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沥青路面裂缝类型及结构层疲劳断裂性能影响因素分析

高峰
摘要：分析沥青路面裂缝的主要类型有：自下而上荷载疲劳裂缝、自上而下荷载疲劳裂缝、反射裂缝、低温裂缝和温度疲劳裂缝，指出形成荷载型裂缝的主要原因有：沥青路面结构层层底弯拉应力超过材料的容许弯拉应力；钢桥面铺装表面的负弯矩作用；集中于沥青路面轮迹带附近的剪切、弯拉等复杂的力学作用。随后对沥青路面结构层材料疲劳断裂性能的影响因素进行分析，发现主要影响因素有：沥青胶浆的疲劳断裂性能；空隙率及其分布；矿物级配及集料颗粒分布；沥青胶浆与集料颗粒界面粘结性能。
关键词：沥青路面，裂缝，疲劳断裂
1.沥青路面裂缝类型
开裂是沥青路面常见的一种损坏形式，开裂的原因是多方面的，有可能是荷载的原因，有可能是下卧层不均匀或开裂的原因，有可能是低温收缩的原因，有可能是高低温变化导致疲劳的原因，也有可能是两种或者多种原因的综合作用，但是裂缝的基本形式主要有以下四种，见图1：自下而上荷载疲劳裂缝、自上而下荷载疲劳裂缝、反射裂缝、低温裂缝和温度疲劳裂缝。沥青路面的裂缝按其在路面上的空间分布形式可以分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝；按其是否由荷载原因引起可以分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝按其在竖向的扩展路径又可分为自下而上裂缝和自上而下裂缝，自下而上扩展裂缝是符合路面结构层底受弯，在层底弯拉应力大于材料的容许弯拉应力时开裂破坏，并逐渐向上扩展理论的一种典型的路面疲劳开裂形式，由结构层底面拉应力引起的疲劳破坏首先从底基层、基层或者面层产生疲劳破坏，在车辆荷载的反复作用下，裂缝逐渐向上扩展至表面，随着沥青路面的厚度逐渐增加和柔性基层的逐渐使用，该种裂缝形式逐渐减少；自上而下扩展裂缝，近来更多确认产生于沥青路面表面沿轮迹带方向，由表面扩展进入面层、基层及以下路面结构层里，在路面表面经常表现为纵向裂纹。
（a）自下而上载荷疲劳裂缝（b）自上而下载荷疲劳
（c）反射裂缝 （d）低温裂缝和温度疲劳裂缝
图1沥青路面裂缝的主要形式
下面就荷载型裂缝和非荷载型裂缝分别对沥青路面裂缝的成因进行分析。形成荷载型裂缝的主要原因有：
（1）沥青路面结构层层底的拉应力大于材料的容许拉应力。这种裂缝从下往上扩展，一般为横缝，是一种经典的沥青路面荷载开裂形式。
（2）正交异性钢桥面铺装层顶部受到的负弯矩作用而产生疲劳开裂，多见于行车道的车轮附近和两车轮中间。
（3）剪切、弯拉、撕拉等复杂的力学作用。这种裂缝多为纵缝，多见于车轮附近以及两个车轮之间的路面，容易发生在交通量大的较薄的沥青路面另外在交通量大的柔性基层沥青路面和较厚沥青层的半刚性沥青路面的表面也容易发生。
（4）路面的整体承载能力不足。
形成非荷载型裂缝的主要原因有：
（1）路基的不均匀沉降。在道路拓宽时，新旧路基衔接不好时产生差异沉降可能会导致沥青路面产生纵向裂缝；软基或者高填方路基处理不好也会产生差异沉降，从而可能导致沥青路面开裂。
（2）基层裂缝的反射。基层的裂缝一方面可以在交通荷载的作用下反射到路面，另一方面可以在基层裂缝在温度应力的作用下继续张开时由于基层和面层的摩擦约束力在面层内引起的拉伸应力超过面层材料的抗拉强度而产生面层开裂，一般多是在两者的综合作用下基层的纵向裂缝反射到路面。
（3）低温收缩作用。在寒冷的天气里，沥青路面的材料会产生收缩，可能会促使沥青路面开裂。另外，在寒冷天气中，上层的温度比下层的温度低，结果因深度不同而收缩量不同，会引起路面的翘曲，自然会对路面材料施加翘曲应力，有可能使得沥青路面开裂，裂缝多为横缝。
（4）温度疲劳作用。因季节、早晚气温的不同，而频繁、交替的使沥青路面材料收缩、膨胀，从而可能产生温度疲劳裂缝，裂缝多为撗缝。
温度疲劳裂缝和低温裂缝可通过选择合适的胶结物加以控制。反射裂缝可通过改善基层及以下各层的均匀状况，使用柔性基层，设应力吸收层的办法加以控制，另外，沥青路面结构层的抗疲劳断裂能力的增强也会对反射裂缝的扩展起到阻止或者延缓的作用。
荷载疲劳裂缝的控制一方面需要设置合理的路面结构，另一方面更需要沥青路面结构层具有很好的抗疲劳断裂性能。
2沥青路面结构层材料疲劳断裂性能影响因素分析
近代某些研究认为沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系。它是以粗集料为分散相，分散在沥青砂浆介质中的一种粗分散系；同样，沥青砂浆是以细集料为分散相，分散在沥青胶浆介质中的一种细分散系；沥青胶浆是以填料为分散相，分散在沥青介质中的一种微分散系。
