城市旧水泥混凝土路面加铺沥青面层裂缝病害研究.pdf

第2 7卷第2期 2 0 1 0年 6月 华中科技大学学报( 城市科学版) J ．o f H U S T ．( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) Vol _ 2 7 No ． 2 J u n ． 2 0 1 0 城市 旧水泥混凝土路 面加铺沥青面层 裂缝病 害研 究 彭自 强 ， 李 辉 ， 徐一心 ， 李纲 ( 1 ． 武汉理工大学土木工程与建筑学院， 湖北武汉4 3 0 0 7 0 ； 2 ． 武汉市市政工程质量监督站， 湖北武汉4 3 0 0 1 0 ； 3 ． 武汉钢铁股份公司运输部，湖北武汉4 3 0 0 8 1 ) 摘要： 旧路面加铺沥青面层越来越多地出现在城市道路中， 加铺路面病害也 13 益显著， 极大影响了城市形象 以及交通行车质量。经调查 ， 旧水泥混凝土加铺沥青路面裂缝类病害最严重， 也最普遍； 另外 ， 城市道路由于其 不同的行 车特点 以及施工周 期 ， 破坏特点和机理 有不同于一般 的高速公路之处 ， 而 国内的研究更注重高 速公路 病害。本文首先对武汉市几条 主干道 的病害规律进行 了统计 ， 列出典型反射裂缝 照片 ， 并通过路面钻取 芯样进 行了室内试验 ， 论证了反射裂缝是加铺层设计中主要应该面对的问题， 并提出一些沥青加铺层改进措施。 关键词： 加铺层反射裂缝： 旧水泥混凝土路面； 城市道路； 基层 中图分类号 ： U 4 1 8 ． 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 0 4 0 - 0 4 近年来 ， 城市 旧混凝土路面加铺沥青面层越 来越多 ， 特别在水泥混凝土路面较 多的南方 城市 尤为普遍 。但经过 7年左右 的使用期后， 路 面病 害以裂缝类尤为突出 ， 严重影响城市形象以及交 通行车质量。在加铺沥青路 面病害分析方面 ， 国 内对高速公路做的 比较多， 而城 市道路 由于其路 况复杂 ， 基层多样 ， 交通渠化 ， 行车速度 、 方向以及 行车载重都具有不确定性 等因素 ， 其病害因素与 高速公路有着很大 的区别 。 1 项 目背景 为了解武汉市加铺路 面病 害成 因，“ 武汉市 城市道路沥青路面病害成因及 防治对策研究” 项 目组通过现场统计得到路面沥青病害的类别与分 布规律 ， 并通过路面钻芯取样和室内试验分析， 拟 提出关于沥青路面设计施工的合理建议， 推行先 进的技术 和工 艺。本项研 究选择 了武汉市洪 山 路 、 武珞路 、 关 山大道、 解放大道 、 建设大道 、 中山 大道、 白沙洲大桥、 长江一桥 、 长江二桥作为研究 对象， 下文中编号 1～ 9的路段 即为此 9条路 ( 无 对应 关 系 ) 。 2路面调查结果及分析 2 ． 1 各路段各类病害扣分情况 依据《 城镇道路养护技术规范 C J J 3 6 - 2 0 0 6 ) ) ， 得到如下各路段扣分值 的调查结果 ( 依据病害密 度得到扣分值 ) ， 见图 1 ～图4 。 8 9 9 7 8 4 2 盘3 6 5 1 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 l 8 扣分 值 图 1 裂缝类破 坏扣分值对 比 扣分 值 图 2 松散类破坏扣分值对比 8 ] L 5 1 - _ _ _ _ _ - - - - _ 6] — _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l 塞 1 1 _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - - - - 3 1 _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4■ ■■ ● ■● ■ ■■ ■ ■● ● ■ ■ ● ●■ ■ ●■ ● ● ● ● ■● —● 2 0 2 4 6 8 l 0 l 2 14 1 6 18 扣分 值 图 3 变形类破坏扣分值对 比 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 3 - 2 2 作者简介 ：彭 自强( 1 9 7 5 一 )， 男 ， 湖北 黄陂人 ， 副教授 ， 工学博士 ， 研究方向为结构理论与计算， p e n g z q q @ 1 2 6 ． c o rn。 第2期 彭 自强等： 城市旧水泥混凝土路面加铺沥青面层裂缝病害研究 4 1 7 9 5 8 6 酱 4 2 3 l o 2 4 6 8 1 o l 2 l 4 1 6 1 8 扣分 值 图4 其他类破坏扣分值对比 2 ． 2数据分析 由图可知 ， 裂缝类病害所 占比例最大 ， 也最为 普遍 ， 变形类破坏也十分严重 ， 如图 3所示。