瀝青路面裂縫類型及結(jié)構(gòu)層疲勞斷裂性能影響因素分析

1、瀝青路面裂縫類型及結(jié)構(gòu)層疲勞斷裂性能影響因素分析摘要：分析瀝青路面裂縫的主要類型有：口下而上荷載疲勞裂縫、口上而下 荷載疲勞裂縫、反射裂縫、低溫裂縫和溫度疲勞裂縫，指出形成荷載型裂縫的主 要原因有：瀝青路面結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力超過材料的容許彎拉應(yīng)力；鋼橋面鋪裝 表面的負(fù)彎矩作用；集屮于瀝青路面輪跡帶附近的剪切、彎拉等復(fù)雜的力學(xué)作用。 隨后對瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料疲勞斷裂性能的影響因索進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要影響因 素有：瀝青膠漿的疲勞斷裂性能；空隙率及其分布；礦物級配及集料顆粒分布； 瀝青膠漿與集料顆粒界面粘結(jié)性能。關(guān)鍵詞：瀝青路而，裂縫，疲勞斷裂1.瀝青路面裂縫類型開裂是瀝青路面常見的一種損壞形式，開裂

2、的原因是多方面的，有可能 是荷載的原因，有可能是下臥層不均勻或開裂的原因，有可能是低溫收縮的原因, 有可能是高低溫變化導(dǎo)致疲勞的原因，也有可能是兩種或者多種原因的綜合作 用，但是裂縫的基本形式主要有以下四種，見圖1:自下而上荷載疲勞裂縫、自 上而下荷載疲勞裂縫、反射裂縫、低溫裂縫和溫度疲勞裂縫。瀝青路面的裂縫按 其在路面上的空間分布形式可以分為橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫；按其是否 由荷載原因引起可以分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫按其在豎向的 擴(kuò)展路徑又可分為自下而上裂縫和自上而下裂縫，自下而上擴(kuò)展裂縫是符合路面 結(jié)構(gòu)層底受彎，在層底彎拉應(yīng)力人于材料的容許彎拉應(yīng)力時開裂破壞，并逐漸向

3、 上擴(kuò)展理論的一種典型的路而疲勞開裂形式，由結(jié)構(gòu)層底而拉應(yīng)力引起的疲勞破 壞首先從底基層、基層或者面層產(chǎn)生疲勞破壞，在車輛荷載的反復(fù)作用下，裂縫 逐漸向上擴(kuò)展至表面，隨著瀝青路面的厚度逐漸增加和柔性基層的逐漸使用，該 種裂縫形式逐漸減少；自上而下擴(kuò)展裂縫，近來更多確認(rèn)產(chǎn)生于瀝青路面表面沿 輪跡帶方向，由表面擴(kuò)展進(jìn)入面層、基層及以下路面結(jié)構(gòu)層里，在路面表面經(jīng)常 表現(xiàn)為縱向裂紋。(a)自下而上載荷疲勞裂縫(b)自上而下載荷疲勞(c)反射裂縫(d)低溫裂縫和溫度疲勞裂縫圖1瀝青路面裂縫的主要形式卜 面就荷載型裂縫和非荷載型裂縫分別對瀝青路面裂縫的成因進(jìn)行分析。形成荷載型裂縫的主要原因有：（1）瀝青路

4、面結(jié)構(gòu)層層底的拉應(yīng)力大于材料的容許拉應(yīng)力。這種裂縫從 下往上擴(kuò)展，一般為橫縫，是一種經(jīng)典的瀝青路面荷載開裂形式。（2）止交異性鋼橋面鋪裝層頂部受到的負(fù)彎矩作用而產(chǎn)生疲勞開裂，多 見于行車道的車輪附近和兩車輪屮間。（3）剪切、彎拉、撕拉等復(fù)雜的力學(xué)作用。這種裂縫多為縱縫，多見于 車輪附近以及兩個車輪之間的路面，容易發(fā)生在交通量人的較薄的瀝青路面另外 在交通量大的柔性基層瀝青路面和較厚瀝青層的半剛性瀝青路面的表面也容易 發(fā)生。（4）路面的整體承載能力不足。形成非荷載型裂縫的主要原因有：（1）路基的不均勻沉降。在道路拓寬時，新舊路基銜接不好時產(chǎn)生差異 沉降可能會導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生縱向裂縫；軟基或者高填

