抗裂翻修方案设计考虑因素

减缓裂缝应该主要从路面材料和路面结构角度着手，主要针对裂缝类病害的路面翻修，设计方案应考虑的因素如下。

1.材料设计

沥青路面的低温开裂是当沥青面层温度随着气温下降而下降时，产生体积收缩变形，沥青面层受板底摩擦力的约束，变形受阻而转化为低温收缩应力。当收缩应力累计达到沥青面层结构强度时，沥青面层即发生开裂。所以面层沥青混合料的收缩特性、温度应力松弛能力是影响沥青混合料低温抗裂性能的两个关键因素。收缩性小，沥青路面则不至于产生过量的收缩变形；柔性好，则低温应力松弛能力好，温度应力不易累积。因此从防止沥青路面低温开裂这个角度来看，降低混合料的收缩性和提高沥青混合料的低温柔性均可提高沥青混合料的低温抗裂性能。

（1）沥青。

沥青品种和等级是影响路面开裂的重要因素。在路面裂缝比较严重的地区，选择沥青时应注意以下几点。①应选择温度敏感性低的沥青。温度敏感性低的沥青应力松弛能力强，不易出现开裂。②沥青混合料劲度模量是影响低温开裂的主要因素，而沥青劲度是决定沥青混合料劲度模量的关键。在同样条件下，低温劲度模量小的沥青具有较好的低温抗裂性能。③当温度敏感性相同时，针入度较大的沥青，劲度模量较低，比硬沥青的路面裂缝少。④低温延度大的沥青低温柔性好，抗开裂性能好，所以可选择低温延度（10℃延度）值大的沥青。⑤老化后，沥青的柔韧性会降低，应选择老化后延度值大、针入度高的沥青。⑥聚合物改性沥青具有显著的低温柔韧性，使用SBS改性沥青、SBR改性沥青等可以明显改善路面的抗裂性能，延缓开裂时间、拉大裂缝间距。

（2）沥青混合料。

研究可知，矿料的线收缩系数远小于沥青，比沥青低两个数量级，从这一方面来讲，提高矿料在沥青混合料中的体积分数，将有助于低温收缩性的改善，但这样会使混合料的柔性降低；相反，增加沥青用量，提高沥青在混合料中的体积分数，可以改善沥青混合料的低温柔性，但沥青混合料的收缩性会增大。

①沥青用量对沥青混合料的抗裂性能的影响。沥青混合料的抗裂性能取决于沥青混合料的应力松弛性能和收缩性能。应力松弛性能强，则应力不易累积；收缩性小，则不易产生大的收缩应变。增大沥青用量会使混合料应力松弛性能提高，但同时也会增大其收缩性。

②矿料级配对沥青混合料抗裂性能的影响。粒径粗的、空隙率大的混合料收缩率小，温度应力小。一般情况下，中粒式的温度应力小于细粒式；沥青稳定碎石的温度应力要小于沥青混凝土；骨架空隙结构的混合料收缩率小，温度应力要小于悬浮密实结构的沥青混凝土，但前者应力松弛性能却小于后者，且其抗拉强度也小。不同沥青混合料由于构成特点不同，其收缩性和应力松弛性能不同，对抗裂性能的影响互有抵消，所以级配与路面横向开裂率之间的关系非常复杂。骨架密实结构的沥青混合料，如SMA兼具收缩小、应力松弛能力强的优点，具有良好的抗裂性能。

另外，低温柔性好的混合料不见得低温性能就好，因为柔性好的沥青混合料收缩性往往较大，容易出现较大的收缩变形；相反，收缩性小的混合料低温抗裂性能也不一定好，收缩性小的沥青混合料低温柔性较差，不能有效地松弛温度应力。由于沥青混合料的收缩性与低温柔性是沥青混合料矛盾的两个方面，所以对沥青混合料低温性能的评价也应从这两个方面进行。

