劉慶洋 黃子忠 湯 浡

1大慶油田工程有限公司2東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院

大慶油田半剛性基層瀝青路面裂縫分析及防治

劉慶洋1黃子忠1湯 浡2

1大慶油田工程有限公司2東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院

大慶油田主、次干道路絕大多數(shù)是半剛性基層瀝青路面，隨著油田建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和道路使用年限的增長(zhǎng)，許多道路路面已經(jīng)開裂，有的已經(jīng)影響到道路的正常使用。瀝青路面產(chǎn)生裂縫的原因很復(fù)雜，大致可分為溫度裂縫、反射裂縫和疲勞裂縫。為減少裂縫可選擇性能優(yōu)良、溫度敏感性低的瀝青；在半剛性基層上采用瀝青混合料作隔溫層，減少材料中的溫度梯度，從而減少溫度應(yīng)力；選擇基層時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用二灰類基層；在瀝青面層和半剛性基層之間設(shè)置一層彈性模量低、韌性好的材料作為應(yīng)力吸收層；面層與基層之間設(shè)置級(jí)配碎石層；半剛性基層施工時(shí)含水率不能太大，要進(jìn)行良好的養(yǎng)生，瀝青面層在半剛性基層尚未開裂之前必須鋪筑。對(duì)于路面裂縫的成因要引起足夠的重視，路面開裂后要及時(shí)處理。

油田道路；半剛性基層；瀝青路面；裂縫；應(yīng)力；勁度

大慶油田主、次干道路絕大多數(shù)是半剛性基層瀝青路面，隨著油田建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和道路使用年限的增長(zhǎng)，許多道路路面已經(jīng)開裂，有的已經(jīng)影響到道路的正常使用。分析半剛性基層瀝青路面裂縫產(chǎn)生原因并進(jìn)行防治對(duì)油田道路建設(shè)具有重大意義。瀝青路面裂縫原因很復(fù)雜，大致可分為溫度裂縫、反射裂縫和疲勞裂縫。

1 溫度裂縫

通常認(rèn)為，瀝青面層的溫度裂縫主要有兩種形式，一種是由于氣溫驟降，瀝青層內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度造成的開裂。瀝青混合料具有良好的應(yīng)力松弛性能，當(dāng)溫度升降產(chǎn)生變形時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生過高的溫度應(yīng)力。但當(dāng)氣溫驟降時(shí)，由于瀝青混合料的應(yīng)力松弛趕不上溫度應(yīng)力的增長(zhǎng)，超過混合料的極限拉伸應(yīng)變，便產(chǎn)生開裂。此類裂縫多從路面表面產(chǎn)生，并向下發(fā)展。瀝青路面的低溫收縮裂縫是寒冷地區(qū)瀝青路面特有的損壞模式。另一種是溫度疲勞裂縫，由于氣溫的反復(fù)升降，導(dǎo)致瀝青混合料產(chǎn)生溫度應(yīng)力疲勞，混合料的極限拉伸應(yīng)變減小，應(yīng)力松弛性能降低，最后導(dǎo)致路面在并不太大的溫度應(yīng)力下發(fā)生開裂。此類裂縫主要發(fā)生在溫度變化頻繁的溫和地區(qū)，且隨著使用年限的延長(zhǎng)而不斷增多。

大慶油田位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季明顯，溫差較大。油田內(nèi)的瀝青路面由于溫差引起的開裂現(xiàn)象較多，為了減少溫度裂縫，可以采取以下措施：

（1）選擇性能優(yōu)良、溫度敏感性低的瀝青。為減小瀝青的溫度敏感性，應(yīng)選用針入度較大的瀝青作面層，也可以用橡膠瀝青或聚合物改性瀝青在瀝青混凝土表面作一封層。

（2）在半剛性基層上采用瀝青混合料作隔溫層，減少材料中的溫度梯度，從而減少溫度應(yīng)力。

（3）半剛性基層完成后，保養(yǎng)期一過應(yīng)盡快鋪筑隔溫層或較厚的瀝青面層。

（4）選擇基層時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用二灰類基層。水泥穩(wěn)定碎石的抗溫縮能力略差一些，因而適用于日溫差變化不大的地區(qū)。

（5）采用合理的級(jí)配和先進(jìn)的施工工藝，以提高路面的低溫抗裂性能。

2 反射裂縫

半剛性基層屬于水硬性材料，在基層鋪筑完成后其內(nèi)部仍在進(jìn)行的物理化學(xué)作用使得基層的強(qiáng)度和剛度不斷增長(zhǎng)。這類材料的收縮受疲勞特性以及施工條件所限，可能導(dǎo)致基層發(fā)生干縮和溫縮裂縫，但下臥層與該層摩阻作用產(chǎn)生的約束力抑制了其收縮，因而基層板體將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這一應(yīng)力超過基層抗拉應(yīng)力時(shí)板體就會(huì)斷裂，產(chǎn)生橫向裂縫。目前大多數(shù)路面結(jié)構(gòu)都是強(qiáng)基薄面型的，較厚的半剛性基層上的瀝青面層一般比較薄，半剛性基層開裂后，會(huì)引起瀝青面層底部應(yīng)力集中，致使面層底部開裂，之后裂縫不斷地向上擴(kuò)展最終形成反射裂縫。此外當(dāng)車輛駛過基層裂縫時(shí)，瀝青面層受到剪切與彎拉作用，行車荷載的反復(fù)作用也造成裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。顯然，反射裂縫的產(chǎn)生首先要?dú)w因于半剛性基層的開裂。

