沥青路面裂缝成因及防治措施分析
黄光明
（福建省龙岩市永定公路事业发展中心，福建 龙岩 364100）
保证沥青路面面层平整、避免路面开裂是公路工程建设的基本目标，也是衡量道路施工质量的关键指标[1]。我国公路工程建设水平已处于世界先进水平，对于沥青混凝土路面的施工工艺与质量控制措施已较为成熟，造成沥青路面裂缝形成的原因较多，需要通过多方面的因素进行分析与控制，避免沥青路面开裂[2]。本文以国道357 线K208+800—K220+100 段路面改造工程项目为例，对沥青路面裂缝成因及相关技术进行分析，并提出了相应的防治措施。
本项目为国道357 线K208+800—K220+100 段路面改造工程，既有道路为水泥混凝土路面，位于福建省龙岩市永定区，属于二级公路，其中K208+800—K217+350 路面为沥青混凝土路面加铺段，K217+350—K220+100 为水泥混凝土路面加铺段，设计使用年限为12 a，属于改建项目。根据历史设计资料收集得到，该路段原路面结构形式为24 cm 厚水泥混凝土面层+20 cm 厚5%水泥稳定碎石基层+20 cm 厚填隙碎石底基层，既有路面宽度：K208+800—K212+840 为12.0 m、K212+840—K213+830 为15.0 m、K213+830—K220+100 为8.5 m。项目工程地理位置如图1所示。
图1 项目工程地理位置
公路初期交通量参考金砂观测站调查点观察数据显示，2019年项目段道路机动车自然数合计20 472辆，当量数24 859 辆。根据公路等级和功能以及地区经济和交通发展情况，本项目交通量的年平均增长率取10%，方向系数取0.55，车道系数取100%，公路TTC分类标准为TTC2 类，本公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为1.115 627×107辆，交通等级属于重交通。交通量年度统计报表见表1。
表1 2019年连续观测站交通量年度统计报表
沥青混凝土路面施工基本工艺主要包括[3-4]以下方面。①沥青混凝土混合料的配制。沥青混凝土混合料的配制是公路工程建设中的重要环节，也是影响公路路面施工质量的关键步骤。沥青混凝土混合料配制需要根据公路工程的总体建设目标进行科学计算各种材料的配比，并按照配制工艺进行全流程标准化操作，从而得到符合公路工程质量要求的混合料；
在混合料配制时还应当对原材料的质量进行检测与控制，若沥青针入度、混凝土密度等原材料指标不达标则可能导致路面裂缝形成。②沥青混凝土混合料的运输。混合料的运输也是沥青混凝土路面施工的基本工艺，在客观条件不满足的情况下沥青混凝土混合料无法在施工现场进行制备，因此制备好的沥青混凝土混合料需要通过专用车辆运输到工程现场，保证配制好的混合料符合运输质量要求。③沥青混凝土混合料的摊铺与压实。混合材料的摊铺与压实作业是公路路面工程施工中的关键步骤，在摊铺与压实施工过程中需要协调压实机作业长度与摊铺速度间的关系，从而保证压实施工作业的稳定性与质量。沥青混凝土混合料的摊铺与压实过程中因根据环境温度、湿度和风速等条件灵活调整摊铺与压实速度，从而保证沥青混凝土混合料温度处于适宜状态，避免摊铺不当增加路面开裂风险。④路面保护。在混合材料的摊铺与压实作业完成后，还应对沥青混凝土面层平整度进行检查，其中尤其应当重点检查路面接缝、下水道井盖等特殊部位；
此外，对于刚刚进行压实施工的沥青混凝土路面还需要进行保护，一般以土工布覆盖的方式对沥青混凝土面层进行覆盖从而保护路面，必要时还可在土工布上洒水以达到润湿保护作用，避免刚施工的路面发生变性或出现裂缝。结合沥青混凝土路面施工基本工艺进行分析，导致沥青路面相应裂缝形成的主要原因有以下几点。
2.1 载荷型裂缝的成因
