝的产生和发展，由此造成接缝的“双裂缝反射”现象。 2.2 反射裂缝的扩展 传统的强度理论认为，当沥青混凝土罩面层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的极限强度时，沥青混凝土罩面层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青混凝土罩面层的反射裂缝从其产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在罩面层厚度方向上的扩展和其在表面的横向扩展。 2.2.1 反射裂缝的纵向扩展 断裂力学认为，裂缝的扩展有 3 种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式。其中，温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝影响的主要模式为张开模式和剪切模
10、式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝；在裂缝之前和在；之后的位置，主要以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在罩面层中不常出现。 与张开模式相对应的温度型反射裂缝通常产生于薄层罩面层底部，而后向上逐渐扩展到罩面层顶面。当沥青混凝土罩面层或面层较厚且气温较低时，裂缝产生在罩面层或面层的顶面和底面，而后向罩面层或面层中间扩展，形成所谓对应裂缝。 对于正荷载作用下的张开模式所对应的反射裂缝，一般产生于罩面层底面，在周期性荷载的作用下垂直向上扩展。在偏荷载作用时，反射裂缝以剪切模式在罩面层中向上扩展，Rigo 等人对其扩展路径进行了分析，认为裂缝在罩面层中是沿 450 角的方向向上扩展。同
11、济大学周富杰博士提出在荷载作用下，在接缝上的薄罩面层中出现“双裂缝反射”现象。 当车轮荷载（偏荷载）和温度应力共同作用于复合罩面结构时，Rigo 等人的分析结果显示，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。 2.2.2 反射裂缝的横向扩展 众所周知，反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度的，除非在应力作用时，裂缝的长度已经等于或大于相对于整个路面宽度的临界长度（这里的临界长度是指当裂缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且是不稳定的） 。较为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下，反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的，而行车荷载
12、则是以一定的频率分布在车道上的。与罩面开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水份的浸入、氧化以及行车荷载的反复作用，常常加速反射裂缝向四周扩展，但即使裂缝贯穿整个路面宽度，也不会立即影响到行车的舒适性。如果在罩面层与老路之间加入了防反措施，如加入了土工织物等不透水材料，即使反射裂缝出现在罩面层顶面，如果这些不透水材料仍不破裂，那么就可以减少环境因素的影响，使罩面层保持在一定的使用水平，直到反射裂缝处的材料出现恶化。因此，即使罩面层中出现了裂缝，路面并不就因此而“破坏”了，如何定义路面的损坏将直接关系到罩面层的设计寿命。 2.3 几种产生机理的总结 各地区的温度状况不同，各路段的交
13、通条件和现有路面的结构状况也不相同，因而，反射裂缝的产生有可能主要是温度原因引起的，也有可能主要是荷载作用引起的，或者是温度和荷载共同作用所造成的。 一种观点是国内外通过反射裂缝（对应裂缝）的大量调查研究得出：反射裂缝和对应裂缝由温度引起的（个别情况下是温度和荷载共同作用引起的） ，行车荷载型反射裂缝或对应裂缝需要相当多的荷载反复作用次数，实际中可能并不存在；在较薄的沥青混凝土面层的情况下，基层（或老路）的裂缝会由于温度应力而使面层底面先开裂，并较快形成反射裂缝；在较厚沥青混凝土面层的情况下，由于温度应力，基层的裂缝将促使面层表面先开裂，然后逐渐向下传播形成对应裂缝。 另一种观点是许多研究工作