日本的研究表明，沥青面层上的裂缝数量与面层混合料的种类有很大的关系，认为沥青砂面层的裂缝数量要比密实式断级配沥青混合料面层的裂缝数量多得多。在沥青混合料中加入矿粉可使沥青胶浆的黏度比沥青单体的黏度大一个数量级，使开裂的可能性增大。当路面大幅度降温时，面层表面产生的温度应力大于表面层沥青混合料的抗拉应力时，面层就会开裂。面层沥青混合料的抗拉强度越大，面层越不容易开裂。影响沥青混合料抗拉强度大小的因素有沥青质量、矿料级配（密实级配优于半开级配和开级配）、空隙率和压实度。通常，压实度高和空隙率小的沥青混合料抗拉强度较高，采用不透水的密级配沥青混凝土作为路面结构层时，设计空隙率宜降低，采用2%～4%，有条件尽可能采用SMA做面层。

2.抗裂沥青路面结构设计

我国“七五”期间开展了国家科技攻关项目“高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计和抗滑表层的研究”，对沥青路面的反射裂缝得出了如下结论：对于开裂的半刚性基层沥青路面，当沥青层较厚（厚度大于等于12 cm）时，路面降温时最大的温度应力发生在面层表面，易于形成对应裂缝；当沥青层较薄（厚度小于9 cm）时，情况有所不同，一般为反射裂缝。面层、基层的类型和厚度以及层间接触均对路面裂缝开裂率有影响。

（1）选择空隙率小的混合料作为面层。

选择空隙率小、不透水的密级配沥青混凝土作为路面结构层，设计空隙率为2%～4%，尽可能采用SMA作为面层，其兼具收缩小、应力松弛能力强的优点，具有良好的抗裂性能。

（2）适当增加沥青层厚度。

适当增加沥青面层厚度，可有效减少沥青路面低温开裂，也能防止半刚性基层开裂的反射裂缝。一般认为，较厚的沥青面层对半刚性基层有很好的隔温保护作用，可明显减少半刚性基层的温度变化，从而减少半刚性基层温度裂缝的产生。同时，较厚的沥青面层可以减少半刚性基层材料的水分损失，从而有效减少基层的干缩应力。在一般情况下，没有干缩开裂的半刚性基层在铺筑较厚的沥青面层后也就不易干缩开裂。

有研究表明，厚度超过15 cm的面层可以有效防止反射裂缝的扩展。增加加铺层厚度，一方面可以减少旧面层的温度变化，并降低加铺层的拉应力；另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少加铺层的剪切应力，同时，可以延长其疲劳断裂寿命。但单纯依靠增加加铺层厚度的方法来防止反射裂缝也有弊端，一方面是可能会受到路面高程的限制；另一方面是会大幅度增加路面造价，而且在夏季高温时沥青混合料高温蠕变易产生车辙，同时会削弱用旧水泥混凝土板作基层所产生的强基薄面的优势，故而这一方法有很大的局限性。

同时，在其他条件相同时，当面层超过一定的厚度后，面层越厚，温度应力可能越大。室内光弹模拟试验表明，在其他条件不变的情况下，降温30℃，面层厚15 cm时，表面温度应力为1.085 MPa；厚12 cm时，表面温度应力为0.702 MPa；厚9 cm时，表面温度应力为1.0 MPa。由此可知，沥青面层厚12 cm时表面的温度应力最小，15 cm时温度应力最大。通过调查也发现，厚12 cm左右的沥青面层横向裂缝也最少。

从已铺筑的高速公路的实例来看，裂缝情况随着面层厚度的加大有明显的改善，但车辙随着路面厚度的增加而增加。如广深高速公路，路面总厚度为100～110 cm，这个结构当初是外商出于商业目的确定的，是不合理、不经济的结构；从现在的情况来看，表面车辙严重，下雨后唧浆，出现大面积松散，翻修率高。

