沥青路面施工养护中裂缝形成机理解析

1.横向裂缝

横向裂缝指沿路面横断面方向出现的规则裂缝，表现为单根裂缝，裂缝方向与路面中心线大体垂直。横向裂缝严重时通常贯穿整个路面宽度，有时伴有多个横向或斜向的支缝。横向裂缝轻微时多为局部细线状裂缝。横向裂缝是沥青路面最常见的一种路面病害，通常被看作早期损坏现象之一。横向裂缝主要有温度裂缝、反射裂缝和沉降裂缝。

（1）温度裂缝。

沥青面层是受约束的，所以在低温或温度骤降的情况下，沥青面层中产生的收缩拉应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度或极限拉应变，沥青面层就会开裂，从而产生横向裂缝。在温度应力的反复作用下，沥青面层也会疲劳开裂形成横向裂缝。

位于路面面层的沥青结构层，一直受到气温变化的影响。当温度下降时，沥青面层就会产生收缩变形，这种变形会受到基层对路面的摩阻力和路面无限连续板体对收缩变形的约束作用，使沥青面层内部产生拉应力而导致开裂。一般来说，温度裂缝有两种。一种是一次性降温造成的温度收缩裂缝（即低温开裂）：在冬季气温骤降时，沥青混合料内应力来不及松弛，温度应力超过沥青混合料的极限抗拉强度。另一种是温度疲劳裂缝：温度升降反复作用的温度应力使沥青混合料的极限拉应变或劲度模量变小，加上沥青老化使沥青劲度增高，应力松弛性能下降，故可能在比一次性降温开裂温度更高的温度下开裂，同时裂缝随着路面使用年限的增加也不断增加。

由于沥青混凝土具有应力松弛性能，在一般的温度范围内，因温度降低而产生的拉应力，会因应力松弛而使拉应力减小，使得拉应力不足以产生裂缝。可是当温度骤然降低的时候，应力就很难松弛，因温度下降产生的应力超过了应力松弛的速度，在沥青混凝土内出现了剩余应力，当这种剩余应力超过沥青混合料的极限抗拉强度时，便产生开裂。温度裂缝多垂直于路线方向，裂缝间距变化在数米至百米之间。温度裂缝破坏了沥青路面的整体性和连续性，水分通过裂缝渗入基层，浸湿路基，导致路面承载力降低，还为冻融提供了条件。另外，温度裂缝对加铺层的影响也很大，如对裂缝未加处理，病害将会反射到面层上来，降低路面的使用寿命，增加养护费用。而且，在高等级公路上进行补强、加铺层设计，会严重影响正常的交通，造成巨大的经济损失。

（2）反射裂缝。

反射裂缝是半刚性基层路面的主要病害，世界各国均非常重视。半刚性基层材料在外界温度、湿度变化时，会产生较大的收缩，这是导致半刚性基层裂缝及产生反射裂缝的主因。其危害主要在于路表水沿缝隙不断进入路面结构内部，致使路床或半刚性基层顶面出现水化软弱层。这样，作为道路主要承重层的路床和路面基层，就不能很好地传递和扩散运营车辆的行车荷载，使沥青混凝土面层直接承受全部应力，必然造成沥青混凝土面层迅速开裂。反射裂缝一般都是横向裂缝，但是，当路面很宽时，横向的收缩也足以造成基层的开裂并反射到路表面。反射裂缝的发展与半刚性材料的质量密切相关，同时也与面层与基层的黏结状态以及面层材料的性能相关。反射裂缝产生后，雨水会从裂缝中下渗，并积聚在面层与基层之间，在荷载动水压力下出现基层唧浆现象，同时降低了沥青面层与半刚性基层之间的黏结性能，从而加速了路面结构的破坏。

（3）沉降裂缝。

①薄弱环节所致的裂缝。地基或填土路堤横向不均匀沉降、纵向填挖结合部处理方法不当、沥青混合料摊铺时横向接缝处理不当，会产生横向裂缝，并伴有错台现象。此类裂缝多发生在台背或涵洞、通道等构造物附近，高填方与低填方交界处或施工时各个表段的分界处也有可能发生。

②荷载所致的裂缝。由于碾压不合理，路基会出现不均匀沉陷。路肩、边坡处排水措施处理不好，外界水会进入，使得路基的承载力不均匀。路基边部更易出现不均匀沉降。由此，造成车辆荷载主要由面层承担，车轮下方面层底部受到的拉应力急剧增加，在车辆荷载的反复作用下，拉应力一旦超过材料的容许拉应力，则会在空洞处开裂。与此同时，车轮下方的材料还受到急剧增加的剪应力作用，一旦剪应力超过材料的容许剪应力，材料将会产生剪切破坏。因此，由于路基沉陷，面层材料在荷载作用下承受了急剧增加的剪、拉应力联合作用，从而加速了路基沉陷处路面裂缝的出现。

