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沥青道路面层裂缝成因分析及处理与防治

作者:职称驿站 浏览量:16086 时间:2011-08-14

  摘要:随着国民经济与城市建设的发展,沥青混凝土路面由于具有表面平整、行车舒适、耐磨、噪音小、施工周期短、养护维修简捷等特点,而被越来越多地应用到城市道路建设中。城市道路是否畅通、平整,是体现城市环境建设的重要指标。近年来,汽车工业不断发展,车辆的行驶速度愈来愈快,车辆对路面行驶条件要求也愈来愈高。因此,对沥青混凝土路面产生裂缝的预防与处理,是保证行车质量,延长道路使用周期的关键。目前,城市道路路面使用周期大大缩短,远达不到设计使用年限即出现破坏现象。经过大量的工程实践,发现沥青路面的病害主要集中体现在面层裂缝或由面层裂缝引发其它形式的病害。严重影响了道路的使用功能,大大缩短了道路的使用寿命,降低了道路的社会服务效益。本文通过京通快速路大修工程和五四大街道路大修工程,结合工程实践,观察分析道路裂缝的存在形态;分析道路裂缝的产生原因;论述预防、控制裂缝的措施与工艺;总结道路面层大修的效果。通过实体工程项目进行分析总结,对道路面层裂缝的可防性、可控性进行探讨。
  关键词:市政道路;半刚性基层;反射裂缝;成因
  1前言
  由于城市交通量的日益加大,城市道路负荷也随之加重。道路的使用功能和承受能力也面临着越来越大的挑战。道路的舒适性是不能更改的硬性指标。所以,研究道路病害的形成原因、预防道路病害的形成对道路发挥最大的社会效益具有深远的意义。本文结合工程实例,重点对沥青道路面层裂缝进行分析论述。道路裂缝在道路病害中具有普遍性,相对于其它形式的病害具有一定的根源性。清楚其形成的过程和机理,掌握相应的预控措施后便可以提升道路的施工质量。从而达到提升道路的长期使用效果的目的。
  2北京地区主要的道路结构形式
  北京地处永定河冲积扇上,属暖湿带温润季风气候,四季分明,夏季最高气温42℃左右,冬季最低气温-20℃左右。本市市政道路结构多为灰土垫层+石灰粉煤灰稳定碎石基层+沥青混凝土面层。根据道路的级别和预期交通量的差异道路各层的结构厚度也会产生相应的变化。但总体的结构组合形式是相同的。即半刚性基层与柔性面层的组合结构。
  3裂缝的主要形式和形成原因分析
  3.1裂缝的主要形式和形成原因
  3.1.1裂缝的主要形式[1]
  沥青路面在行车荷载的反复作用和自然因素的不断影响下会逐渐出现损坏,使其使用性能逐步恶化。由于荷载、环境、材料组成、结构层组合、施工和养护等条件的变异,损坏的形式是多种多样的。从表象上看会有各式各样的裂缝,如横向裂缝或纵向裂缝,块状裂缝和网状裂缝等。
  3.1.2裂缝的主要形成原因[2]
  1)疲劳开裂
  裂缝是沥青路面最普遍的一种损坏现象。疲劳开裂是指路面无显著永久变形情况下沿轮迹带出现的裂缝,行驶在路上的轮载使沥青面层受到反复的弯曲变形。当荷载作用下面层底面产生的弯拉应变超过材料的疲劳限度,便在底面处产生开裂,并逐渐扩展到表面。初期是一串细微的纵向平行裂缝,随着行车的反复作用,裂缝连片而发展成网状或龟背状裂缝。
  2)反射裂缝和低温开裂
  采用半刚性基层时,由于温度变化而产生的横向收缩裂缝会反映到面层上来,使面层也相隔一段距离出现横向反射裂缝。在寒冷地区,面层材料本身在低温时的收缩受到阻碍会产生较大的拉应力。当拉应力超过材料的抗拉强度时,面层便会发生横向断裂,这些横向裂缝虽然在出现时不会影响行车,但在水份的不断侵蚀下,其边缘会出现碎裂而使缝隙扩大,并在其周围形成网状开裂。
  3.2实体案例