從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面保證路面不發(fā)生荷載型裂縫是減輕半剛性路面反射裂縫的首要措施。根據(jù)力學(xué)分析，影響半剛性基層底面拉應(yīng)力大小的主要因素包括面層厚度、基層厚度、基層的彈性模量和下承層的彈性模量等。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)交通量，特別是輪荷載和當(dāng)量軸載及容許彎沉值計(jì)算出合理的半剛性基層厚度，同時(shí)從施工的可操作性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性考慮，基層最小厚度不宜小于15 cm。如果半剛性基層過薄，容易因承載力不足而產(chǎn)生破壞。因此可通過增加基層厚度來(lái)提高路面承載力以減少反射裂縫，但增加厚度不宜過量，因?yàn)榛鶎舆_(dá)到一定厚度時(shí)，再增加其厚度效果遠(yuǎn)不如薄時(shí)明顯，并且不經(jīng)濟(jì)。為了減少半剛性基層的反射裂縫，還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：

（1）在瀝青面層和半剛性基層之間設(shè)置一層彈性模量低、韌性好的材料作為應(yīng)力吸收層，以吸收半剛性基層裂縫。這是國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的一項(xiàng)工程措施。

（2）增設(shè)土工織物或格柵。土工織物中間層能大幅度增強(qiáng)瀝青面層抗裂強(qiáng)度，其對(duì)瀝青面層底具有箍固作用。

（3）面層與基層之間設(shè)置級(jí)配碎石層。目前這種方法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不多，但是在其他國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用，而且效果也比較好。

（4）半剛性基層施工時(shí)含水率不能太大，要進(jìn)行良好的養(yǎng)生，瀝青面層在半剛性基層尚未開裂之前必須鋪筑。

（5）通過半剛性基層材料的合理設(shè)計(jì)，如調(diào)整結(jié)合料的用量與比例，增加粗骨料含量并嚴(yán)格設(shè)計(jì)級(jí)配，盡可能地減小其溫縮和干縮系數(shù)，增加半剛性基層材料的抗裂性能。

3 疲勞裂縫

隨著傳統(tǒng)的疲勞破壞理論的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到路面的破壞是由于荷載在路面材料中引起的重復(fù)加載，疲勞應(yīng)力超過了路面混合料的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生的。

道路上的行車也是造成路面結(jié)構(gòu)破損、路基失穩(wěn)的主要因素。隨著交通量的增加、軸載的增大和公路上行車速度的提高，交通荷載的振動(dòng)特性以及交通參數(shù)確定的合理性等交通荷載因素對(duì)瀝青混凝土路面早期破損的影響是不容忽視的。

瀝青路面的疲勞裂縫主要受荷載條件、環(huán)境條件及材料性質(zhì)的影響。荷載條件和環(huán)境條件的影響是不可控制的，所以主要關(guān)心的是材料性質(zhì)的影響。國(guó)內(nèi)外的許多試驗(yàn)表明，瀝青混合料的勁度是影響疲勞壽命的重要參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)，在控制加載模式中，疲勞壽命隨著混合料勁度的增加而增加，這是因?yàn)槊看渭虞d產(chǎn)生的應(yīng)變較小，因此重復(fù)作用的次數(shù)就多。而在控制應(yīng)變的加載模式中，疲勞壽命隨混合料勁度的增加而降低，這是因?yàn)閯哦雀?，每次重?fù)加載的應(yīng)力就大，疲勞壽命就少。所以一切與勁度模量有關(guān)的因素都將直接影響到瀝青混合料的疲勞壽命，如瀝青用量、種類、稠度等。

瀝青混合料的空隙率對(duì)疲勞壽命的影響也十分明顯，不論是哪種加載模式，降低空隙率都能延長(zhǎng)混合料的疲勞壽命，所以一般密級(jí)配混合料比開級(jí)配混合料有較長(zhǎng)的疲勞壽命。此外集料的表面紋理、形狀和級(jí)配都對(duì)混合料的疲勞壽命有一定的影響。

瀝青路面的疲勞裂縫主要表現(xiàn)形式為網(wǎng)裂和龜裂。在車輪的長(zhǎng)期作用下，網(wǎng)裂或龜裂會(huì)順著公路延伸方向呈狹長(zhǎng)帶分布。有的局部下沉近似圓形分布，有的路面基層嚴(yán)重下沉呈條狀分布。疲勞開裂的裂縫寬度一般在3 mm以上，出現(xiàn)在面積為1 m2以上的網(wǎng)狀裂縫上。

輕微龜裂可以不處理。當(dāng)取芯證明面層龜裂已影響到瀝青中面層時(shí)，可按3.75 m寬，刨10 cm瀝青面層，采用10 cm厚中料式瀝青混凝土分層鋪筑恢復(fù)至罩面前路面高程。鋪筑瀝青混凝土之前，底面噴黏層油，側(cè)壁涂刷改性瀝青聚合物密封材料2～3遍，厚度控制在3 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

半剛性基層路面是目前大慶油田經(jīng)常采用的路面結(jié)構(gòu)形式。通常認(rèn)為半剛性基層具有板體性強(qiáng)，承載能力和抗變形能力高，抗凍性好，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)開裂后破壞了路面的連續(xù)性和整體性，導(dǎo)致路面承載力下降，嚴(yán)重影響路面的使用性能，并加速了路面的破壞。因此，對(duì)于路面裂縫的成因要引起足夠的重視，路面開裂后要及時(shí)處理。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.042

劉慶洋：工程師，2008年畢業(yè)于東南大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，從事道橋設(shè)計(jì)工作。

2015-04-21

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