半剛性基層瀝青路面低溫開裂成因研究綜述

葉向前， 鄒曉翎， 何虹霖， 曾濤

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶市 400074)

《2019年交通運輸行業發展統計公報》顯示:截至2019年底，中國公路密度達52.21 km/(100 km2)，增加1.73 km/(100 km2)。公路在交通運輸行業中發揮著無可替代的作用。目前中國二級以上的公路主要采用半剛性基層瀝青路面，低溫開裂是主要的路面病害之一，裂縫的不斷擴展導致路面結構破壞，縮短路面的使用壽命，增加維修費用的同時也影響行車舒適性。

半剛性基層瀝青路面在低溫環境中收縮而產生的裂縫稱為溫縮裂縫，形式以橫縫為主，排列較為規則。瀝青路面在低溫環境下，應力松弛較差，當溫度持續降低時，混合料的抗拉強度不足以抵抗溫度降低所產生的溫度應力時就會產生裂紋。此外，溫度的周期性變化所產生的溫度應力改變會使路面產生應力疲勞，也會導致裂紋的產生。裂紋初期對路面承載力影響很小，但隨著雨水和行車荷載的不斷作用，裂紋尖端的應力集中導致裂紋擴展為裂縫，在裂紋周圍出現如唧泥、龜裂等衍生病害，縮短了路面結構的使用壽命。該文在總結分析半剛性基層瀝青路面低溫開裂機理的基礎上，主要從設計、施工、運營階段3個方面分析裂縫產生的機理及影響因素。希望能從公路建設的3個階段對裂縫的產生與控制提供思路，提高路面的服務性能，為半剛性基層瀝青路面的病害防治提供參考。

1 主要研究歷程

為了進一步解釋低溫開裂的機理，學界運用線彈性理論和有限元方法等對該問題進行研究。1976年，Hung-Sun、Chang和Lytton等運用線彈性理論計算瀝青路面各層的溫度應力，并通過有限元軟件對裂縫尖端的強度因子進行分析，提出了溫度裂縫的形成和擴展模型。Kirkner和Shen等通過計算機仿真的方法模擬瀝青路面開裂，分析了界面與裂縫間距之間的關系。1980年Monismith和Coetzeem通過有限元理論分析了瀝青路面荷載和溫度耦合作用下的裂縫應力分布，并運用斷裂力學理論討論了基層開裂對溫度裂縫的影響。

中國對于瀝青路面低溫開裂的研究始于20世紀70年代，在對中國主要城市的瀝青路面裂縫病害調查分析后，認為非荷載性的溫縮裂縫及半剛性基層所引起的反射性裂縫是普遍存在的問題。1982年，周繼業通過分析瀝青路面低溫開裂機理，提出了溫度下降時瀝青路面內部溫度應力的計算公式，進而提出預估開裂溫度和橫縫間距的方法；1992年張起森等通過對半剛性基層瀝青路面的斷裂應力分析和光彈試驗驗證，指出溫差應力是半剛性基層瀝青路面溫度裂縫產生的主要原因，橫向裂縫是其主要病害形式；2001沙慶林根據半剛性基層瀝青路面裂縫調查結果,研究了開裂機理和降低非荷載型裂紋數量的方法，并提出了預防此類病害的措施；2003年錢國平等指出了傳統瀝青路面溫度應力計算方法的局限性，通過廣義Maxwell模型模擬瀝青混合料的黏彈性，提出了低溫環境條件下瀝青路面的溫度應力場有限元計算方法；2006年，孫立軍等通過對氣象資料及路面實測溫度數據的回歸分析，建立了瀝青路面溫度場的預估模型，并論證了模型的合理性；2013年王曉英等基于黏結開裂模型，利用界面元方法，分析路面內部溫度分布、應力分布、應變分布及位移分布，對溫度裂縫產生及發展的規律進行了研究；2018年，孫雅珍等從細觀角度，運用PFC2D顆粒流軟件對瀝青混合料的開裂行為進行了數值模擬，分析了骨料對瀝青混合料宏觀力學性質的影響，為細觀尺度下的瀝青混合料開裂行為研究提供了理論基礎。

綜上，半剛性基層瀝青路面低溫開裂的主要形式是橫縫，瀝青的低溫延度、路面的溫度梯度、溫度應力及溫度應力循環產生的疲勞、半剛性基層產生的反射裂縫等都會導致半剛性基層瀝青路面低溫開裂，關于此類病害的研究方法也從最初的宏觀層面轉向細觀力學層面。