变形 类破坏主要是 由于交通渠化 、 行车量大和车速慢 引起的车辙破坏。裂缝类病害普遍存在 ， 即使是 关 山大道 ， 由于其车辆少 ， 路面宽， 路面负荷小 ， 且 基层大部分为水泥稳定碎石 ， 路况很好 ， 但其仍有 少量的线裂病 害， 洪山路也是如此 ， 基本 只有线 裂 ， 无其他病害。裂缝类病害成为城市沥青路 面 中发生率最高 的病害类 型， 且线裂在车载 以及温 度的影响下应力集 中会更加 明显 ， 从而进一步发 展成为网裂、 碎裂 、 坑槽以及极具破坏力的病害。 其普遍性以及严重性值得我们关注与深究。 3 芯样分析 3 ． 1 钻芯取样 现场取芯共 1 0 2个 ， 观察芯样下基层情况 ， 记 录裂缝状况。芯样显示 ， 百分之九十的横向裂缝 、 纵向裂缝甚至网裂下均存在旧混凝土基层 的裂缝 或缺陷。几乎所有的病害处基层都可以发现明显 的缺陷或损伤 ， 具体见图 5～图 8 。 图 5建设大道横裂处 在调查的路段 中， 很 多路段在加铺过程 中使 用了涤纶长丝单面烧毛土工布以及玻纤格栅等防 反射裂缝措施 ； 个 别路段在旧裂缝中填灌 了 A C — l O沥青砂 ； 其中一段有土工布处理 ， 无其它病害 ， 但也出现了相当频繁的反射裂缝 ； 某段路加铺设 计 中甚至使用 了传 力杆 以及 聚氯 乙烯胶 泥填缝 ， 但仍然有着严重 的裂缝病害。因此 ， 此类措施在 防止城市道路反射裂缝中的作用值得商榷 。 图 6 洪山路线裂处 图7 建设大道横裂处基层 图 8 中山大道网裂处基层 3 ． 2 强度及水稳性效验 3． 2 ． 1强度 结果 以上芯样均在病害处取得， 在其相应路 缘处 取得的完好芯样的马歇尔稳定度试验及浸水马歇 尔稳定度试验结果如表 l和表 2 。 表 1 芯样 马歇 尔残 留稳定度 武珞路 试样编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 稳 帘摩／ k N 1 2 ． 3 7 ． 4 7 ． 7 2 4 ． O l 2 ． 5 1 0 ． 4 1 6 ． 3 1 4 ． 5 1 3 ． 2 ——堡垫 道 试样编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 稳定度／ k N 1 8 ． 1 1 0 ． 8】 1 ． 0 1 7 ， 8 7 ． 6 5 ． 2 8 ． 1 4 ． 1 1 6 ． 3 中山大道 试样编号 1 2 3 4 5 稳定度／ k N 1 7 ． 5 9 ． 9 l 1 ． 4 1 3 ． 3 1 3 ． 3 注 ： 本试验中为现场路 面钻取 芯样 ， 非标准试 件 ， 因此所得结 果均依据 J rr J 0 5 2 - 2 0 0 0 ,~ 公路工程沥青及 沥青混合 料试验规 程》， 采用现场钻取芯样试件 高度修 正系数后所得 的结果 ， 后 同。 表 2 芯样浸水马歇 尔残留稳定度 试件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 1 O l 1 l 2 N 川 z ． 1 0 ． 8 1 1 , 4 1 3 ． 3 ． ． s ． s ， ． s ． s - o - s 1 1 ． 2 6 ． 6 1 0． 8 I 1 ． s ， s ⋯s ⋯ ⋯s 4 2 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 1 0年 3． 2 ． 2水 稳 性 结 果 另外 ， 冻融劈 裂残 留强度 比的试验 由于取样 离散型的原因， 数据的整体趋势不强， 但在冻融劈 裂的试验中， 其强度也与未经冻融 的试样相 差无 几 ， 甚至出现了冻融后试样 强度 更高的情况。旧 路面车载的碾压和剪切作用 ， 路基的不平整性 ， 以 及材料的不均匀性均可能是其离散的原因。 3 ． 2 ． 3对 比结论 根据《 公路沥青路面施工技术规范》 J T G F 4 0 ． 2 0 0 4 ， 密级配沥青混凝土马歇尔稳定度技术要求 如下： 高速公路、 一级公路不小于 8 k N， 其他 等级 公路不小于 5 k N； 浸水马歇尔试验残 留稳定度要 求不小于 0 ． 8 。武汉按 照湿润 区算 】 ， 对 比室 内 试验结果显示 ， 经过 6～ 7年 的使用 ， 百分之八十 的试样仍能满足稳定度以及残 留稳定度 的要求， 特别是对裂缝影响较大的马歇尔稳定度很好的满 足了规范要求 ， 试样 的水稳性也基本达到标准要 求。可见 ， 裂缝 的产生以及扩展并非强度和抗水 侵蚀能力不达标而引起的。 3 ． 