5、方路基處理不好也會產(chǎn)生 差異沉降，從而可能導(dǎo)致瀝青路面開裂。（2）基層裂縫的反射。基層的裂縫一方而可以在交通荷載的作用下反射 到路面，另一方面可以在基層裂縫在溫度應(yīng)力的作用下繼續(xù)張開時由于基層和面 層的摩擦約束力在面層內(nèi)引起的拉伸應(yīng)力超過面層材料的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生面層 開裂，一般多是在兩者的綜合作用下基層的縱向裂縫反射到路面。（3）低溫收縮作用。在寒冷的天氣里，瀝青路而的材料會產(chǎn)生收縮，可 能會促使瀝青路面開裂。另外，在寒冷天氣中，上層的溫度比下層的溫度低，結(jié) 果因深度不同而收縮量不同，會引起路面的翹曲，自然會對路面材料施加翹曲應(yīng) 力，有可能使得瀝青路面開裂，裂縫多為橫縫。（4）溫度疲勞作用。因

6、季節(jié)、早晚氣溫的不同，而頻繁、交替的使瀝青 路面材料收縮、膨脹，從而可能產(chǎn)生溫度疲勞裂縫，裂縫多為橫縫。溫度疲勞裂縫和低溫裂縫可通過選擇合適的膠結(jié)物加以控制。反射裂縫 可通過改善基層及以卜各層的均勻狀況，使用柔性基層，設(shè)應(yīng)力吸收層的辦法加 以控制，另外，瀝青路而結(jié)構(gòu)層的抗疲勞斷裂能力的增強(qiáng)也會對反射裂縫的擴(kuò)展 起到阻止或者延緩的作用。荷載疲勞裂縫的控制一方面需要設(shè)置合理的路面結(jié)構(gòu)，另一方面更需要 瀝青路面結(jié)構(gòu)層貝有很好的抗疲勞斷裂性能。2瀝胄路面結(jié)構(gòu)層材料疲勞斷裂性能影響因素分析近代某些研究認(rèn)為瀝青混合料是一種多級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系。它是 以粗集料為分散相，分散在瀝青砂漿介質(zhì)屮的一種粗分散系

7、；同樣，瀝青砂漿是 以細(xì)集料為分散相，分散在瀝青膠漿介質(zhì)中的一種細(xì)分散系；瀝青膠漿是以填料 為分散相，分散在瀝青介質(zhì)屮的一種微分散系。瀝青路面結(jié)構(gòu)層的疲勞斷裂破壞機(jī)理極其復(fù)朵，影響瀝青混合料疲勞斷 裂性能的因素眾多，并月各因素z間相互作用。將影響瀝青混合料疲勞斷裂性能 的因素按其所表征的特性不同分為外部因素和內(nèi)部因素兩大類。將那些用于表征 外在環(huán)境（條件）狀態(tài)的因素統(tǒng)稱為外部因素，外部因素主要包括荷載形式和大 小、溫度、濕度、下臥層的強(qiáng)度和剛度等；而那些用于表征瀝青路面結(jié)構(gòu)層混合 料內(nèi)在組成特性的因素則統(tǒng)稱為內(nèi)部因素，內(nèi)部因素主要包括瀝青膠漿的性能、 空隙率及英分布、礦物級配及礦物顆粒的分布情

8、況、瀝青膠漿與礦物顆粒界而的 性能等。2.1瀝青膠漿性能對混合料疲勞斷裂性能的影響。法國道橋中心實(shí)驗(yàn)室（簡 稱lcpc）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料中的疲勞破壞主耍是由于瀝青膠漿的開裂或 者損傷引起的，即認(rèn)為疲勞產(chǎn)生于膠漿屮并在膠漿中擴(kuò)展。進(jìn)一步確定了瀝青膠 漿性能在瀝青混合料疲勞特性中所起的重要影響，因此對瀝青膠漿的疲勞特性進(jìn) 行研究是非常必要的。瀝青膠漿的主要成分是瀝青和礦粉。瀝青膠漿的疲勞斷裂性能是由瀝青 的性能、粉膠比、瀝青和礦粉的粘附性決定的。加利福尼亞大學(xué)們克力分校的研究人員在為shrp的疲勞性能研究報(bào)告 （編號:shrp-a-404）中指出當(dāng)瀝青用量由4.5%增加至6%時,將會使疲勞