（3）合理选用基层类型。

横向裂缝大多是面层缩裂和反射裂缝综合作用的结果。基层材料性质不仅对其本身开裂有影响，对面层的温缩应力大小也有影响。基层常用类型及材料有半刚性基层（水稳碎石、二灰碎石等）、无结合料基层（如级配碎石、级配砂砾等）、沥青稳定类基层（如沥青稳定碎石等）以及刚性基层（如贫水泥混凝土等）。

我国最常用基层类型是半刚性基层，虽然具有一定的刚度和强度，但由于本身的原因，受温度影响易产生温度收缩裂缝；同时，半刚性基层完工之后，由于水分变化易产生干缩裂缝。这些裂缝在半刚性基层成型过程中以及在交通荷载和环境因素综合作用下，逐渐扩展并延伸至沥青面层，即形成所谓的非荷载型反射裂缝。另外，半刚性基层表面致密、平整，由于不是连续施工，有时也有浮灰或污染，与面层的附着性能差，这都是半刚性基层沥青路面裂缝严重的主要原因。贫混凝土具有良好的整体性和优良的抗冲刷性，因此，贫混凝土基层路面产生沉陷、唧浆以及坑槽等病害的可能性较低，维修和养护费用较少，路面服务水平较高。但贫混凝土基层刚度较大，具有较强的温缩与干缩特性，也较容易产生裂缝，并使其上沥青面层产生反射裂缝。

裂缝级配碎石作为无结合料的粒料类材料，本身不会产生缩裂，同时可以吸收其下结构层裂缝尖端应力，常被用作防止反射裂缝的措施。即在半刚性基层（底基层）和沥青层之间加设一层过渡层，形成“倒装式”结构，这种结构可有效减少路面裂缝，是国外常见的一种路面结构。但由于碎石过渡层的强度和稳定性都比沥青层和半刚性基层弱，成为软弱夹层，需要注意其上面的沥青层厚度不能太薄，级配碎石层也不能太厚，以防止沥青面层出现疲劳破坏。沥青稳定碎石基层在欧美国家是常用的基层形式，它具有较高的抗剪切强度和耐疲劳特性，与半刚性基层相比，不易收缩开裂，能有效防止反射裂缝的产生，且具有承载能力强、水稳性与质量稳定性好的特点。除此之外，沥青稳定碎石基层修筑时间短，形成的路面结构受力均匀，受水与冰冻影响较小，维修费用低。

现在，国内越来越多的工程项目采用沥青稳定碎石基层。在半刚性基层沥青路面翻修过程中，设计方案可分为两种：一种是仍采用原方案，但需要采取措施降低其开裂的可能性；另外一种是采用柔性基层，如沥青稳定碎石。沥青稳定碎石基层施工是一次摊铺碾压成型，避免了半刚性基层分层摊铺、养护、施工周期长等缺陷，提高了工作效率，缩短了工期，非常适合用于不宜封闭交通的高速公路大修改造。采用具有一定厚度的沥青稳定碎石或者优质级配碎石作为上基层，而半刚性材料作为下卧层，这种“上柔下刚”式的“组合基层”，在很大程度上能够减少温缩裂缝和半刚性基层反射裂缝，同时还能充当具有排水功能的基层。采用组合式基层时，也应注意加强层间黏结。

3.进行半刚性材料组成的合理设计(www.xing528.com)

基层是沥青路面最主要的承重层，其质量直接影响路面的破坏状况和寿命。基层的工艺水平也直接影响其质量。我国多条高速公路沥青路面严重的早期裂缝病害，尤其是网裂，都与基层质量不好、集料离析和不均匀性（含级配、结合料剂量、含水率和密实度等）过大等因素有关。部分高速公路上的局部严重车辙也与基层质量不好有关。沥青路面翻修时，若基层需要翻修，且还需采用半刚性基层时，可通过合理的组成设计降低缩裂的发生率，如调整结合料用量与比例，增加粗集料含量并严格设计级配，以尽可能减小其温缩和干缩系数，增加半刚性基层材料的抗裂性能。

