■張 超

(1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福州 350001；2.福建省高速公路企業(yè)工程技術(shù)研究中心，福州 350001)

1 引言

由于瀝青路面長期承受外界環(huán)境與行車荷載的反復(fù)作用，在水熱、老化及外力作用下會產(chǎn)生各種形式的破損病害，其中路面裂縫是最為常見的初始破損形式，是引發(fā)其他衍生病害的先導(dǎo)性病害。

根據(jù)路面開裂發(fā)展的模式路徑，瀝青路面裂縫一般分為“Down-Top”和“Top-Down”兩種類型，其中“Top-Down”裂縫由外及里易于早期發(fā)現(xiàn)跟蹤，當(dāng)其發(fā)展貫穿路面一定深度時就會被及時進行處治或替換，被認為是一種不可避免但可以接受的開裂形式。隨著我國瀝青路面結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的進步，“Top-Down”裂縫逐漸成為瀝青路面開裂的主要模式，所以，研究“Top-Down”裂縫發(fā)展形成影響因素，針對性采取方案對策，有利于進一步延長我國瀝青路面的使用壽命，維持較高路面性能水平，降低壽命周期內(nèi)養(yǎng)護費用的投入。

2 “Top-Down”裂縫芯樣特點

我國瀝青路面結(jié)構(gòu)上部兩層瀝青層厚度通常為10～14cm(一般由4～6cm表面層與6～8cm中面層/下面層組成)，典型“Top-Down”裂縫由面層向下發(fā)展，工程所取芯樣如圖1所示：

通過對現(xiàn)場大量 “Top-Down”裂縫典型芯樣的觀測發(fā)現(xiàn)，該類裂縫芯樣具有以下明顯規(guī)律：

圖1 僅貫穿上面層、上中面層的路面開裂典型芯樣

(1)“Top-Down”裂縫均深至瀝青結(jié)構(gòu)層某界面位置，如上中面層界面，或者中下面層界面，基本未發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)展至瀝青結(jié)構(gòu)層中部位置的情況。

(2)于“Top-Down”裂縫末端的結(jié)構(gòu)層界面位置，經(jīng)常伴有沿界面形成的層間裂縫，或者脫離，其下整層瀝青混合料仍保持完整密實的良好狀態(tài)。

(3)“Top-Down”裂縫路段，時常出現(xiàn)中面層材料性能不足，或衰變明顯的情況，需銑刨置換至中面層，才能較為徹底處治或長時間保持修復(fù)效果。

歸納“Top-Down”裂縫路段的瀝青路面結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)主要有以下類別(見表 1、圖 1～3)：

表1 “Top-Down”裂縫路段結(jié)構(gòu)材料主要狀態(tài)類別

可見，“Top-Down”裂縫可能并不是完全開始于路表的“自上而下”模式，而是一種始發(fā)于中面層范圍內(nèi)(含中面層本身及其上下粘結(jié)界面)的路面裂縫形式，該類裂縫自瀝青結(jié)構(gòu)層內(nèi)某薄弱位置或界面 “自下而上”迅速發(fā)展，取芯或探坑觀測時易被誤認為是純粹的“Top-Down”型開裂病害。

3 界面粘結(jié)性能影響分析

因為瀝青路面分層壓實的施工工藝特點，瀝青層間界面需要采用乳化瀝青等材料進行粘結(jié)，粘結(jié)層被稱為路面“小結(jié)構(gòu)層”。粘結(jié)層的聯(lián)結(jié)效果決定了層間完全滑移、半連續(xù)或完全連續(xù)的不同結(jié)構(gòu)關(guān)系。層間粘結(jié)是影響結(jié)構(gòu)層間協(xié)同受力能力、結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力集中狀況的重要因素，也最易成為路面結(jié)構(gòu)薄弱面。

瀝青層之間的粘結(jié)狀況不同時，瀝青路面內(nèi)部不同深度部位在X、Y、Z方向的應(yīng)力分布差異顯著，有限元模型受力計算顯示：

(1)當(dāng)瀝青路面內(nèi)部出現(xiàn)“各層間均滑動”和“上中面層間滑動”不利情況時，相應(yīng)不連續(xù)的瀝青結(jié)構(gòu)層底面和路表輪隙位置會產(chǎn)生X方向最大的拉應(yīng)力集中，上面層所達到的最大拉應(yīng)力值為層間“完全連續(xù)”理想狀態(tài)時的3.5倍以上，極易導(dǎo)致路面面層輪跡帶處產(chǎn)生“始自層底”的疲勞開裂或者路表縱向裂縫。

圖2 路表典型“Top-Down”裂縫與龜裂病害

圖3 中面層性能強度不足而下承層完好的結(jié)構(gòu)材料狀況

(2)在層間滑動的上中面層底部的輪胎中心和輪隙間位置，Y方向的拉應(yīng)力集中狀況最為嚴(yán)重，比同位置處的X方向受力更大，表明當(dāng)層間粘結(jié)不良時，“上面層底面和中面層底面”是最易引發(fā)產(chǎn)生橫向疲勞開裂破壞的部位。