9、 壽命提高67%”。隨后加利福尼亞大學(xué)伯克力分校在為加利福尼亞州交通部的疲勞性能研 究課題報(bào)告（編號:rta-65w485-2）中指出：“當(dāng)瀝青用量上升1%,將使得疲 勞壽命提高12%o -瀝青的性能取決于所使用的瀝青，瀝青和礦粉的粘附性主要 取決于礦粉的巖性和表面粗糙程度，這些性能不受瀝青路面的施工過程影響，但 是瀝青膠漿的粉膠比則極易受施工的彩響，影響因素冇拌和樓礦粉供應(yīng)系統(tǒng)和瀝 青供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、除塵設(shè)備的除塵能力及其穩(wěn)定性、石料的含泥量及其穩(wěn)定 性。2.2空隙率及其分布對混合料疲勞斷裂性能的影響。加利福尼亞大學(xué)伯克 力分校的研究人員在為shrp的疲勞性能研究報(bào)告（編號：shrp-a-

10、404）屮指 岀：“當(dāng)空隙率從由4%增大至8%的時候，將會使得疲勞壽命下降45%雹隨后 加利福尼亞大學(xué)們克力分校在為加利福尼亞州交通部的疲勞性能研究課題報(bào)告 （編號：rta-65w485-2）中指出：“當(dāng)而空隙率上升1%,將使得疲勞壽命下降 30% o瀝青混合料的空隙率主要受壓實(shí)功、礦料級配、瀝青膠漿占混合料的百 分比影響，在瀝青路面的施工過程屮，礦料級配變異、攤鋪機(jī)攤鋪速度過快、壓 路機(jī)的數(shù)量和噸位不足、混合料溫度過低等因素都會導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)層的空隙 率過大。2.3礦料級配及集料顆粒分布對混合料疲勞斷裂性能的影響。在瀝靑混合料 中，其中集料顆粒的強(qiáng)度和剛度都一般都人于瀝青膠漿的強(qiáng)度和剛度。

11、若在給定 載荷卜裂縫從處于強(qiáng)度較低的瀝青膠漿中或者存在與集料顆粒與瀝青膠漿的界 而開始擴(kuò)展，則在其擴(kuò)展過程屮冇很大的機(jī)率會碰到集料顆粒，因而受到阻擋。 在大多數(shù)情況下，裂紋繞過集料顆粒擴(kuò)展比穿過集料顆粒所需要的能量小，故經(jīng) 常出現(xiàn)是的在載荷增加到使顆粒斷裂之前，裂縫己繞過集料顆粒擴(kuò)展了這樣也增 加了裂紋的引伸長度，偏轉(zhuǎn)了裂紋伸展方向，因而吸收了更大的能量，起了阻裂 作用。故礦物級配和集料顆粒的分布對裂縫的擴(kuò)展起到很重要的影響作用。在瀝青路面施工過程中，瀝青混合料中礦料級配的變異是極容易發(fā)生的, 影響級配變異的因素眾多，在混合料的拌合過程屮，冷石料的級配穩(wěn)定性、扌半和 樓的稱量精度、操作人員的技

12、術(shù)水平等都口j能影響礦料級配；在混合料的運(yùn)輸、 攤鋪、碾壓環(huán)節(jié)，造成的混合料離析也會影響礦料的級配。2.4瀝青膠漿與集料顆粒界面粘結(jié)性能對混合料疲勞斷裂性能的影響。對瀝 青混合料破壞而言，瀝靑膠漿與集料顆粒之間的界面也是-項(xiàng)重要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特 征。雖然曲于化學(xué)和力學(xué)的原因，瀝青膠漿與集料顆粒界面上具冇一定的粘結(jié)力, 但由于材料間的物理和化學(xué)性質(zhì)顯著不同，從力學(xué)性質(zhì)上來看，它仍然是混合料 結(jié)構(gòu)屮的薄弱環(huán)節(jié)。裂縫在瀝青路面結(jié)構(gòu)層混合料屮擴(kuò)展，瀝青膠漿與集料顆粒界面的粘結(jié) 力影響著這種擴(kuò)展的難易程度。瀝青膠漿與集料顆粒界面的粘結(jié)力主要受集料顆 粒的巖性、集料顆粒的表面紋理影響。3結(jié)論疲勞開裂是瀝青路面的一項(xiàng)主要的損壞形式，保證瀝青路面的疲勞壽命 在設(shè)計(jì)使用年限z上是瀝青路面設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要原則，瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料的疲 勞斷裂性能直接關(guān)系到瀝青路而的疲勞壽命，因此冇必耍進(jìn)行瀝青路而裂縫類型 及結(jié)構(gòu)層疲勞斷裂性能影響因素分析，保證實(shí)休鋪筑的瀝青路面結(jié)構(gòu)層(而不是 拌合廠拌制的瀝青混合料)