4.加强层间结合

在沥青面层与基层结合不好的情况下，沥青路面易发生推挤、滑移裂缝，还将导致其他病害的发生。在喷洒透层沥青（或黏层沥青）或铺设下封层之前，基层顶面没有清扫和冲洗干净，上面有薄层砂土或二灰土，甚至有局部外来素土层。这些砂土或二灰土将直接影响透层沥青渗入基层，或影响黏层和下封层与基层黏结，导致沥青面层和基层接触不好。

5.采取隔离层隔离收缩裂缝的措施

这种措施的主要思想是：在半刚性基层之上加设隔离层，使基层的收缩开裂尽可能少地反射到沥青面层。为了防止裂缝反射到面层，并减缓裂缝进一步发展，可以设置各种土工合成材料，如土工织物、土工格栅和金属格栅、应力吸收层和应力吸收膜等。

（1）土工织物。

土工织物包括聚丙烯或聚酯织物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺织物。无纺织物厚度为0.4～4 mm，模量为10～160 MPa，临界应力为5～20 MPa，临界应变为40%～140%。织物的厚度较薄些，为0.4～0.7 mm，模量则高些，为400～1500 MPa，临界应力和应变相应为40～140 MPa和8%～15%。无纺织物夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸收层相似，而织物由于模量稍高，可对加铺层起少量加筋作用。

（2）土工格栅和金属格栅。

格栅包括聚丙烯或聚酯土工格栅和金属格栅等。土工格栅的厚度为0.8～1 mm，模量为900～2500 MPa，临界应力和应变与土工织物相近。金属格栅的厚度为2～4 mm，其模量可达到8000～10000 MPa。刚度大的夹层对于降低加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，但对于降低荷载产生的应力、应变的作用则远大于软夹层；复合式夹层（下层为应力吸收层，上层为金属格栅）虽然可以像软夹层那样减少温度引起的反射裂缝，但仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。

（3）应力吸收层和应力吸收膜。

国外曾采用SBS和EVA（乙烯醋酸乙烯）橡胶沥青应力吸收中间层防止反射裂缝，具有一定效果，证明其可以减少和延缓反射裂缝。这是一种高弹性、低劲度的软夹层，厚度为10～50 mm，模量为10～100 MPa。其作用为降低基层与加铺层之间的黏附阻力，使二者易于蠕动、滑移，从而减少温度下降引起的反射裂缝。同时，由于隔开了接缝（或裂缝）端部，它可以降低加铺层底面的载荷能力。但据相关分析，软夹层对距底面3 mm以上的加铺层，以及位于接缝（或裂缝）之间的加铺层内的承载能力具有不良影响，使其应力和应变比不设夹层时还大。

国外还有用软沥青混凝土作为中间层的，实践表明软沥青混凝土在气候寒冷情况下防止反射裂缝较为有效。这种方法成功的关键在于沥青黏度和中间层厚度的合理选择。此外，国内外还有采用开级配沥青混凝土（沥青碎石）作中间层的，但严格来讲，沥青碎石仍具有较高模量，能传递裂缝尖端的高应力及应变，虽然该层较厚时具有较好的防裂作用，但不经济。Strata应力吸收层是美国科氏公司专门针对反射裂缝设计的，其胶结材料采用高弹性的聚合物材料，集料最大粒径为9.5 mm，混合料弹性模量较低，承受变形的能力较强。Strata技术已经得到了很多成功的验证，于20世纪90年代就得到了同行业的认可。2003年，Strata应力吸收层在武黄高速公路沥青路面加铺工程中进行了大面积推广，从通车一年多的情况来看，几乎没有明显的反射裂缝产生。2004年，Strata应力吸收层系统又在汉宜高速公路加铺工程中推广应用。

