居瑋

摘要 為了提高公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)水平，文章以某高速公路瀝青路面為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)了橫向裂縫、縱裂裂縫、龜裂、塊裂等裂縫的占比，并從車輛荷載、溫度變化、瀝青混凝土老化、雨水沖刷等方面分析了裂縫的成因。其次，基于室內(nèi)試驗(yàn)法對(duì)比了4種裂縫修補(bǔ)材料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。最后，闡述了瀝青路面裂縫的修補(bǔ)時(shí)間、工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)，研究成果可為瀝青路面裂縫處理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 瀝青路面；裂縫成因；修補(bǔ)材料；修補(bǔ)工藝；修補(bǔ)效果

中圖分類號(hào) U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0029-04

0 引言

瀝青混凝土是公路工程中最常用的路面材料。但是，公路經(jīng)過長期運(yùn)行，瀝青混凝土在車輛荷載、高溫、低溫、降雨、降雪等因素的作用下容易開裂，產(chǎn)生各種裂縫，不僅影響了公路的外觀和承載性能，還降低了公路的通行能力和行車安全性。同時(shí)，很多公路管養(yǎng)人員在制定裂縫修補(bǔ)方案時(shí)會(huì)盲目參考類似項(xiàng)目的圖紙或經(jīng)驗(yàn)，對(duì)裂縫成因理解不透徹，導(dǎo)致修補(bǔ)方案適用性差。因此，進(jìn)一步研究公路瀝青路面裂縫成因及修補(bǔ)技術(shù)具有重要意義。

1 既有公路裂縫調(diào)查

1.1 工程概況

該文研究對(duì)象為某高速公路，其路線全長36.8 km，起點(diǎn)樁號(hào)為K0+000、終點(diǎn)樁號(hào)為K36+800，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為雙向四車道，寬度為25.5 m，雙向行車道和硬路肩均采用半剛性基層瀝青混合料路面，且路面結(jié)構(gòu)層相同。瀝青路面厚度為74 cm，具體結(jié)構(gòu)組合如表1所示[1]：

道路所在區(qū)域?yàn)闆_洪擊平原二級(jí)階地，階面寬闊平整、地面起伏不大、地勢(shì)南高北低，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)區(qū)，夏季高溫持續(xù)時(shí)間長、冬季寒冷干燥，年降水量為580～750 mm，7月、8月、9月是明顯的降水高峰期，可占全年降水量的50%。

1.2 路面裂縫調(diào)查

近年來，公路兩側(cè)建立了許多物流園區(qū)，重載車輛不斷增加，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)了各種病害。鑒于此，該文針對(duì)公路沿線的路面裂縫開展了調(diào)查，得到了不同裂縫的占比，如圖1所示。

在瀝青路面裂縫中，其占比大小關(guān)系如下：橫向裂縫（50.5%）＞縱向裂縫（25.5%）＞塊裂（12%）＞龜裂（9%）＞其他（3%）。

2 瀝青路面裂縫成因分析

2.1 瀝青路面橫向裂縫成因

橫向裂縫基本與公路行車方向垂直，包括荷載型裂縫、非載荷型裂縫兩類，不同裂縫的成因分別闡述如下[2]：

（1）荷載型裂縫。在車輛行車荷載作用下，尤其是重載或超載路段，路面面層底部會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。當(dāng)路面面層的層底產(chǎn)生的瞬時(shí)拉應(yīng)力大于瀝青混合料的極限抗拉強(qiáng)度，路面開始產(chǎn)生微裂縫。同時(shí)，微裂縫頂端會(huì)出現(xiàn)“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，使得微裂縫向上不斷擴(kuò)展，最終貫穿至路表。

（2）非荷載型裂縫。瀝青混凝土具有明顯的“冷縮”特性。當(dāng)路面所處環(huán)境的氣溫驟然降低（短時(shí)間內(nèi)氣溫變化劇烈），瀝青混凝土的體積將會(huì)收縮。但是，瀝青混凝土的收縮會(huì)受到限制，從而在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力大于瀝青混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，路面會(huì)開裂。由此可知，瀝青路面的非荷載型裂縫大部分較規(guī)則，裂縫深度、寬度直接取決于當(dāng)?shù)販囟雀叩图白兓?/p>

2.2 瀝青路面縱向裂縫成因

縱向裂縫方向與公路行車方向基本平行，其成因如下：

一是路基沉陷。當(dāng)路基出現(xiàn)沉陷后，大部分外界荷載由瀝青路面面層承擔(dān)。此時(shí)，位于車輪下方一定深度范圍內(nèi)的瀝青混凝土要同時(shí)承擔(dān)拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，且拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力快速增大。當(dāng)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力滿足式（1）和式（2）時(shí)，路面就會(huì)在A點(diǎn)被拉裂或剪切破壞，如圖2所示[3]：

