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摘 要

隨著我國(guó)公路總里程數(shù)的不斷升高，瀝青路面的養(yǎng)護(hù)工作越來(lái)越成為交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)中的關(guān)鍵。瀝青路面裂縫是其最主要、最常見(jiàn)的病害之一，及時(shí)、有效地對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)填封是保障瀝青路面長(zhǎng)期性能的重點(diǎn)。本文以瀝青路面裂縫的形成機(jī)理為基礎(chǔ)，探究填縫構(gòu)造形式、粘結(jié)劑種類以及用量對(duì)于裂縫修補(bǔ)效果的影響，為選擇合理的填縫構(gòu)造與粘結(jié)劑方案提供參考瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞

瀝青路面 | 裂縫修補(bǔ)技術(shù) | 疲勞壽命 | 粘結(jié)強(qiáng)度

隨著國(guó)內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，瀝青路面的公里數(shù)持續(xù)上升，相當(dāng)一部分的瀝青路面將逐漸進(jìn)入設(shè)計(jì)年限的后期階段，各種路面病害發(fā)生愈加頻繁。其中，裂縫是瀝青路面最主要、最常見(jiàn)的病害之一，若在自然、交通條件惡劣的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)在公路運(yùn)營(yíng)的中前期。裂縫的存在不僅會(huì)使得水分更容易進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致坑槽、剝落等水損害，還會(huì)削弱路面的結(jié)構(gòu)承載力，加速路面的破壞，對(duì)于路面壽命與行車安全都是極為不利的。

因此，合理的裂縫修補(bǔ)對(duì)于保證瀝青路面長(zhǎng)期高質(zhì)量運(yùn)營(yíng)意義重大。根據(jù)不同裂縫的形成機(jī)理，根據(jù)實(shí)際情況采取最適合的裂縫修補(bǔ)技術(shù)，并選取合適的填縫構(gòu)造、灌縫粘結(jié)劑種類與用量，從而利用有限的養(yǎng)護(hù)資金對(duì)瀝青路面裂縫進(jìn)行高質(zhì)量的養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)，使瀝青路面服務(wù)水平重新回升。

瀝青路面裂縫形成機(jī)理

瀝青路面在車輛荷載與自然因素(溫度變化、雨水浸入等)的作用下，常見(jiàn)的裂縫類型有龜裂、塊裂、橫向裂縫、縱向裂縫、反射裂縫等，其產(chǎn)生的機(jī)理各有相同又互有聯(lián)系，主要有以下幾點(diǎn):

(1)車輛荷載的循環(huán)作用

瀝青路面始終處在一個(gè)車輛動(dòng)荷載交替作用的環(huán)境中，瀝青路面上某一處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間處于類半正弦波的波動(dòng)狀態(tài)，在這個(gè)持續(xù)的循環(huán)過(guò)程中，具有粘彈性質(zhì)的瀝青混合料抗拉強(qiáng)度將逐漸下降，直至低于其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)則會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，在路表面多處發(fā)生微小的疲勞斷裂后則會(huì)形成龜裂。

(2)晝夜溫度的循環(huán)變化

瀝青路面始終處在暴露的自然環(huán)境中，其溫度受到晝夜、天氣影響很大，越接近路表的路面結(jié)構(gòu)溫度變化幅度越大。瀝青混合料是典型的受溫度影響極大的材料，在晝夜溫度變化的過(guò)程中，瀝青混合料可能產(chǎn)生膨脹與縮裂，此時(shí)若原材料的性質(zhì)不佳(如瀝青粘度不足)將很可能在長(zhǎng)期溫度應(yīng)力的作用下出現(xiàn)松散，從而導(dǎo)致路面出現(xiàn)塊裂、橫向裂縫。

(3)半剛性基層開(kāi)裂貫通至路面

我國(guó)道路普遍采用的半剛性基層在晝夜溫度變化以及水泥混凝土自身水化作用下會(huì)發(fā)生溫縮或干縮，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，荷載作用時(shí)上部路面結(jié)構(gòu)在開(kāi)裂處所受的最大拉應(yīng)力將會(huì)驟增，一段時(shí)間后將會(huì)導(dǎo)致下面層拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度而開(kāi)裂，這個(gè)過(guò)程將逐漸向上發(fā)展，最后裂縫貫通至路表，形成反射裂縫。