3油石 比 表 3显示 ， 在路面设计 中， 各路段普遍采用了 较大的油石 比， 基本在 5 ． O ％左 右 ， 增加 了路面材 料的粘性 ， 对裂缝的产生 以及扩展具有一定的抑 制作用 ； 对各路段所有样 品的上、 中、 下层毛体积 密度分别取平均值 ， 并与设计参数对比可知 ， 密度 差异不大 ( 现场取样 密度均稍大 ， 原 因在于路段 经过 6年的碾压 ， 密实度会更 好 ) ， 与设 计相符 ， 故本调查中密度并未对病害造成不 良影响。 表 3 各路面竣工资料相关参 数 4 裂缝成 因经验分析 4 ． 1 反射裂缝的产生 本次调查显示 ， 武汉市道路裂缝类病 害最为 普遍 ； 芯样显示 ， 城市旧混凝土路面加铺沥青混凝 土面层裂缝下基本都存在混凝土板缝或缺陷 ， 且 强度和水稳定性均达标 ， 并 未对裂缝 的形成 和扩 展产生不利影响。 关于旧水泥混凝土路面加铺沥青层反射裂缝 的产生和扩展 ， 目前学术界已基本形成共识 ， 一般 认为交通荷载及温度荷载是引起加铺层反射裂缝 的主要因素 J ： 温度应力 引起 反射裂 缝 的产生 ， 并“ 参与” 了其最初 的扩展 ； 荷载应力加速 了裂缝 的进一步扩展 。反射裂缝的产生阶段主要是 由于 交通荷载 、 温度应力反复作用导致沥青混凝土在 裂缝和接缝处疲劳开裂 ， 是一个疲 劳破坏过程 。 如果基层裂缝反射到面层 ， 并穿过面层 出现在路 面上时， 雨水和其他各种污染物就可能进入路面 体 ， 从面层裂缝穿过基层渗入到底基层 ， 使基层和 底基层渗水材料强度 降低 ， 从而引起路面结构严 重破坏 。 4 ． 2断裂 力学分 析 断裂力学认为 ， 裂缝有三种扩展模式 ： 张开型 (I型) 、 滑开型 ( I I 型) 、 撕开型 ( I I I 型 ) 。其 中温 度应力或板翘 曲对反射裂缝 的影响模式 为张开 型； 行车荷载对反射裂缝 的影响模式 主要为滑开 型； 撕开型的反射裂缝在加铺路面中较少见。 断裂力学中引入应力强度因子来衡量裂纹尖 端附近的应力场强度。表达如下(I 型 ) ： KI= ( 1 ) 其 中， 为远场拉力强度 ， a为初始裂缝长度。 不难看出， 裂缝 的初始长度越大 ， 裂缝周 围的 应力场强度越大。而且依据 P a r i s 提 出的观点 ， 应 力强度因子幅度 A K 控制着裂纹的扩展速率 ， 即 疲劳裂纹扩展速率是由裂纹尖端弹性应力强度因 子的变化幅度所控 制的。可 以证 明， 旧路面初始 损伤的治理以及裂缝的修复对于延长加铺路面疲 劳寿命是非常重要 的。 当构件的 K值达到 临界 值 时 ， 构件失稳 断裂。K 表征了材料阻止裂纹扩展 的能力 ， 是材 料抵抗断裂的一个韧性指标 ， 称为断裂韧性 。引 用文献[ 7 ] 研究成果 ， 断裂韧性 与板厚 之间 的关系式如下 ： 一Ko： 1一 ： ： f 2 1 K 0 c l 6 ( 1 + ) r 02 、 其中， 为材料平 面应力状态下 的断裂韧性 ； r o 为 o - 外力作用 下无限簿板裂纹尖端塑性 区域 尺 寸 ； 为材料泊松 比。由此可知 ， 随着 B的增 大而迅速减小 ， 直到满足平面应变条件为止。图 9是 图 9 断裂韧性 与试件厚度 B的关系 (I型裂 纹) 第 2期 彭 自强等：城市旧水泥混凝土路面加铺沥青面层裂缝病害研究 ’ 4 3 因此 ， 增加沥青 面层 的厚度可能对增 强面层 的抗裂能力意义不大 ， 且增加罩面层厚度只能延缓 剪切型反射裂缝反射的速度， 但并不能有效地延缓 纯弯拉型反射裂缝反射的速度 ， 也是不经济的⋯。 5 结 论 ( 2 ) 破碎 和稳定 原有水泥混凝土路 面 ， 这样 做可以分散混凝土板的温度应变和应力 ， 不至于 破坏加铺层。板块破碎成 小块 ， 可以减小板 的水 平位移以及翘曲现象 ， 减少应力集 中， 吸收车载的 冲击动能 ， 从而有效地消降沥青混凝土层 的反射 裂缝 。 ( 3 ) 基层有破坏 的， 可 以在 旧路 面下 采用灌 ( 1 )裂缝类病害是城市加铺沥青路面中发生 丐x陬 首 要解决的问题 ； [ M] - 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 1 ( 2 )基层或旧混凝土的初始缺陷与城市加铺 [ 2 ] C J J 3 6 - 2 0 0 6 ， 城镇道路养护技术规范[ s ] 沥青混凝土面层开裂 以及扩展有 密切联系 ； 线 裂 [ 3。D ⋯B 4 ／ 三 ．3 4 o 0 6 ， 城 镇 道 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 及 三 彗 度 的 影 响 下 应 力 集 中 会 更 加 明 显 ， [4 ] 篓 ：公 路 工 程 沥 青 及 沥 青 混 合 料 试 验 规 且扩展速度快 ； 扭 。 ⋯ ～～⋯ ⋯⋯ 。 。 。 。 一 。 ( 3 )增加罩面层厚度对于防止反射裂缝不经 [ 5 ] 廖卫东． 