(3)Z方向承受的負應(yīng)力為路面受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大位置處于輪心部位，當(dāng)輪心處的上中面層存在不連續(xù)，會出現(xiàn)上面層底面與中面層頂面(層間)的壓應(yīng)力大于行車荷載，導(dǎo)致“中面層加速破壞”，進而使上面層喪失承受外力荷載的能力。

(4)路面結(jié)構(gòu)層界面粘結(jié)失效會導(dǎo)致剪應(yīng)力在該界面瀝青層底部集中，當(dāng)中面層上界面粘結(jié)失效時，路面承受剪應(yīng)力達到峰值，最大值剪應(yīng)力位置位于“上面層底面輪胎中心處”。剪應(yīng)力集中加劇結(jié)構(gòu)受力和層間粘結(jié)狀況惡化，導(dǎo)致路面變形和開裂。

4 中面層材料性能影響分析

已有研究成果表明，重載交通條件下瀝青路面剪應(yīng)力最大值產(chǎn)生的范圍由表面層向中面層轉(zhuǎn)移，中面層結(jié)構(gòu)成為抗剪切、防車轍的主要層位，所以從結(jié)構(gòu)承載功能上說，中面層在一定程度上應(yīng)具有比表面層更高的力學(xué)性能。而在實際路面結(jié)構(gòu)材料設(shè)計時，中面層材料往往略遜于上面層，甚至與其承重層角色不匹配。從瀝青路面開裂損壞角度出發(fā)，中面層的力學(xué)性能失效(或不足)影響作用機理如下：

(1)中面層疲勞性能不足導(dǎo)致本身開裂向上反射

瀝青路面不同層位的瀝青混凝土材料均需具有相匹配的疲勞性能，當(dāng)中面層(或其他瀝青層)疲勞性能不能匹配其結(jié)構(gòu)層位的抗疲勞性能要求的時，就會出現(xiàn)中面層(或其他瀝青層)早于面層產(chǎn)生疲勞破壞的情況，也即，自中面層向上面層產(chǎn)生“反射裂縫”。

(2)中面層車轍變形過大迫使上面層變形開裂

瀝青路面中面層是車轍變形貢獻率最大的層位，當(dāng)中面層材料選擇或設(shè)計不當(dāng)，出現(xiàn)過大 (大于10mm)的“W”形流變型車轍時，4～6cm薄層上面層難以應(yīng)對較小車轍變形寬度內(nèi)大幅度的“向上隆起”和“向下彎折”，在隆起與彎折中心變形集中部位必然產(chǎn)生拉裂破壞，這種源自中面層過大變形的裂縫并非完全的 “Down-Top”或“Top-Down”開裂。

(3)中面層退化為薄弱夾層使上面層失去承載基礎(chǔ)

在渠化慢行重載交通、結(jié)構(gòu)內(nèi)長期飽水高濕、中面層石料粘附性差、瀝青材料選型不當(dāng)?shù)染C合情況下，中面層瀝青混凝土力學(xué)性能衰變更為迅速，自身呈現(xiàn)擠密松散狀態(tài)，成為瀝青路面結(jié)構(gòu)中的薄弱夾層。退化的中面層瀝青混凝土自身不具有為上面層提供良好基礎(chǔ)的能力，導(dǎo)致上面層薄弱部位向上爆發(fā)龜裂、推擠病害，并最終衍生為密集連續(xù)的路面坑槽(見圖4)。

圖4 中面層松散退化后上面層龜裂病害及密集坑槽修補

5 結(jié)論

瀝青路面“Top-Down”型開裂受到中面層結(jié)構(gòu)材料的顯著影響，主要可以分為“中面層上/下接觸面的粘結(jié)失效”的結(jié)構(gòu)因素和“中面層本身材料的力學(xué)性能失效”的材料因素兩個方面：

(1)“中面層上/下接觸面的粘結(jié)失效”。中面層上下界面的滑動狀態(tài)造成路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各個方向應(yīng)力在瀝青層層底的集中，引發(fā)了路面產(chǎn)生始自界面的局部向上開裂；

(2)“中面層本身材料的力學(xué)性能失效”。中面層瀝青混凝土力學(xué)性能不足，無法匹配瀝青路面結(jié)構(gòu)對承重層的抗疲勞、抗剪切性能要求，先于上面層產(chǎn)生變形、疲勞開裂破壞，導(dǎo)致上面層產(chǎn)生開裂甚至龜裂。

中面層作為瀝青路面重要的荷載承載與力學(xué)傳遞層位，應(yīng)對應(yīng)其作用角色給予特別的重視，通過原材料選擇、瀝青混合料設(shè)計、施工管理、路面結(jié)構(gòu)排水等多個方面保障其功能發(fā)揮。