填縫構(gòu)造形式對(duì)路面性能的影響

填縫構(gòu)造的形式有許多種，不同構(gòu)造形式之間在填縫效果、成本投入、操作便捷程度等方面存在較大的不同，因此本文選取四種典型的填縫構(gòu)造進(jìn)行研究，分別為標(biāo)準(zhǔn)槽路表齊平式、標(biāo)準(zhǔn)槽梯形封頂式、淺刻槽梯形封頂式以及無(wú)刻槽梯形封頂式，如圖1所示。

采用典型的SMA-13級(jí)配與最佳油石比，成型車轍板試件，成型之前在車轍板模具中部放置相應(yīng)填縫形式的活動(dòng)鋼板，成型之后取下以模擬瀝青路面裂縫，并熱熔型聚合物密封膠進(jìn)行填縫。隨后將車轍板試件切割成小梁，進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，以獲取不同填縫構(gòu)造下瀝青路面小梁試件的疲勞壽命和粘結(jié)強(qiáng)度，探究不同填縫構(gòu)造對(duì)于裂縫修補(bǔ)后路面性能的影響。將疲勞試驗(yàn)得到的疲勞壽命次數(shù)Nf取對(duì)數(shù)得到疲勞壽命對(duì)數(shù)lgNf，將拉拔試驗(yàn)得到的粘結(jié)力與小梁橫截面相除得到粘結(jié)強(qiáng)度，如表1、圖2所示。

由圖2可以看出:

(1)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)槽路表齊平式與標(biāo)準(zhǔn)槽梯形封頂式，可以發(fā)現(xiàn)按照相應(yīng)方式填縫后，后者的疲勞壽命與粘結(jié)強(qiáng)度均比前者高，且粘結(jié)強(qiáng)度提升明顯，表明在填縫時(shí)進(jìn)行梯形封頂能夠有效地提高裂縫修補(bǔ)后該段瀝青路面的路面性能，使裂縫兩側(cè)瀝青混合料粘合緊密、受力均勻，能夠維持相當(dāng)一段時(shí)間的優(yōu)良性能。

在填縫過(guò)程中若僅僅將填縫材料注滿裂縫，填縫表面處仍然暴露在雨水、空氣與行車荷載之中，填縫材料與兩側(cè)原始的瀝青混合料之間連接仍然不夠牢固;在此基礎(chǔ)上，若將填縫材料在裂縫之上澆灌成以更完全地封住開(kāi)裂處，則一方面加強(qiáng)了開(kāi)裂兩側(cè)的連接，另一方面也保護(hù)了開(kāi)裂處直接受到空氣與雨水的作用，有效保護(hù)了路面脆弱的部位。同時(shí)在開(kāi)放行車后，在車輛荷載的反復(fù)作用下，該梯形封頂將被緩慢碾平，部分填縫材料將被填充進(jìn)因溫度升高而導(dǎo)致裂縫膨脹的體積中去，進(jìn)一步強(qiáng)化了開(kāi)裂處的抗疲勞和剪切能力。

(2)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)槽梯形封頂式、淺刻槽梯形封頂式以及無(wú)刻槽梯形封頂式，可以發(fā)現(xiàn)按照相應(yīng)方式填縫后，無(wú)刻槽的疲勞壽命與粘結(jié)強(qiáng)度均大幅低于另外兩者有刻槽的填縫形式，而在同樣刻槽的填縫形式中，淺刻槽的疲勞壽命與粘結(jié)強(qiáng)度均略微低于標(biāo)準(zhǔn)刻槽，表明刻槽對(duì)于裂縫修補(bǔ)十分關(guān)鍵，能夠明顯提高裂縫修補(bǔ)的質(zhì)量，同時(shí)淺刻槽的填縫效果略差于標(biāo)準(zhǔn)刻槽，但仍然處于較高水平，可以根據(jù)道路實(shí)際情況選擇合適的填縫形式。

在填縫過(guò)程中進(jìn)行裂縫刻槽的意義在于為填縫材料提供一個(gè)穩(wěn)定、平整、清潔的界面，使得填縫材料能夠充分地填充整個(gè)空間且受力簡(jiǎn)單明確，粘結(jié)效果顯著提升，有利于裂縫修補(bǔ)后路面的長(zhǎng)期性能，但因此對(duì)于路面養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)時(shí)的人員、儀器與操作提出更高的要求;若不進(jìn)行刻槽直接進(jìn)行填縫，能夠節(jié)省一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間與開(kāi)支，但填縫后開(kāi)裂處仍然可能在多次車輛荷載后達(dá)到其抗拉強(qiáng)度的極限，從而再次被撕裂，需要進(jìn)行再次的養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)，不利于路面長(zhǎng)期性能的保持。