2.纵向裂缝

裂缝沿着道路纵向投影的长度远远大于沿横断面方向投影的长度，这种裂缝通常称为纵向裂缝。纵向裂缝通常出现在行车道，有时也会出现在超车道或停车带上，而且通常以单条或多条平行的裂缝形式出现，有时伴有少量的支缝。纵向裂缝表现为沿路面行车方向分布的单根裂缝。裂缝方向与路面中心线大体平行，成熟的纵向裂缝一般都较长，为20～50 m。纵向裂缝可分为以下三种类型。

（1）路面纵向裂缝。

大量调查发现，路面纵向裂缝大多属于表面裂缝，其中很多表面裂缝发生在施工离析的部位和两幅摊铺的交界处。国外通常认为，对厚的沥青路面而言，绝大部分路面底部拉应力很小时，很难甚至不可能产生先于表面层损坏的拉应力，认为绝大部分裂缝是表面裂缝，研究表明约70%以上裂缝是表面裂缝。

①在路表水渗入路堤下且地基范围较小的情况下，可能仅在中央分隔带两侧行车道上或者接近硬路肩的一侧产生纵向裂缝；在路表水渗入路堤下且地基范围较大的情况下，可能在中央分隔带两侧行车道上和超车道上产生两条纵向裂缝，少数路段甚至有多条纵向裂缝。

②当路基边部压实不足，或者路基边缘受水侵蚀，导致路基湿软、承载力不足时，路堤边部会产生沉降，在距路边30 cm左右处产生纵向裂缝，亦称为边缘裂缝或啃边。

③在沥青混合料摊铺时，纵向接缝处理不当，造成路面渗水或压实度未达到要求时，在行车荷载作用下亦会在纵向接缝处形成纵向裂缝，出现的纵向裂缝相当长并且比较顺直。

④地基和填土在横向分布不均匀，加之路表水渗入地基时，路面容易产生细而小的纵向裂缝。但是路面产生纵向裂缝过多、过早，裂缝宽度过大和长度过长，将严重影响路面使用性能和使用寿命。

⑤对于改建公路，因与老路相接处没有处理或者处理不符合技术规范要求，造成路基不均匀沉陷或者滑坡而形成裂缝。特别是填挖结合部分或填高沿横向变化较大处更容易出现纵向裂缝，且纵向裂缝常是连续的。

（2）荷载型纵向疲劳裂缝。(www.xing528.com)

最近美国和欧洲已有越来越多的研究证实，许多与荷载有关的疲劳裂缝发生在路面的表面且向下扩展贯穿沥青混凝土面层。这是一种比传统的疲劳裂缝更为严重的情况，尽管有些表面裂缝对路面结构的承载力没有影响，但它们对磨耗层的耐久性和功能寿命有强烈的影响。而且它们还造成水和其他外来杂物渗入路面结构，这就是沥青路面向下扩展裂缝（topdown cracking，TDC）。向下扩展裂缝可定义为起始裂缝发生在沥青路面表面沿轮迹带方向并且向沥青面层内扩展传播的裂缝。这种裂缝可能扩展穿透表面层、表面层和部分中面层，或穿透三层沥青层，这取决于路面的路龄。

自上而下的纵向裂缝一般发生在沥青路面行车道两侧轮迹带边缘，由沥青面层表面开始并向下延伸，表现为纵向裂缝。TDC也称为表面裂缝（surface cracking）、纵向表面裂缝（longitudinal surface cracking）、表面起始纵向轮迹裂缝（surface initiated longitudinal wheel path cracking）及国内所称的车辙裂缝。

TDC的初期是由出现在轮迹带外侧的单、短、小的纵向裂纹组成；随着时间的推移，TDC进入第二阶段，此时纵向短裂纹生长变长并在最初裂纹的0.3～1.0 m的范围内形成裂纹簇；最后，TDC进入第三阶段，平行纵向裂纹簇通过短的横向裂缝相互连接形成龟裂。沥青面层轮迹带上车辆轮载的反复作用，使行车道的车辙形成W形或U形，在轮迹带两侧由于拉应力或拉应变的反复作用而产生纵向疲劳开裂。这种裂缝在沥青路面车辙严重的路段很容易观察到，尤其在渠化交通的高速公路上更为明显。

（3）自下而上的疲劳裂缝。

自下而上的疲劳裂缝是典型的路面结构性破坏，是我国沥青路面结构设计的主要损害模式。在行车荷载作用下，当沥青层底的拉应变大于极限拉应变时路面将发生破坏。当基层发生破坏，沥青层会显得承载力不足，从而产生疲劳损坏，在这种情况下，裂缝从底部开始向上扩展，最后导致沥青路面网裂而彻底破坏。