2 形成機理及影響因素

半剛性基層瀝青路面低溫開裂機理主要分為以下4個方面：① 單次降溫引起路面產生的收縮應力超出材料的極限抗拉強度引起的路面開裂；② 受季節性溫度循環和晝夜溫度循環作用，面層內部的溫度應力表現為周期性增減造成溫度疲勞裂縫的出現；③ 半剛性基層材料內部開裂，在車輛荷載的作用下傳遞至面層引起的路面開裂；④ 施工質量問題引起的半剛性基層瀝青路面低溫開裂。

瀝青路面的修建過程包含設計、施工、運營3個階段，這3個階段共同決定了瀝青路面的低溫抗裂性。在設計階段，影響因素包括瀝青種類、粉膠比、材料模量及收縮量、面層厚度、路面結構組合等。施工階段則需考慮壓實溫度、次數和油石比等因素。在運營階段，溫度和溫度-荷載耦合作用則對路面低溫開裂有直接的影響。該文將從設計、施工、運營3個階段闡述各階段半剛性基層瀝青路面低溫開裂的控制因素(圖1)。

圖1 半剛性基層瀝青路面低溫開裂影響因素

2.1 設計階段控制因素

半剛性基層瀝青路面的設計階段包含混合料設計和路面結構組合設計兩部分?；旌狭显O計決定了各層材料抵抗低溫開裂的能力，而路面結構組合設計則是各層材料低溫抗開裂能力的綜合反映，對設計階段的控制因素進行研究能從根本上改善路面的低溫抗開裂能力。

2.1.1 瀝青種類

瀝青的低溫性質是決定瀝青路面低溫抗裂性的關鍵因素，瀝青低溫針入度越大，低溫感溫比越小，以及瀝青低溫的流變指數越小，混合料的低溫抗裂性越好。耿韓等選用斷裂能指標對7種不同種類瀝青的低溫抗裂性進行評價，結果如圖2所示。由圖2可以看出：PRM改性瀝青的斷裂能最大，為32.7 J/m2，低溫抗裂性能顯著優于其他6種瀝青，其次13.5%摻量的SBS改性瀝青相比于4.0%摻量的SBS改性瀝青斷裂能提升了5.4 J/m2，未摻加改性劑的基質瀝青斷裂能明顯小于改性瀝青，且基質瀝青標號越高斷裂能越大。

圖2 瀝青種類對混合料斷裂能大小的影響

通過分析不同種類改性瀝青及基質瀝青斷裂能的差別，可知在高寒地區選用高模量的改性瀝青是提升瀝青路面低溫抗裂性的有效途徑，不同的改性劑對低溫抗裂性的提升不同。張東等選用J積分、斷裂能、破壞應變3個指標分析了瀝青種類對瀝青混合料AC-13F低溫抗裂性的影響，得出了類似結論。因此，在設計階段，根據瀝青路面可能遇到的低溫工作環境，合理選用瀝青種類是非常重要的，同時具有良好低溫性能的改性瀝青開發也是未來瀝青路面低溫抗裂研究的一個方向。

2.1.2 粉膠比

文獻[18]指出：瀝青膠結料的性能對瀝青路面的低溫抗裂能力貢獻率達90%，不同填料形成的瀝青膠漿具有不同的流變特性，瀝青的黏結作用和填料在瀝青混合料中的分散作用共同構成了混合料的強度基礎?；诖?，不同學者采用不同的試驗方法考察粉膠比對瀝青混合料低溫抗裂能力的影響。張爭奇等通過彎曲梁流變儀測定不同粉膠比混合料的低溫性能，結果如圖3所示。

圖3 粉膠比對混合料勁度模量及蠕變曲線斜率的影響

由圖3可以看出：粉膠比與蠕變曲線斜率m呈較強的正相關關系，與勁度模量S呈較強的負相關關系，且粉膠比在低溫條件下對蠕變模量及蠕變曲線斜率m的影響更加明顯。粉膠比的增大降低了瀝青膠漿的流動性，宏觀表現為混合料的模量增大，斜率m減小，低溫柔性和抗裂性降低。申愛琴等研究則發現粉膠比在-10 ℃時對混合料的變形有較大影響。因此，在瀝青混合料設計階段限制混合料的粉膠比范圍對提升瀝青路面抗裂性是有益的。