  京通快速路道路大修工程与五四大街道路大修工程。其中京通快速路道路大修工程范围是双桥以东400米(桩号K9+400)至八里桥收费站(桩号K12+975)和西马庄收费站(桩号K13+980)的进京与出京主路大修。主要大修的内容是对现况沥青混凝土面层进行铣刨+基层裂缝处理+重新加铺SMA沥青混凝土面层。期间伴有检查井周边裂缝处理及检查井加固、沉陷基层加固、沥青灌缝等病害处理项目。通过大量的观察和处理裂缝发现这两条道路病害存在很多的共同点,那就是由于使用年限比较长、交通量增长速度快使其面层产生了条带状的疲劳裂缝。同时在雨水支管上方都存在横向的贯通裂缝。另外道路基层裂缝发育严重,横向反射裂缝分布广泛。以京通快速路为例:京通快速路大修完成投入使用半年后,全线双向道路面层又出现了大量的横向裂缝,经过统计达到100余条贯穿的通缝。为此,建设单位针对道路裂缝问题举行了专题专家论证会。期间通过对有代表性的裂缝钻芯取样后发现,道路面层至基层底部所钻取整个芯样全部处在左右分离状态,不能形成完整的圆柱体,基层底部还存在大量的碎裂松散状态的石料。这表明裂缝是道路结构的竖向贯穿裂缝,也就是完全的基层断裂后反射到面层产生的上下贯通裂缝。
  3.3案例总结
  沥青面层的抗拉强度是较低的,道路沥青面层的裂缝形成主要是基层的反射裂缝,基层产生裂缝后,在温度和行车荷载作用下,裂缝逐渐反射到沥青表面。经施工现场观察,道路表面裂缝的位置形状与基层裂缝基本相似,主要以横向裂缝居多,局部也有纵向裂缝,检查井周边具有环状裂缝。以下就三种裂缝进行分析:
  3.3.1横向裂缝
  横向裂缝是由于沥青面层和基层、底基层温度收缩造成的。这种裂缝一般很难避免。因为基层、底基层为半钢性结构具有高强度,虽然整体性好、强度高、变形小,但对温度变化的影响十分敏感,北京地区进入10月份气温将达到+5℃以下,这时结构开始冷缩,随着气温持续降低收缩加剧,裂缝会达到一年的宽度极值。半刚性基层沥青路面结构在重、轻冰冻地区产生裂缝的主要原因是温度收缩,而温度收缩又与半刚性材料的类型、材质、成型温度等因素有关,以下就横向裂缝较严重的现状进行分析。
  1)基层底基层强度高会导致横向裂缝间距加大、加宽:基层、底基层强度高导致半刚性基层结构内部抗拉应力变大。在温度逐步降低时,结构内部收缩拉应力也会逐步增大,大于结构的抗弯拉应力时,温缩裂缝产生。由于结构抗拉强度增大,内部拉应力也会增长,使裂缝间距变长,而结构收缩率是一定的,裂缝间距长,则缝宽度必然大。这与我们观察京通快速路道路现状是一致的。
  2)半刚性基层结构中骨料原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩性较小,粉粒以下的颗粒温度收缩性较大,所以粉料含量直接关系到道路基层的温度收缩程度。
  3)除产生裂缝的内部因素(尽量减少细粒料,增大粗颗粒,控制颗粒级配,控制粉料用量)外,施工现场最低气温的控制是路面出现裂缝的重要原因。如果施工时气温偏低(等于或低于规范要求5℃),则基层材料强度上升缓慢,基层材料本身产生的强度,不足以克服温差产生的收缩应力,因而造成收缩裂缝。这与我们总结的几条道路情况是相符的。
  4)施工期间底基层施工质量不过关。在铺筑道路基层时依然有路基弹软、局部积水、含灰量不足、压实度偏低等情况。这都直接影响道路基层的摊铺质量,在压实基层的过程中会有翻浆现象。这种情况不加处理会直接影响基层的板结,使基层具有“先天性”的裂缝缺陷。比如五四大街和京通快速路的雨水过街管部位的横向裂缝都属于底基层压实度不足引起的反射裂缝。转贴于中
  3.3.2纵向裂缝
  纵向裂缝一般出现在管沟及施工接茬位置。沥青混凝土路面纵向裂缝的原因是多方面的,首先是冻胀及路基沉陷造成的,究其根本是管道渗水和回填夯实不够引起基层沉陷;其次是面层摊铺时未按操作规程施工,沥青混凝土密实度达不到规范要求,以至行车形成纵向裂缝。