14、者以及先前的许多道路工作者通过调查、试验和研究后得出：旧面层接缝（或裂缝）处的弯沉量和弯沉差是引起沥青混凝土罩面层产生反射裂缝的主要原因，因为行车荷载的施加速度远高于温度变化产生的面板伸缩位移的速度，也就是说行车荷载作用特别是偏荷载作用造成的剪切效应是形成反射裂缝的直接原因。他们认为应将研究重点放在荷载作用效应上。 研究表明，反射裂缝产生的主要原因除了取决于当地的温度状况、路段的交通条件和现有路面的结构状况等因素以外，还有一点，也是特别重要的一点许多道路研究工作者忽略了旧路面或基层原有接缝或裂缝的传荷能力（弯拉应力和剪切应力） 。若其传荷能力很强，则在反射裂缝的形成过程中，行车荷载的作用就很难
15、发挥出来，这时，温度因素起主导作用；相反，其传荷能力较弱，则行车荷载的作用可充分发挥作用，则荷载因素也是反射裂缝产生的一个主要因素。裂缝的宽度及断裂面的程度来反映。一般而言，缝宽大、程度小的。按照这种说法，前面两种观点都可以解释，只是他们针对的情况不同而已：前者的结论主要针对基层裂缝引起的反射裂缝而言；后者主要针对旧水泥混凝土接缝上的沥青混凝土罩面中出现的反射裂缝而言。基层裂缝宽度小、程度大的，传荷能力大；旧水泥混凝土接缝宽大、程度小的，传荷能力小。因而，在分析反射裂缝的形成原因时，应将前述两种情况分开考虑。 3 反射裂缝的常用防冶对策 反射裂缝的产生是多种原因造成的，故其防冶应是一个综合治理
16、的过程。应从修建沥青混凝土路面或罩面前的防裂设计和反射裂缝出现后的维修两方面来综合治理。仅依靠维修的常规做法，进行表层处理，薄层封层等，只能治表不治本。因此，需要对沥青混凝土路面（或罩面）反射裂缝进行综合防治，在设计、施工、选用材料等方面充分考虑反射裂缝问题。 在几十年的防治反射裂缝的实践中，国内外的研究人员进行了大量试验，先后尝试了多种防治措施。这些措施涉及沥青混凝土路面结构的各个层次，根据其结构层次的不同，大致可分为 3 类：改正沥青混凝土路面（或罩面）层性能、设置中间夹层和处治老路面层。 3.1 新建沥青混凝土路面 对于新建沥青混凝土路面，为了防治反射裂缝，主要应从结构和材料两方面进行考
17、虑。根据反射裂缝产生机理，可采用如下措施： 面层厚度应保证超过 15cm，可有效防止受拉疲劳产生的裂缝，还可以降低车辆荷载引起的剪应力； 材料设计中适当增加沥青用量，减小混合料空隙率，可延缓裂缝的扩展，增加沥青混凝土路面（或罩面）的使用寿命； 设计采用应力吸收层，就目前的常用材料而言，可采用土工织物与沥青橡胶薄膜效果较好； 面层可考虑采用碎石玛蹄脂沥青混合料（SMA） ； 使用改性沥青，改性剂可采用橡胶、SBS、PE 等的一种或几种同时采用，是一种经济有效的方法。 3.2 沥青混凝土罩面 老沥青混凝土路面上铺沥青混凝土罩面愤怒时，在一定环境条件下采用下列措施可延缓反射裂缝： 用低稠度（针入度
18、200300）优质沥青做沥青混凝土罩面层； 加热翻松重新拌和老路面，并加一新沥青混合料层； 聚合物改性沥青混凝土中间层（应弯消减/应力吸收膜中间层） ，同时用聚合物沥青或其它优质沥青做沥青混凝土罩面； 级配碎石中间层； 某些土工织物中间层，能延缓反射缝而不能延缓温度裂缝； 增加罩面层厚度； 在老沥青混凝土路面的强度或弯沉值基本符合要求的情况下，用聚合物改性沥青混凝土做单层或双层表面处治（即封层） 。 在旧水泥混凝土路面上加沥青混凝土罩面时，在一定环境条件下采用下列措施可延缓反射裂缝： 厚层优质沥青混凝土罩面层（150mm 以上） ； 预制织物膜带； 90mm 厚开级配沥青混凝土土底层混合料；
19、用金属网或玻璃丝网等加强沥青混凝土的抵抗差动位移（剪切强度）的能力，同时用优质沥青（包括聚合物改性沥青）做沥青混凝土罩面层。此外，加强施工控制，保证在制备沥青混合料过程中不使沥青过分老化（控制沥青的加热温度和加热时间）和加强碾压使沥青混合料达到高的密实度（如 98%以上）都有助于减少反射缝。在沥青混凝土路面裂缝产生后，应及时进行维修控制裂缝的进一步发展，防止沥青混凝土路面早期破坏。 4 结语 沥青混凝土路面反射裂缝问题，国内外进行了广泛而深入的研究，但由于问题的复杂性仍未很好地解决，对反射裂缝机理还应进行系统的分析，对防治对策应进行相应的实体工程实验验证，这些方面的课题值得深入系统地探讨。 参考文献： 1公路路面基层施工技术规范JTJ0342000 2公路沥青路面设计规范JTG D502006