基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青 济 ， 意义也不大 ； 土工布以及玻纤格栅等防裂措施 加铺层结构研究[ C ] ／ ／中国公路学会第三届全国 综上所述各种致病 因素和普遍性程度 ， 总结 京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 ． 验， 在基层的处理方面主要有以下几点建议： 分析[ D ] 重 庆： 重庆交通大学，2 0 0 8 ( 1 ) 防止反射裂缝需要在设计施工方案之前 [ 7 ] 赵宝荣 试样厚度对断裂韧性的影响[ J ] 试验技术 土 删 青 混 凝 土 冀 孽 謦 ， 地 ， 璺 善 品 ： ； _ 整体挖掘重 新铺 筑基 层 ( 素混 凝土 或水 泥稳定 。 。 。。 ⋯ Cr a c k s Re s e a r c h o f t h e As ph a l t Ov e r l a y o n t h e Ur b a n Ol d PENG Zi — q i a n g ，L I Hu i ，XU — x i n ，LI Ga n g Abs t r a c t：Th e a s ph a l t c o n c r e t e pa v e me n t h a s b e e n a p p l i e d t o u r b a n r o a ds mo r e a n d mo r e ． At t h e s a me t i me， t he i n c r e a s i ng d i s e a s e s c o n d u c t a n a g t i v e i mp a c t o n t h e c i t y~ i ma g e a s we l l a s t h e q u a l i t y o f t h e t r a f fi c．Th e p a v e me n t i n v e s t i g a t i o n s h o ws t h a t t h e c r a c k s o f t h e o l d c e me n t c o n c r e t e pa v e d r o a d a r e t he mo s t s e r i o us a nd u — n i v e r s a 1 ． I n a d d i t i o n，b e c a u s e o f d i ff e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s a n d c o n s t r u c t i o n c y c l e o f t h e u r b a n r o a d，t h e c h a r a c — t e ris t i c s a n d me c h a n i s m o f d e s t r uc t i o n a r e t o be a l i t t l e di ffe r e nt f r o m t h e o r d i n a r y h i g h wa y ．On t he o t h e r h a n d，t h e d o me s t i c r e s e a r c h p a y s mo r e a t t e nt i o n t o hi g h wa y d i s e a s e s ．I n thi s a r t i c l e，a d e t a i l e d s t a t i s t i c s a b o u t t h e c r a c k p r o p e r t i e s o f s e v e r a l ma i n r o a ds o f W uh a n i s ma d e，a n d a s e ria l o f t y p i c a l r e fle c t i v e c r a c k p h o t o s i s l i s t e d．S o me e x p e r i me nt s a b o ut t h e s a mp l e s p r o v e t h a t t he c r a c ks a r e a l l r e fle c t i v e c r a c k s a n d t he n s o me i m— p r o v e me n t me a s u r e s a r e p r o p o s e d． Ke y wo r ds：r e fle c t i o n c r a c k s；o l d c e me nt c o n c r e t e p a v e me n t ；u r ba n p a v e me n t ；b a s e o f p a v e me nt