  3.3.3检查井周边环状裂缝
  环状裂缝形成的直接原因是检查井与道路结构之间的沉降速率和沉降程度存在很大差异,即不均匀沉降显著。经过道路大修工程的广泛观察后发现检查井下沉通常显著,在道路上会形成坑凹,对行车的安全性、舒适性造成不良影响。
  4面层裂缝对道路使用功能及寿命的危害
  4.1裂缝形成后对道路的侵害机理
  道路出现裂缝要及时治理,否则灌进雨雪水经过冬天冻融后,对道路的破坏将非常严重。透水后道路病害的发展一般可分为三个阶段。第一阶段:初期表现为裂缝部位鼓胀,沿裂缝逐渐形成微量冻融松散、材料密度降低、将面层材料拱起等;第二阶段:沿裂缝灌入雨雪水,存于基层混合料与沥青路面的结合层之间,由于行车荷载碾压推挤摩擦作用,将水泥和微粒材料同雨雪水在行车的压力作用下唧出。如遇连阴雨天气基层混合料以上灌入的雨雪水使路面出现严重推挤,将沥青粒料和基层混合料粒料磨成浆状物唧出,即通常所说的唧浆病害。经过两到三年的裂缝开闭,裂缝口沥青混凝土在冻融和行车的作用下密度降低。进入冬季后,裂缝宽度会由于温度降低、板体收缩而增大。第三阶段:形成病害后由于一年四季在雨雪水作用下长期出现唧浆,路面出现坑凹,甚至出现搓板效应,随时间的推移,将导致龟裂病害的发生。严重时路面粒料被行车推挤带走,出现道路表面开裂性坑槽,严重时路面发生大面积碎裂,对行车的影响非常大。
  4.2面层裂缝对道路使用功能及寿命的危害
  4.2.1对道路使用功能危害
  1)严重影响平整度、行车舒适度
  2)使道路透水性增强
  3)使道路外观破旧,美观度差
  4.2.2对道路使用寿命的危害
  1)透水对基层的危害
  裂缝对道路破坏的本质表现在水毁破坏。由于裂缝破坏了道路面层的宏观整体性,使外界自然水进入到道路结构层内部,经由外部行车荷载的反复作用后会急速加剧道路基层乃至整体的破坏。北京地区四季分明,冬季温度很低。道路基层经过冻融效应后会加速道路结构的碎裂,缩短道路有效使用寿命。
  2)使道路面层大面积碎裂
  3)使道路局部路基沉陷
  由于目前所采用的基层的结构形式,选用材料以及北方气候的影响道路出现裂缝是不可避免的。但是出现裂缝就要及时有效的治理,并防止其发展到路面龟裂,出现坑槽、沉陷以及碎裂等严重病害。
  5.病害处理及防治
  5.1病害处理
  5.1.1面层灌缝处理
  在裂缝出现早期,采取面层热沥青灌缝处理,一段时间内能很好的防止裂缝继续恶化,保护路面结构层不被破坏。由于道路车流量逐年的不断增加,加上不同季节的气候因素,因此面层灌缝处理需周期性进行,才能防止裂缝再次出现。
  5.1.2裂缝开挖处理
  对于冒浆严重裂缝(裂缝宽度大于1.5cm),采取裂缝开挖封堵处理,在中面层以下选用大粒径沥青碎石做填补料,能有效的防止基层裂缝再次引起面层开裂。此种方法修补后,一般不会再次出现反射裂缝。
  5.1.3地基处理
  上述两种方法如果效果不明显,可能是基层出现了问题,还需对基层进行特殊处理,控制其不均匀沉降后再行灌缝或裂缝开挖处理。
  5.1.4灌缝、封缝处理
  沥青路面裂缝产生后,为防止水等有害物质侵入,影响道路使用寿命,应及时进行灌缝、封缝处理。灌缝前,必须清除缝内、缝边碎料、垃圾等,并保证缝内干燥;灌缝后,表面应洒布粗砂或3~5mm的石屑。沥青路面灌缝受开槽深度,槽壁干燥度、清洁度、施工气温、灌缝材料等因素影响。灌缝前,必须进行铣缝开缝,同时用吹风机清除缝内、缝边碎粒、垃圾,并使缝内干燥。有效保证封缝材料与缝壁的充分粘合。
  京通快速路道路完成大修投入使用半年后出现的大量反射裂缝全部进行了灌缝处理。灌缝处理不能改变道路结构的受力状态,目的只在于有效阻止外界自然水对道路基层的继续侵蚀。