沥青路面结构层的疲劳断裂破坏机理极其复杂，影响沥青混合料疲劳断裂性能的因素众多，并且各因素之间相互作用。将影响沥青混合料疲劳断裂性能的因素按其所表征的特性不同分为外部因素和内部因素两大类。将那些用于表征外在环境（条件）状态的因素统称为外部因素，外部因素主要包括荷载形式和大小、温度、湿度、下卧层的强度和刚度等；而那些用于表征沥青路面结构层混合料内在组成特性的因素则统称为内部因素，内部因素主要包括沥青胶浆的性能、空隙率及其分布、矿物级配及矿物颗粒的分布情况、沥青胶浆与矿物颗粒界面的性能等。
2.1沥青胶浆性能对混合料疲劳断裂性能的影响。法国道桥中心实验室（简称LCPC）通过实验发现,沥青混合料中的疲劳破坏主要是由于沥青胶浆的开裂或者损伤引起的,即认为疲劳产生于胶浆中并在胶浆中扩展。进一步确定了沥青胶浆性能在沥青混合料疲劳特性中所起的重要影响,因此对沥青胶浆的疲劳特性进行研究是非常必要的。
沥青胶浆的主要成分是沥青和矿粉。沥青胶浆的疲劳断裂性能是由沥青的性能、粉胶比、沥青和矿粉的粘附性决定的。
加利福尼亚大学伯克力分校的研究人员在为SHRP的疲劳性能研究报告（编号：SHRP-A-404）中指出：“当沥青用量由4.5%增加至6%时，将会使疲劳寿命提高67%”。
随后加利福尼亚大学伯克力分校在为加利福尼亚州交通部的疲劳性能研究课题报告（编号：RTA-65W485-2）中指出：“当沥青用量上升1%，将使得疲劳寿命提高12%。”沥青的性能取决于所使用的沥青，沥青和矿粉的粘附性主要取决于矿粉的岩性和表面粗糙程度，这些性能不受沥青路面的施工过程影响，但是沥青胶浆的粉胶比则极易受施工的影响，影响因素有拌和楼矿粉供应系统和沥青供应系统的稳定性、除尘设备的除尘能力及其稳定性、石料的含泥量及其稳定性。
2.2空隙率及其分布对混合料疲劳断裂性能的影响。加利福尼亚大学伯克力分校的研究人员在为SHRP的疲劳性能研究报告（编号：SHRP-A-404）中指出：“当空隙率从由4%增大至8%的时候，将会使得疲劳寿命下降45%”。随后加利福尼亚大学伯克力分校在为加利福尼亚州交通部的疲劳性能研究课题报告（编号：RTA-65W485-2）中指出：“当而空隙率上升1%，将使得疲劳寿命下降30%。”
沥青混合料的空隙率主要受压实功、矿料级配、沥青胶浆占混合料的百分比影响，在沥青路面的施工过程中，矿料级配变异、摊铺机摊铺速度过快、压路机的数量和吨位不足、混合料温度过低等因素都会导致沥青路面结构层的空隙率过大。
2.3矿料级配及集料颗粒分布对混合料疲劳断裂性能的影响。在沥青混合料中，其中集料颗粒的强度和刚度都一般都大于沥青胶浆的强度和刚度。若在给定载荷下裂缝从处于强度较低的沥青胶浆中或者存在与集料颗粒与沥青胶浆的界面开始扩展，则在其扩展过程中有很大的机率会碰到集料颗粒，因而受到阻挡。在大多数情况下，裂纹绕过集料颗粒扩展比穿过集料颗粒所需要的能量小，故经常出现是的在载荷增加到使颗粒断裂之前，裂缝己绕过集料颗粒扩展了这样也增加了裂纹的引伸长度，偏转了裂纹伸展方向，因而吸收了更大的能量，起了阻裂作用。故矿物级配和集料颗粒的分布对裂缝的扩展起到很重要的影响作用。
在沥青路面施工过程中，沥青混合料中矿料级配的变异是极容易发生的，影响级配变异的因素众多，在混合料的拌合过程中，冷石料的级配稳定性、拌和楼的称量精度、操作人员的技术水平等都可能影响矿料级配；在混合料的运输、摊铺、碾压环节，造成的混合料离析也会影响矿料的级配。
2.4沥青胶浆与集料颗粒界面粘结性能对混合料疲劳断裂性能的影响。对沥青混合料破坏而言，沥青胶浆与集料颗粒之间的界面也是一项重要的内部结构特征。虽然由于化学和力学的原因，沥青胶浆与集料颗粒界面上具有一定的粘结力，但由于材料间的物理和化学性质显著不同，从力学性质上来看，它仍然是混合料结构中的薄弱环节。
裂缝在沥青路面结构层混合料中扩展，沥青胶浆与集料颗粒界面的粘结力影响着这种扩展的难易程度。沥青胶浆与集料颗粒界面的粘结力主要受集料颗粒的岩性、集料颗粒的表面纹理影响。
3结论
疲劳开裂是沥青路面的一项主要的损坏形式，保证沥青路面的疲劳寿命在设计使用年限之上是沥青路面设计的一项重要原则，沥青路面结构层材料的疲劳断裂性能直接关系到沥青路面的疲劳寿命，因此有必要进行沥青路面裂缝类型及结构层疲劳断裂性能影响因素分析，保证实际铺筑的沥青路面结构层(而不是拌合厂拌制的沥青混合料)具有设计的疲劳断裂性能。
参考文献
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