T≥Tmax （1）

F≥σtanφ+c （2）

式中，T、F——A點(diǎn)所受的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力；Tmax

——瀝青混凝土的容許拉應(yīng)力；σ——A點(diǎn)所受荷載的垂直分量；c——瀝青混凝土黏聚力（kPa）；φ——瀝青混凝土內(nèi)摩擦角（°）。

二是排水不暢。如果公路排水設(shè)施設(shè)置不合理，降雨徑流不能快速排出至用地范圍外，使得路面積水，并沿著路面結(jié)構(gòu)空隙滲入路基中。一旦路基長期被水浸泡，其承載力會(huì)大幅下降。在相同車輛荷載作用下，更容易出現(xiàn)路基沉陷問題，進(jìn)一步加劇縱向裂縫[4]。

三是路面接縫壓實(shí)不足。在分幅施工的瀝青路面中，如果縱向搭接位置的壓實(shí)度不足，外界環(huán)境中的水分、空氣等會(huì)沿著接縫處的空隙滲入，加速瀝青老化，使得瀝青混凝土脆性提高。此時(shí)，在車輛荷載反復(fù)作用下，路面容易沿著行車方向剪切開裂。

2.3 瀝青路面塊裂成因

瀝青路面塊裂呈大塊多邊形，短邊長度＜40 cm，長邊長度＜300 cm，且具有明顯的棱角，多出現(xiàn)在較開闊的路段。瀝青混凝土老化是瀝青路面出現(xiàn)塊裂的主要成因，具體老化過程可分為以下兩個(gè)階段[5]：

（1）拌和階段老化。瀝青混凝土在攪拌機(jī)中攪拌時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。一般情況下，拌和溫度越高，因氧化反應(yīng)引起的瀝青混凝土老化越嚴(yán)重。同時(shí)，如果瀝青混凝土的拌和時(shí)間過長，也會(huì)加劇瀝青混凝土老化。經(jīng)拌和老化后，瀝青混凝土?xí)冇?、變脆，路用性能變差?/p>

（2）運(yùn)營階段老化。公路投入運(yùn)營后，瀝青路面受到降雨、降雪、氣候變化等因素的影響也會(huì)出現(xiàn)老化。鑒于此，該文收集了某地區(qū)公路的運(yùn)營資料，以針入度（見圖3所示）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青路面不同層位的老化程度。

由圖3可知，在公路運(yùn)營時(shí)間相同的條件下，越靠近路表的位置，其針入度越小，老化問題越嚴(yán)重；同時(shí)，隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，瀝青路面上面層、中面層、下面層之間的針入度差值呈減小趨勢(shì)；對(duì)于同一路面結(jié)構(gòu)層，其針入度隨運(yùn)營時(shí)間的增加不斷減小，即運(yùn)營時(shí)間越長，瀝青路面老化越嚴(yán)重。

2.4 瀝青路面龜裂成因

瀝青路面龜裂呈一連串的小多邊形或小網(wǎng)格狀，其短邊長度一般不大于10 cm。結(jié)合相關(guān)研究成果，龜裂也可叫疲勞裂縫，主要是因?yàn)檐囕v荷載的反復(fù)碾壓，使得瀝青路面的變形超出設(shè)計(jì)值，無法繼續(xù)承載，因此形成瀝青路面的龜裂。在龜裂產(chǎn)生初期，基本不會(huì)影響路面性能；當(dāng)龜裂面積達(dá)到某一臨界值，會(huì)形成坑槽，不利于行車安全[6]。

3 瀝青路面裂縫修補(bǔ)材料性能

3.1 裂縫修補(bǔ)材料分類

目前，公路瀝青路面裂縫修補(bǔ)常用的材料有加熱施工類、常溫施工類、專用材料類，不同材料的具體特點(diǎn)見表2所示[7]。

3.2 裂縫修補(bǔ)材料性能評(píng)價(jià)

由于該公路瀝青路面沿線的夏季高溫持續(xù)時(shí)間長、冬季寒冷干燥，可將高溫、低溫視作影響裂縫修補(bǔ)材料性能的重要因素[8]。鑒于此，該文選取4種常用的裂縫修補(bǔ)材料（70#道路石油瀝青、SBS改性瀝青、RTA、樹脂類密封膠），對(duì)其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行分析，試驗(yàn)方法應(yīng)嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011，簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）開展。

（1）高溫穩(wěn)定性。在夏季連續(xù)高溫環(huán)境中，許多裂縫修補(bǔ)材料受熱后都有一定的軟化，甚至出現(xiàn)“流淌”問題。此時(shí)，在車輛荷載影響下，裂縫修補(bǔ)材料容易出現(xiàn)被擠出或溢出的問題，使得裂縫修補(bǔ)失敗，故裂縫修補(bǔ)材料的高溫穩(wěn)定性是指其在高溫環(huán)境中的軟化能力[9]。

利用《規(guī)程》中的“環(huán)球法”測(cè)量4種裂縫修補(bǔ)材料的軟化點(diǎn)。每個(gè)材料取3組平行試驗(yàn)，取平均值作為該材料的軟化點(diǎn)。需注意，3組試驗(yàn)的軟化點(diǎn)測(cè)定結(jié)果變異系數(shù)應(yīng)控制在10%內(nèi)。不同裂縫修補(bǔ)材料的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