  5.1.5反射裂缝加铺玻纤格栅
  在五四大街道路大修工程中,有大量的道路基层已经出现网格状裂缝,为了有效防止裂缝的大面积反射,设计单位要求在底层沥青混凝土与基层之间加铺玻纤格栅以缓解面层沥青混凝土所承受的弯拉应力。经过两年的使用后证明裂缝预防的效果比较理想。截止至今,五四大街没有出现道路面层的大面积龟裂。
  5.1.6检查井周边的环状裂缝及不均匀沉降处理
  检查井周边的环状裂缝属于基础不均匀沉降引起反射裂缝,处理的关键是检查井周边的道路基础与道路整体基础的有效搭接。现通用做法是围绕检查井井体挖除现有碎裂基层,采用快凝混凝土浇注环状的加固带。在摊铺沥青混凝土面层前加铺环状的玻纤格栅带进一步保证基层的整体性。经过大量的检查井处理案例证明方案可行性强,处理效果良好。
  5.2道路面层裂缝防治
  5.2.1材料方面
  沥青和沥青结合料的性质是影响沥青路面温度开裂的重要原因,沥青混合料的拌和质量是道路面层工程质量的关键。在沥青混合料比选、配比过程中,选用温度敏感性小的沥青效果会好一些。道路基层材料必需合格达标,在级配、含灰量上要严格控制。保证基层材料的质量。
  5.2.2施工方面
  在保证基层质量的前提下,严格控制沥青路面施工质量,特别是生产温度的控制,包括拌合温度,运输温度,碾压温度,关键拌合和碾压温度必须严格控制;另一方面施工接缝处理,市政道路越来越宽,较宽的路面必然会产生接缝问题,那么采用热接缝或双机联铺或多机联铺能最有效消除纵缝,市政道路面层采用热接缝要比冷接缝的效果好很多。透层或粘层完成后,应尽快铺筑沥青面层。严格控制沥青混合料的拌和质量。严格防止卸料离析。提高面层摊铺质量。在摊铺混合料时,运距不能过远,摊铺温度应控制在合理范围内,摊铺厚度均匀,为保证沥青面层的压实度,压实设备数量应配套,碾压遍数不能太少,以免混合料孔隙过大。一般不能进行补料,尤其是下面层。基层雨后潮湿未干,不得摊铺,更不得冒雨摊铺。纵向、横向接缝应紧密、平顺,各幅之间重叠的混合料应用人工清除。
  
  5.2.3设计方面
  1)在进行半刚性路面设计时,首先应选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小、抗拉强度高的半刚性材料做基层。
  2)选用松弛性能好的优质沥青做沥青面层。在缺少优质沥青的情况下。应采取改善沥青性质的措施,添加改性剂、聚酯纤维和抗剥落剂是目前最有效的方式。
  3)采用合适的沥青面层厚度,确保半刚性基层在使用期间一般不会产生干缩裂缝和温缩裂缝。
  4)设置应力消减(应力吸收)中间层,在京通快速路大修过层中应用了橡胶沥青,效果良好。
  5)在基层与沥青面层之间加铺增加抗拉强度的玻纤格栅。
  
  结语:市政工程沥青路面裂缝已成为沥青路面的主要危害之一,在工程施工中多学习、多分析,通过道路大修工程可以了解道路裂缝的性状,分析其形成原因,制定有针对性的处理方案。反过来,在进行新建道路施工时可以借鉴道路大修工程的施工经验,预先针对可能产生的病害制定相应的质量管理措施。根据其成因从设计、施工、原材料控制等一系列环节入手,有针对性地采取一系列预防和改善措施,同时按全面质量管理的要求,建立健全有效的质量保证体系,对施工的过程、每道工序的质量进行严格的检查、控制。这样能有效减少沥青路面裂缝的发生。从而提高沥青路面的建设质量,延长市政沥青路面使用寿命,确保正常发挥道路安全、舒适、快捷、高效的社会作用。转贴
  
  
  参考文献:
  [1]姚祖康.道路路基和路面工程[M].上海:同济大学出版社,1994:170-171.

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