彭自強(qiáng)， 李 輝， 徐一心， 李 綱

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070；2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖北 武漢 430010； 3.武漢鋼鐵股份公司運(yùn)輸部， 湖北 武漢 430081)

近年來(lái)，城市舊混凝土路面加鋪瀝青面層越來(lái)越多，特別在水泥混凝土路面較多的南方城市尤為普遍。但經(jīng)過(guò)7年左右的使用期后，路面病害以裂縫類尤為突出，嚴(yán)重影響城市形象以及交通行車質(zhì)量。在加鋪瀝青路面病害分析方面，國(guó)內(nèi)對(duì)高速公路做的比較多，而城市道路由于其路況復(fù)雜，基層多樣，交通渠化，行車速度、方向以及行車載重都具有不確定性等因素，其病害因素與高速公路有著很大的區(qū)別[5]。

1 項(xiàng)目背景

為了解武漢市加鋪路面病害成因， “武漢市城市道路瀝青路面病害成因及防治對(duì)策研究”項(xiàng)目組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)得到路面瀝青病害的類別與分布規(guī)律，并通過(guò)路面鉆芯取樣和室內(nèi)試驗(yàn)分析，擬提出關(guān)于瀝青路面設(shè)計(jì)施工的合理建議，推行先進(jìn)的技術(shù)和工藝。本項(xiàng)研究選擇了武漢市洪山路、武珞路、關(guān)山大道、解放大道、建設(shè)大道、中山大道、白沙洲大橋、長(zhǎng)江一橋、長(zhǎng)江二橋作為研究對(duì)象，下文中編號(hào)1～9的路段即為此9條路(無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系)。

2 路面調(diào)查結(jié)果及分析

2.1 各路段各類病害扣分情況

依據(jù)《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范CJJ 36-2006》，得到如下各路段扣分值的調(diào)查結(jié)果(依據(jù)病害密度得到扣分值)[2]，見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 裂縫類破壞扣分值對(duì)比

圖2 松散類破壞扣分值對(duì)比

圖3 變形類破壞扣分值對(duì)比

圖4 其他類破壞扣分值對(duì)比

2.2 數(shù)據(jù)分析

由圖可知，裂縫類病害所占比例最大，也最為普遍，變形類破壞也十分嚴(yán)重，如圖3所示。變形類破壞主要是由于交通渠化、行車量大和車速慢引起的車轍破壞。裂縫類病害普遍存在，即使是關(guān)山大道，由于其車輛少，路面寬，路面負(fù)荷小，且基層大部分為水泥穩(wěn)定碎石，路況很好，但其仍有少量的線裂病害，洪山路也是如此，基本只有線裂，無(wú)其他病害。裂縫類病害成為城市瀝青路面中發(fā)生率最高的病害類型，且線裂在車載以及溫度的影響下應(yīng)力集中會(huì)更加明顯，從而進(jìn)一步發(fā)展成為網(wǎng)裂、碎裂、坑槽以及極具破壞力的病害。其普遍性以及嚴(yán)重性值得我們關(guān)注與深究。

3 芯樣分析

3.1 鉆芯取樣

現(xiàn)場(chǎng)取芯共102個(gè)，觀察芯樣下基層情況，記錄裂縫狀況。芯樣顯示，百分之九十的橫向裂縫、縱向裂縫甚至網(wǎng)裂下均存在舊混凝土基層的裂縫或缺陷。幾乎所有的病害處基層都可以發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷或損傷，具體見(jiàn)圖5～圖8。

圖5 建設(shè)大道橫裂處

圖6 洪山路線裂處

圖7 建設(shè)大道橫裂處基層

圖8 中山大道網(wǎng)裂處基層

在調(diào)查的路段中，很多路段在加鋪過(guò)程中使用了滌綸長(zhǎng)絲單面燒毛土工布以及玻纖格柵等防反射裂縫措施；個(gè)別路段在舊裂縫中填灌了AC-10瀝青砂；其中一段有土工布處理，無(wú)其它病害，但也出現(xiàn)了相當(dāng)頻繁的反射裂縫；某段路加鋪設(shè)計(jì)中甚至使用了傳力桿以及聚氯乙烯膠泥填縫，但仍然有著嚴(yán)重的裂縫病害。因此，此類措施在防止城市道路反射裂縫中的作用值得商榷。

3.2 強(qiáng)度及水穩(wěn)性效驗(yàn)

3.2.1強(qiáng)度結(jié)果

以上芯樣均在病害處取得，在其相應(yīng)路緣處取得的完好芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)及浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2。