载荷型裂缝是沥青混凝土路面的常见裂缝，其形成原因主要是由于当超重载荷超过路面承载能力时，会使得路面结构层的弯拉应力超过沥青路面结构层的抗拉极限，从而导致载荷型裂缝的形成。不仅如此，由于沥青混凝土面层是公路路面的最上层，顶层平面的状态会直接受到下层平面的影响，而沥青混凝土路面结构基层在超重载荷的作用下会产生极大的弯拉应力，超重载荷作用下路面表层的弯拉应力会远小于路面结构基层，随着超重载荷对于沥青路面的长期作用，当结构基层的破坏达到一定程度时裂缝便会不断扩传导至沥青路面表层，形成可见的载荷型裂缝，因此当沥青路面形成载荷型裂缝时通常已发生严重的结构基层破坏[5]。
2.2 温度疲劳型裂缝的成因
沥青混凝土材料具有能够在高温下受热融化为液态混合物的物理化学性质，而且在温度降低至适宜温度后，混合料颗粒间具有极大的内摩阻力与粘结力，因此，通常情况下沥青混凝土恢复至常温后即可获得良好的稳定性，这也是采用沥青混凝土进行路面施工的主要优势之一。但正是由于沥青混凝土的这一物理化学性质，部分极端条件下沥青路面长时间受到较大温差的影响，如在昼夜温差变化大、温度变化频繁的地区，长时间的极端温度变化刺激会加快沥青混凝土的老化速度，使沥青路面产生形变疲劳并导致沥青混凝土混合料的应变抵抗能力与弹性模量降低，长时间作用下就会使得沥青路面的温度变化应力超出路面承受能力，最终导致路面裂缝的形成[6]。由于温度疲劳型裂缝的成因主要是由于长时间的温度变化导致的累积效应而形成，因此温度疲劳型裂缝的形成通常具有一定的规律性，在特定环境下的温度疲劳型裂缝往往会在一定时间内呈连续或间断性形成的趋势。
2.3 低温收缩型裂缝的成因
在适宜温度条件下沥青混凝土胶结料的黏结力极强，能够承受较大的外部压力，且具有相对较好的延展性能，因此在巨大的压力作用下也能有效降低直接破裂的风险，应用于公路路面施工中能够长期保持极高的稳定性，在提高承载负荷、延长公路使用寿命等方面具有显著优势。但在极端的低温条件下沥青混凝土材料会由于热胀冷缩原理而出现收缩，这会使沥青混凝土路面自由形变范围缩小与路面变硬，同时也会降低沥青路面的韧性与形变抵抗能力，因此在极寒环境下沥青路面的收缩应力可能会突破抵抗应变极限而出现低温收缩型裂缝[7]。值得指出的是，低温收缩型裂缝与温度疲劳型裂缝均与温度和沥青材料的物理化学性质有关，但2 种裂缝的形成原因具有一定差异，其中温度疲劳型裂缝主要是由于温差变化导致的沥青路面形变疲劳引起，而低温收缩型裂缝则主要是由于极端低温条件下沥青路面的收缩应力突破材料抵抗应变极限而引起。
2.4 反射型裂缝的成因
沥青混凝土道路的路面基层多为半刚性材料，这种材料能够在减小面层厚度的同时极大地增加沥青道路的最大承受载荷，在节约道路建设成本的条件下提高道路质量与使用性能，但半刚性材料内部刚度与强度达到最大值的过程是随着时间的推移而逐渐发生，这使得使用半刚性材料作为路面基层的沥青道路基层施工结束时基层材料的强度与刚度往往还未达到最大值，因此前期施工与管理不当可能使道路基层在温度与湿度变化的影响下发生温缩现象，而这种温缩现象产生的变形应力在路基的抵抗下无法充分释放，基层内部会产生较强的拉应力，当这种拉应力超过沥青混凝土道路基层的最大抗拉强度时基层就会出现裂缝。沥青道路基层裂缝会与沥青表层间形成一个应力集中点，在温度应力与载荷等因素的综合作用下基层裂缝易扩散至沥青表层，最终导致反射型裂缝的形成[8]。
3.1 沥青混凝土混合料的制备与运输控制
沥青混凝土混合料是沥青道路施工中的重要材料，原材料质量、混合料配制方法和材料施工工艺等均会对沥青混凝土面层平整度与质量产生直接影响，若沥青、混凝土等材料质量不达标会导致配制好的沥青混凝土混合料不满足质量要求，若沥青混凝土混合料质量达标但运输不当也可能导致施工时的沥青混凝土混合料质量不满足施工要求，上述因素均会增加沥青路面裂缝形成风险。此外，由于公路路面施工属于户外建设项目，沥青混凝土混合料的供给与保存受天气、环境及地形等的影响较大，恶劣天气及复杂地形都可能导致材料状态发生变化，因此不可控因素的影响也增加了路面施工的复杂性与难度，也是导致沥青路面缝隙形成的风险因素。