此外，氯丁橡胶改性乳化沥青和细集料也可作为应力吸收层。氯丁橡胶改性乳化沥青可以增加混合料的黏聚力和弹性，同时具有较低的温度敏感性（因此能够显著提高应力吸收层低温下的柔韧性），且与集料有很好的黏附性。由于这种应力吸收材料的集料选用细集料的密实结构，因此这种应力吸收层也具有较高的强度。值得注意的是，夹层结构能够起到很好地防止反射裂缝的作用，其防裂效果与夹层模量有关，同时使用夹层会增加夏季产生高温车辙的可能性，因此运用夹层结构防裂应充分考虑夹层模量对弯沉的影响。

6.降低和分散半刚性基层对沥青层的影响

降低半刚性基层对沥青层的影响，就是使荷载作用下半刚性基层裂缝的张开幅度较小，以及重车通过时裂缝两边的相对沉降差较小，即裂缝处有较好的传荷能力。目前，国外常用的方法有两种：设置预切缝和预先粉碎基层。

（1）设置预切缝。

设置预切缝的目的是把总的裂缝张开幅度分摊到大量的微细裂缝上，其难点在于合理控制预切缝的间距。在基层设置预切缝的方法是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预切缝且设法让这种裂缝仅保留在基层，而不反射到面层。它的防裂原理主要是通过预切缝改善基层约束条件，从而在一定程度上释放温度应力来达到防裂目的。同时，在预切缝上铺设一定宽度的土工织物，既起到了防渗作用，又在一定程度上缓解了裂缝处沥青面层应力集中，从而延缓或消除了面层反射裂缝的产生。

基层采用预切缝来减少沥青面层反射裂缝的措施在国内外工程中都有应用。如德国1986年设计规范规定，当沥青面层厚度小于或等于14 cm时，基层厚度不管多大，只要基层抗压强度不大于12 MPa，基层必须设置预切缝。为了避免薄沥青面层下水泥稳定土基层产生不规则的、紊乱的裂缝反射到沥青面层上，也为了减少裂缝的破坏作用，建议在水泥土基层上每隔8～12 m做一假缝，深6～8 cm，缝宽10～12 mm，这种做法在法国也应用较多，一些国家已经作为标准的方法写入规范。我国曾经在黑龙江省哈双高速公路上根据法国专家的要求设置基层预切缝，但是并未取得预期效果。目前，该做法很少应用。

（2）预先粉碎基层。

预先粉碎基层是采用荷载（交通或振动）使基层粉碎，这样一来，半刚性材料的收缩就会分布到这些细小的裂缝中，不会产生横贯裂缝。但是这种做法与设置半刚性基层的目标（提供较高的强度和承载力）是相矛盾的，因此这样的处理方式在我国是难以认可的，也没有应用过，其效果究竟如何还有待研究。

7.提高沥青面层的均匀性

沥青混合料的均匀性对裂缝的影响特别大，在施工过程中也特别难控制。施工中受不同环节的影响，沥青面层产生不均匀性的可能较大。面层的不均匀性又将导致面层产生较多的薄弱点，每个薄弱点都是容易产生低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝的位置。

因此，在沥青路面面层中产生温度应力或温缩应变的过程中，这些薄弱点抗收缩应变的能力往往很差。产生非均匀性的主要因素有：沥青混合料矿料级配的变化，混合料的拌和温度、时间，粗细集料的离析，温度离析，面层厚度变化，压实度变化等。因此，在调查过程中发现，相同面层结构的同一条高速公路上，裂缝的形式以及分布有较大的差别。

沥青混合料的均匀性包括矿料级配的均匀性、拌和的均匀性、有无粗细集料的离析和离析现象的轻重程度、面层压实度和空隙率的一致性以及层厚的一致性。沥青面层的均匀性越好，其强度也就越均匀，面层表面的薄弱处也就越少。因此，在其他条件相同的情况下，沥青面层均匀性越好，表面产生温度裂缝的时间可能越晚，温度裂缝数量也会越少。