灌縫粘結(jié)劑對(duì)路面性能的影響

瀝青路面在車輛和雨水、溫度等自然因素的作用下，裂縫病害可能發(fā)生在任何一個(gè)位置，但若在瀝青路面攤鋪施工過(guò)程中由于工時(shí)安排、天氣因素等中斷攤鋪留下冷接縫，次日繼續(xù)攤鋪時(shí)，接縫位置沒(méi)有進(jìn)行妥善的處理，接縫處抗疲勞與剪切能力弱，則在道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中將很有可能在此位置發(fā)生裂縫病害。因此，在處理該接縫時(shí)，粘結(jié)劑的種類與用量將會(huì)顯著影響到該接縫后期的力學(xué)性能，進(jìn)而影響到該段瀝青路面的整體路面性能。因此，通過(guò)采用不同的粘結(jié)劑以及不同粘結(jié)劑含量，探究灌縫粘結(jié)劑對(duì)于路面性能的影響，以尋找一定條件下最佳的粘結(jié)劑方案。

粘結(jié)劑種類

采用如前述相同的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法，選取最常見(jiàn)的三種接縫粘結(jié)劑進(jìn)行研究，分別為普通乳化瀝青、樹(shù)脂乳化瀝青、高粘乳化瀝青，粘結(jié)劑用量統(tǒng)一采用0.6kg·m^-2。試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖3所示。

由圖3可以看出:

對(duì)比疲勞壽命，三種乳化瀝青作為粘結(jié)劑，其修補(bǔ)灌縫后的試件疲勞壽命相差有限，其中高粘乳化瀝青灌縫后的試件具有最高的疲勞壽命，樹(shù)脂乳化瀝青灌縫后的試件疲勞壽命則在三者中處于最低;對(duì)比粘結(jié)強(qiáng)度，從普通乳化瀝青到樹(shù)脂乳化瀝青再到高粘乳化瀝青，其粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，高粘乳化瀝青灌縫后的路面接縫處的粘結(jié)強(qiáng)度很高。

可以發(fā)現(xiàn)，隨著乳化瀝青粘度的增高，其對(duì)于路面疲勞壽命的提高有限，但能夠顯著改善路面接縫處灌縫后的粘結(jié)強(qiáng)度，因此在三種粘結(jié)劑中采用高粘乳化瀝青具有最好的后期路面性能，但在實(shí)際中需要結(jié)合具體情況與成本限制作出綜合考慮與比選。

粘結(jié)劑用量

采用如前述相同的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法，選取粘結(jié)劑用量為0.3、0.6、0.9kg/㎡三種方案進(jìn)行試驗(yàn)，粘結(jié)劑統(tǒng)一采用高粘乳化瀝青。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖4所示。

由圖4可以看出:

隨著粘結(jié)劑用量的提升，灌縫后試件的疲勞壽命與粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，由0.3kg·m^-2用量增加至0.6kg·m^-2用量時(shí)兩種路面性能提升較為明顯，由0.6kg·m^-2用量增加至0.9kg·m^-2用量時(shí)兩種路面性能不僅沒(méi)有提升，反而有略微的下降，在0.6kg·m^-2用量下試件的兩種路面性能最優(yōu)。

可以發(fā)現(xiàn)，隨著粘結(jié)劑用量的增加，試件的疲勞壽命與粘結(jié)強(qiáng)度并不是始終保持增長(zhǎng)的，在一定范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳用量。這是由于適量的粘結(jié)劑可以充分地填充接縫并與兩側(cè)瀝青混合料接觸并融合，在此基礎(chǔ)上若繼續(xù)增加粘結(jié)劑反而會(huì)在一定程度上撐開(kāi)接縫甚至溢出，多余的粘結(jié)劑反而過(guò)渡潤(rùn)滑了接縫，使得傳力效果下降。因此，在三種粘結(jié)劑用量中采用0.6kg·m^-2具有最好的后期路面性能，但在實(shí)際中需要結(jié)合具體情況與成本限制作出綜合考慮與比選。

結(jié)語(yǔ)

瀝青路面裂縫的存在將導(dǎo)致瀝青路面處于一個(gè)極易受破壞的狀態(tài)，及時(shí)、有效地對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)填封是瀝青路面養(yǎng)護(hù)工作中的重中之重。在裂縫修補(bǔ)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況、養(yǎng)護(hù)人員與資金配置合理地選取填封構(gòu)造、粘結(jié)劑的種類與用量，在養(yǎng)護(hù)質(zhì)量與成本投入之間尋找一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。