在施工过程中应当结合道路工程实际情况设计符合标准的施工方案，对于昼夜温差大、气候条件寒冷地区的路面应当进行针对性的设计，科学制备沥青混凝土混合料，保证沥青混凝土混合料质量达标，在运输过程中对沥青混凝土混合料的温度进行严格控制才能有效保证材料质量[9]。路面工程项目建设中，管理者应当根据工程实际情况制定科学、合理且严格的沥青混凝土混合料制备与运输流程规范，同时对沥青、混凝土等原材料的质量进行检查与控制，保障路面工程建设施工效率与质量，可将原材料运输、沥青混凝土混合料的制备和混合料的运输等过程进行分开管理，并将责任落实到个人，由专人对不同材料的质量进行控制，保证路面摊铺材料合格，降低后期路面开裂风险。
3.2 路面摊铺与碾压施工过程控制
摊铺施工对沥青混凝土面层质量的影响主要集中在以下几个方面：①铺面速度不稳定。铺面过程中只有保持稳定的速度才能使得沥青混凝土混合料摊铺均匀，若铺面期间速度时快时慢且速度变化幅度较大则可能导致摊铺层摊铺厚度与压实程度不一致，影响沥青路面质量；
②摊铺机螺旋速度与熨平板前侧堆料高度变化。摊铺机螺旋速度会影响沥青混凝土混合料的给料量，而熨平板前侧堆料高度则会对摊铺厚度产生一定影响，若施工期间螺旋速度与堆料高度变化幅度过大也可能导致沥青混凝土面层不平整而增加后期路面开裂风险；
③预热温度不达标。沥青混凝土混合料需要在高温状态下才能保持最良好的状态，若预热温度低于100 ℃就进行摊铺则可能导致沥青混凝土混合料摊铺不均匀，出现表面离析，影响沥青路面使用寿命；
④多余材料未清除。摊铺机履带及平衡梁探头下多余材料的进入会影响摊铺机的自动调整系统精度，进而导致摊铺过程中摊铺机工作状态发生变化，此外多余材料在履带碾压后还会对路面产生破坏，导致波纹的产生从而影响沥青路面质量。因此公路路面施工项目经理应当组织工程施工质量检测小组，总工程师应当监督所有施工技术和施工质量，按照质量控制要求，成立测量组、测试组和质量控制组对工程质量进行检查、控制和验收，同时建立和完善质量保证体系，要注意质量控制方法，施工前要按照招标合同制定施工细则，明确技术指标、施工程序和控制方法，并制定处罚和验收方法，明确规定，为了更好地控制原材料质量，加强对施工工艺流程的控制和控制，还可以借用先进的设备来升级建设水平和质量[10]。
3.3 道路保养与人员培训
在保证施工质量的前提下，高效科学的道路保养措施也是提高沥青道路使用寿命，预防后期路面开裂的关键步骤。在沥青路面的各类型裂缝中，载荷型裂缝与反射型裂缝均与道路保养与管理质量间关联密切，因此相关从业人员应当采取积极有效的管理控制制度规范建成后的沥青道路的使用标准，通过定期保养与车辆载荷管控避免反射型裂缝与载荷型裂缝的形成。路面工程建设过程中各种施工工艺都需要具备相关专业技能的人员去进行操作，因此人员素质与技术水平是影响道路工程质量的关键因素，若人员技术水平低下可能导致施工工艺的错误从而增加裂缝形成风险。项目管理者应当在人员招聘、人员培训和人员考核等方面建立完善的人力资源制度，对关键施工岗位的人员招聘应当设置最低技术标准要求，并在人员入职后定期进行人员系统培训以提高项目建设相关人员的职业素质，提高人员对各种施工工艺的掌握程度，同时也应当通过人员培训提高员工的责任心，避免工程建设过程中员工责任心不足或缺失而增加工程安全隐患，延长沥青路面使用寿命。
沥青路面裂缝是影响道路安全性与使用寿命的主要因素，沥青路面的各种类型裂缝的形成均与沥青混凝土混合材料质量及道路工程施工工艺具有关联，而道路建成后保养与管理不当也可能导致沥青路面裂缝形成。因此行业管理人员应当从施工管理与保养管理2 大方面入手，根据道路工程实际情况严格设计施工方案，加强沥青混凝土混合料的制备与运输、路面摊铺与碾压施工过程的控制，采取科学有效的道路保养措施并积极开展人员培训，全面提高沥青道路质量，延长道路使用寿命，预防沥青路面裂缝形成。
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