不同裂縫修補(bǔ)材料在高溫條件下軟化點(diǎn)大小關(guān)系為：樹脂類密封膠＞RTA＞SBS改性瀝青＞70#道路石油瀝青。一般情況下，材料軟化點(diǎn)越高，其高溫穩(wěn)定性越好。因此，樹脂類密封膠的高溫穩(wěn)定性最好，70#道路石油瀝青最差。

（2）低溫抗裂性。在冬季連續(xù)低溫環(huán)境中，裂縫修補(bǔ)材料不可避免地會(huì)變脆，變形不易恢復(fù)。一旦受到車輛荷載，容易因拉伸而斷裂，故裂縫修補(bǔ)材料的低溫抗裂性可用彈性恢復(fù)能力評(píng)價(jià)[10]。

在5 ℃低溫環(huán)境下，根據(jù)《規(guī)程》測(cè)定不同裂縫修補(bǔ)材料的延度。每個(gè)材料取3組平行試驗(yàn)，取平均值作為該材料的延度。需注意，3組試驗(yàn)的延度測(cè)定結(jié)果變異系數(shù)應(yīng)控制在10%內(nèi)。不同裂縫修補(bǔ)材料的延度試驗(yàn)結(jié)果見表4所示。

不同裂縫修補(bǔ)材料在5 ℃低溫環(huán)境條件下的延度大小關(guān)系為：樹脂類密封膠＞SBS改性瀝青＞70#道路石油瀝青＞RTA。一般情況下，材料延度越大，其低溫抗裂性越好。因此，樹脂類密封膠的低溫抗裂性最好，RTA最差。

綜上，建議采用高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性較好的樹脂類密封膠作為該公路的路面裂縫修補(bǔ)材料。

4 瀝青路面裂縫修補(bǔ)要點(diǎn)

4.1 裂縫修補(bǔ)時(shí)間

瀝青混凝土具有明顯的“熱脹冷縮”特性。如果在夏季高溫條件下修補(bǔ)裂縫，瀝青混凝土受熱膨脹，裂縫寬度會(huì)縮小，使得灌入的密封膠偏少。而在冬季低溫條件下修補(bǔ)裂縫，瀝青混凝土體積收縮，裂縫寬度增加，需灌入更多的密封膠。因此，建議在溫度適宜的春季或秋季開展瀝青路面裂縫的修補(bǔ)作業(yè)。

4.2 裂縫修補(bǔ)工藝

裂縫修補(bǔ)施工工藝有直接灌縫和開槽灌縫兩種，應(yīng)根據(jù)瀝青路面上的裂縫寬度選擇。

（1）直接灌縫。當(dāng)裂縫寬度＜3 mm，可采用直接灌縫工藝。該工藝不需要切縫，施工簡(jiǎn)單，灌縫后能起到長時(shí)間封水作用。但是，直接灌縫工藝應(yīng)控制好裂縫修補(bǔ)材料的溫度。若灌縫膠溫度過高，會(huì)提前老化，性能下降。反之，灌縫膠流動(dòng)度不足，難以完全填充裂縫，修補(bǔ)效果差。

（2）開槽灌縫。當(dāng)裂縫寬度≥3 mm，可采用開槽灌縫工藝。該工藝灌漿飽滿，對(duì)裂縫修補(bǔ)效果好，且修補(bǔ)后使用壽命較長（可達(dá)3年），但前期投入人員和機(jī)械設(shè)備多。其具體施工流程如下：第一，開槽。需先利用專門的開槽機(jī)在裂縫位置開槽，切割裂縫壁松動(dòng)集料。第二，清縫灌漿。利用壓縮空氣或高壓水將槽內(nèi)的雜物清理干凈（如遇到難以清理的粘附性雜物，可用鋼絲刷清理），再均勻灌入密封膠。第三，開放交通。待裂縫修補(bǔ)完成2 h、材料達(dá)到凝固要求，才能撤出路障，開放交通。

（3）質(zhì)量控制要點(diǎn)。為了保證裂縫修補(bǔ)質(zhì)量，灌縫時(shí)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，具體控制標(biāo)準(zhǔn)及檢查頻次見表5所示。

5 結(jié)語

該文以某高速公路瀝青路面為研究對(duì)象，分析了不同裂縫的成因及修補(bǔ)材料、修補(bǔ)施工要點(diǎn)等，得到了以下幾個(gè)研究成果：

（1）公路瀝青路面經(jīng)過長期運(yùn)營，容易出現(xiàn)橫向裂縫、縱裂裂縫、龜裂、塊裂等，其中橫向裂縫的占比最高。

（2）不同裂縫的成因不同，但基本與車輛荷載反復(fù)作用、溫度變化、瀝青混凝土老化、雨水沖刷等因素密切相關(guān)。

（3）瀝青路面裂縫修補(bǔ)材料應(yīng)優(yōu)先選用高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性較好的樹脂類密封膠。

（4）為了保證裂縫修補(bǔ)質(zhì)量，應(yīng)盡量在春季或秋季灌縫處理，并根據(jù)裂縫寬度選擇直接灌縫或開槽灌縫工藝。

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