表 1 芯樣馬歇爾殘留穩(wěn)定度[3]

注：本試驗(yàn)中為現(xiàn)場(chǎng)路面鉆取芯樣，非標(biāo)準(zhǔn)試件，因此所得結(jié)果均依據(jù)JTJ 052-2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣試件高度修正系數(shù)后所得的結(jié)果，后同。

表2 芯樣浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度[3]

3.2.2水穩(wěn)性結(jié)果

另外，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比的試驗(yàn)由于取樣離散型的原因，數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)不強(qiáng)，但在凍融劈裂的試驗(yàn)中，其強(qiáng)度也與未經(jīng)凍融的試樣相差無(wú)幾，甚至出現(xiàn)了凍融后試樣強(qiáng)度更高的情況。舊路面車載的碾壓和剪切作用，路基的不平整性，以及材料的不均勻性均可能是其離散的原因。

3.2.3對(duì)比結(jié)論

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004，密級(jí)配瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度技術(shù)要求如下：高速公路、一級(jí)公路不小于8 kN，其他等級(jí)公路不小于5 kN；浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度要求不小于0.8。武漢按照濕潤(rùn)區(qū)算[4]，對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)6～7年的使用，百分之八十的試樣仍能滿足穩(wěn)定度以及殘留穩(wěn)定度的要求，特別是對(duì)裂縫影響較大的馬歇爾穩(wěn)定度很好的滿足了規(guī)范要求，試樣的水穩(wěn)性也基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求?？梢?jiàn)，裂縫的產(chǎn)生以及擴(kuò)展并非強(qiáng)度和抗水侵蝕能力不達(dá)標(biāo)而引起的。

3.3 油石比

表3顯示，在路面設(shè)計(jì)中，各路段普遍采用了較大的油石比，基本在5.0%左右，增加了路面材料的粘性，對(duì)裂縫的產(chǎn)生以及擴(kuò)展具有一定的抑制作用；對(duì)各路段所有樣品的上、中、下層毛體積密度分別取平均值，并與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比可知，密度差異不大(現(xiàn)場(chǎng)取樣密度均稍大，原因在于路段經(jīng)過(guò)6年的碾壓，密實(shí)度會(huì)更好)，與設(shè)計(jì)相符，故本調(diào)查中密度并未對(duì)病害造成不良影響。

表3 各路面竣工資料相關(guān)參數(shù)

4 裂縫成因經(jīng)驗(yàn)分析

4.1 反射裂縫的產(chǎn)生

本次調(diào)查顯示，武漢市道路裂縫類病害最為普遍；芯樣顯示，城市舊混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層裂縫下基本都存在混凝土板縫或缺陷，且強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均達(dá)標(biāo)，并未對(duì)裂縫的形成和擴(kuò)展產(chǎn)生不利影響。

關(guān)于舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，目前學(xué)術(shù)界已基本形成共識(shí)，一般認(rèn)為交通荷載及溫度荷載是引起加鋪層反射裂縫的主要因素[5]：溫度應(yīng)力引起反射裂縫的產(chǎn)生，并“參與”了其最初的擴(kuò)展；荷載應(yīng)力加速了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。反射裂縫的產(chǎn)生階段主要是由于交通荷載、溫度應(yīng)力反復(fù)作用導(dǎo)致瀝青混凝土在裂縫和接縫處疲勞開(kāi)裂，是一個(gè)疲勞破壞過(guò)程。如果基層裂縫反射到面層，并穿過(guò)面層出現(xiàn)在路面上時(shí)，雨水和其他各種污染物就可能進(jìn)入路面體，從面層裂縫穿過(guò)基層滲入到底基層，使基層和底基層滲水材料強(qiáng)度降低，從而引起路面結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞[6]。

4.2 斷裂力學(xué)分析

斷裂力學(xué)認(rèn)為，裂縫有三種擴(kuò)展模式：張開(kāi)型(Ⅰ型)、滑開(kāi)型(Ⅱ型)、撕開(kāi)型(Ⅲ型)。其中溫度應(yīng)力或板翹曲對(duì)反射裂縫的影響模式為張開(kāi)型；行車荷載對(duì)反射裂縫的影響模式主要為滑開(kāi)型；撕開(kāi)型的反射裂縫在加鋪路面中較少見(jiàn)。

斷裂力學(xué)中引入應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)衡量裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。表達(dá)如下(Ⅰ型)：

(1)