所以我国半刚性基层沥青路面上产生自下而上的早期结构性破坏的网裂的原因有两个：一是基层没有做好，没有形成结构强度；二是基层强度太大，施工前已经严重开裂。

3.块裂

块裂是一种近似矩形裂块的交错裂缝，是纵向、横向裂缝密度增大并连通的结果，块的尺寸约为50 cm以上，面积为0.1～10 m2。块状裂缝的产生同荷载作用的关系不大，它主要由面层材料的低温收缩和沥青的老化以及半刚性基层的不均匀性所引起，出现在整个路面宽度范围内。

块状开裂主要是由热拌沥青混凝土的收缩以及每日循环变化的周期应力和周期应变所致。尽管荷载能增加裂缝的严重程度，但荷载与块状裂缝没有直接的关系。块状裂缝通常出现在路面区域，但有时也出现在非行车部位。块状裂缝不仅在形状和尺寸上都有别于龟裂，二者的产生原因与部位也不同。龟裂通常由重复荷载引起，多出现在行车区域。块状裂缝是路面不规则裂缝交错形成的，具体有以下两种情况。

（1）铺设沥青路面的沥青混合料采用了大量的低针入度沥青和亲水性集料，混合料硬脆性差，以及在长期使用过程中，沥青发生老化，失去柔性，在温度的反复作用下，沥青路面产生不规则缩裂。

（2）施工期间混合料发生离析，或面层厚度不一、压实度不均匀、表面不平整，在大量车辆及超载车辆作用下，路面也会产生不规则裂缝。当面层宽度较大时，脆裂、缩裂不但导致横向开裂，也会导致纵向开裂，纵横交错形成块状裂缝。

一般认为，当沥青路面的沥青针入度减小到35～50时，沥青的黏性降低，丧失了原有的弹性与韧性，在车辆的反复作用下，路面材料长期处于应力循环变化状态极易产生脆裂破坏。此裂缝出现位置比较随机，在横向、纵向、其他方向都可能出现，裂缝长度不大，纵横交织呈不规则多边形。

4.龟裂

龟裂也称网裂，裂缝与裂缝连接成龟甲纹状小网格式的、成块的、不规则破碎性的网状裂缝，常伴有沉陷和唧浆现象。龟裂主要由路面结构弯沉较大、结构层压密变形、沥青疲劳强度不足等原因引起，是沥青路面的一种主要结构损坏类型，也有研究称其为鳄鱼裂缝（alligator cracking）。其短边长度不大于40 cm。在路面纵向有平行密集的裂缝，虽未成网，但其距离不大于30 cm者，亦属龟裂。路面一旦出现严重的大范围的龟裂，表明路面结构已经进入设计极限状态。

龟裂是由于路面受交通荷载反复作用，长期处于应力应变交叠变化状态，致使其结构强度逐渐下降，这时在车辆内引起的路面应力超过结构抗力，路面材料就出现疲劳裂缝（fatigue cracking）。这种裂缝开始可能只是微观裂纹，后来相互连通形成宏观裂缝。龟裂主要有两种情况，一种情况是在行车荷载的反复作用下，沥青面层产生疲劳开裂；另外一种情况是由于基层强度不足或面层与基层之间结合差而导致的面层疲劳开裂。具体原因如下。

（1）面层空隙率大、压实度不足、混合料离析，使得雨水渗入面层，并积聚在面层之间或面层与基层之间，导致水损害，导致面层与基层之间的连续性变差，在行车荷载的反复作用下逐渐产生疲劳破坏。

（2）由于面层之间或面层与基层之间存在“软弱夹层”，在行车荷载的反复作用下导致疲劳破坏，并最终以龟裂的形式反映到面层上，或者在道路使用末期路面的疲劳次数已经达到或超过其疲劳寿命而出现的一种龟裂。这种龟裂通常位于行车道轮迹下，面积较大，常呈条片状分布，且垂直变形明显。

（3）基层强度不足或基层强度过高。比如，由于材料拌和不均匀、结合料用量不足等，基层强度不足，在行车荷载作用下，面层发生疲劳开裂并导致龟裂。而当半刚性基层强度过高时，易产生收缩裂缝，会因应力集中而引起开裂。

总的来说，龟裂的形成主要是由于路面整体强度不足、路面结构层缺失、基层承载力不足、基层排水不良或沥青路面老化严重，在行车荷载的反复作用下形成的。另外，车辆超载沥青面层摊铺时集料的离析、路基或路面局部压实不均匀，以及沥青在施工期间或长时期使用过程中的老化，都会导致沥青路面形成龟裂。

一般来说，龟裂在发展初期通常随机、孤立地分布在行车道上，面积较小。基层基本处于完好状态，因此垂直变形不明显，裂缝较少，且互不连通。在发展后期，裂缝密集且相互连通，局部的碎块已经开始脱落。在龟裂形成初期，裂缝轻微，对沥青路面的服务水平影响不大，但路面的龟裂会使得路表水渗入，造成底面层及路面基层强度减弱，并出现唧浆破损，这样便会加速龟裂面积的扩大以及裂缝的扩展，导致形成坑槽破损。