其中，σ為遠(yuǎn)場(chǎng)拉力強(qiáng)度，a為初始裂縫長(zhǎng)度。

不難看出，裂縫的初始長(zhǎng)度越大，裂縫周圍的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度越大。而且依據(jù)Paris提出的觀點(diǎn)，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔKⅠ控制著裂紋的擴(kuò)展速率，即疲勞裂紋擴(kuò)展速率是由裂紋尖端彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度所控制的?？梢宰C明，舊路面初始損傷的治理以及裂縫的修復(fù)對(duì)于延長(zhǎng)加鋪路面疲勞壽命是非常重要的。

當(dāng)構(gòu)件的K值達(dá)到臨界值Kc時(shí)，構(gòu)件失穩(wěn)斷裂。Kc表征了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料抵抗斷裂的一個(gè)韌性指標(biāo)，稱為斷裂韌性。引用文獻(xiàn)[7]研究成果，斷裂韌性Kc與板厚B之間的關(guān)系式如下：

(2)

圖9 斷裂韌性Kc與試件厚度B的關(guān)系(Ⅰ型裂紋)

其中，K0c為材料平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性；r0為σ外力作用下無(wú)限簿板裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸；μ為材料泊松比。由此可知，Kc隨著B(niǎo)的增大而迅速減小，直到滿足平面應(yīng)變條件為止。圖9是斷裂韌性與試件厚度的定性關(guān)系。

因此，增加瀝青面層的厚度可能對(duì)增強(qiáng)面層的抗裂能力意義不大，且增加罩面層厚度只能延緩剪切型反射裂縫反射的速度，但并不能有效地延緩純彎拉型反射裂縫反射的速度，也是不經(jīng)濟(jì)的[8]。

5 結(jié) 論

本次調(diào)查路段共長(zhǎng)20公里，歷時(shí)3個(gè)月，分別作出9條路的PCI報(bào)告；現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣102個(gè)，基層照片若干，室內(nèi)試驗(yàn)主要得出強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，主要有以下結(jié)論：

(1) 裂縫類病害是城市加鋪瀝青路面中發(fā)生率最高的類型，裂縫是瀝青加鋪罩面層設(shè)計(jì)中應(yīng)首要解決的問(wèn)題；

(2) 基層或舊混凝土的初始缺陷與城市加鋪瀝青混凝土面層開(kāi)裂以及擴(kuò)展有密切聯(lián)系；線裂在車載以及溫度的影響下應(yīng)力集中會(huì)更加明顯，且擴(kuò)展速度快；

(3) 增加罩面層厚度對(duì)于防止反射裂縫不經(jīng)濟(jì)，意義也不大；土工布以及玻纖格柵等防裂措施應(yīng)用到了各條路面，但裂縫依然普遍。

綜上所述各種致病因素和普遍性程度，總結(jié)國(guó)內(nèi)的研究成果以及試用效果和城管局的維修經(jīng)驗(yàn)，在基層的處理方面主要有以下幾點(diǎn)建議：

(1)防止反射裂縫需要在設(shè)計(jì)施工方案之前做仔細(xì)的勘測(cè)和研究工作，對(duì)于不同地段采取針對(duì)性的處理措施，對(duì)于破壞嚴(yán)重的地方可以采用整體挖掘重新鋪筑基層(素混凝土或水泥穩(wěn)定土)的做法，這樣可以有效防止反射裂縫。

(2)破碎和穩(wěn)定原有水泥混凝土路面，這樣做可以分散混凝土板的溫度應(yīng)變和應(yīng)力，不至于破壞加鋪層。板塊破碎成小塊，可以減小板的水平位移以及翹曲現(xiàn)象，減少應(yīng)力集中，吸收車載的沖擊動(dòng)能，從而有效地消降瀝青混凝土層的反射裂縫。

(3)基層有破壞的，可以在舊路面下采用灌漿工藝使板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)應(yīng)力吸收層也是一種防止反射裂縫的比較好的方法。

[1]沙慶林．高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M]．北京:人民交通出版社，2001.

[2]CJJ 36-2006，城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]．

[3]DB 42/T 344-2006，城鎮(zhèn)道路瀝青路面施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)程[S]．

[4]JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[5]廖衛(wèi)東．基于應(yīng)力吸收層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)研究[C]// 中國(guó)公路學(xué)會(huì)第三屆全國(guó)公路科技創(chuàng)新高層論壇——湖北優(yōu)秀論文集.北京：人民交通出版社，2006．

[6]仇為波．舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層防裂機(jī)理分析[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2008．

[7]趙寶榮.試樣厚度對(duì)斷裂韌性的影響[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，1988，(6)：3-5.

[8]沙慶林，王旭東.水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層的技術(shù)研究[J].公路，2002,(11):15-19.