2.1.3 材料模量及收縮量

此外，降低材料的收縮量能夠有效地防止反射裂縫的產生。Geroge通過試驗發現：在水泥穩定土混合料中，用粉煤灰替代25%的水泥能夠有效阻止材料的干縮。通過摻加減水劑、減縮劑等可以降低材料中水的表面張力，也能提升半剛性基層材料的收縮性能。黃煜鑌等研究了減水劑、粉煤灰等對水泥穩定碎石基層抗裂性能的影響，結果如圖4所示。

圖4 粉煤灰水泥砂漿收縮隨齡期的變化

圖4中，對照組、A、B組的粉煤灰摻量分別為0、15%、50%，圖4表明：粉煤灰摻量小于15%時，材料的收縮量減少明顯，但是粉煤灰的比例超過某一摻量后，收縮將隨粉煤灰摻量的增大而增大。

圖5中對照組、A、B組的SP8N型高效減水劑摻量分別為0、1.5%、3.0%，由圖5可知：減水劑摻量對材料收縮性能的影響效果與粉煤灰類似。

圖5 減水劑水泥砂漿收縮隨齡期的變化

2.1.4 瀝青面層厚度

中國的瀝青路面設計大多采用“強基薄面”的設計理念。在瀝青路面設計階段，選擇合理的瀝青面層厚度不僅能保證瀝青路面的路用性能和預防早期病害，也能節約成本，提高工程經濟效益。王曉英等通過控制試件半徑、裂縫深度、支座間距與直徑的比值等參數，改變試件的厚度，采用有限元軟件模擬半圓彎曲試驗，分析模型厚度對裂縫尖端應力強度因子的影響，并用AASHTO解析解進行驗證，結果見圖6。

圖6 瀝青面層厚度與應力強度因子的關系

由圖6可知：應力強度因子隨著模型厚度的增加而近似二次曲線降低。當模型厚度由10 mm增加到20 mm時，應力強度因子減少了約50%，厚度由20 mm增加到30 mm時，應力強度因子減少了16.25%，且有限元數值解和AASHTO解析解的變化趨勢一致，兩者互為驗證。美國華盛頓州交通部通過對24條道路鉆芯取樣也得到了類似的結果。

可以發現，隨著瀝青面層厚度的增加，應力強度因子降低，路面的抗裂性能提升，但是超過一定閾值后，厚度的增加對路面抗裂性的提升效果便不再顯著，因此選擇合理的瀝青面層厚度，不僅能夠提升路面抗裂性，同時也能縮減工程成本。

2.1.5 路面結構組合

然而，年輕時候的出類拔萃并沒有帶給王維好運。很快，他因為遭人妒忌受到誣陷，被貶謫到山東一個地方看管糧庫。期間，王維的妻子遭遇難產，他同時失去了妻子和孩子，此后他終生未娶。

除了單一的面層厚度外，不同路面結構組合的低溫抗裂性也有所差異。為了探究不同路面結構組合瀝青路面在低溫環境下的溫度應力響應，艾長發等對5種不同路面結構的瀝青路面溫度行為特性進行了分析，其中各類型路面總厚度均為54 cm，上下面層分別為AC-13(4 cm)、AC-16(5 cm)。5種路面基層類型和結果如表1、2所示。

表1 各類型基層結構組合

表2 各結構層頂面溫度應力

由表2可知：不同路面結構組合的瀝青面層的溫度拉應力值大致相同，約為3.390 MPa，說明路面結構組合類型不影響環境溫度對瀝青面層的作用；而不同組合基層溫度拉應力則區別很大，可以看出組合3>組合1>組合2>組合4>組合5。對于組合4、5基層應力值約為0，說明低溫環境對沒有摻加或少量摻加水泥劑量的級配碎石基層幾乎無破壞作用，這也減少了瀝青面層出現反射裂縫的可能；組合3基層溫度應力達到了0.912 MPa，但是依然小于該材料的低溫抗拉強度，不會產生低溫開裂，且瀝青穩定碎石不會產生干縮和開裂，是一種理想的基層材料。

2.2 施工階段控制因素

高質量的瀝青路面施工是提升瀝青路面抗低溫開裂性能的保障，施工過程中要對壓實溫度、壓實次數、油石比等關鍵因素進行控制。經壓實后瀝青混合料的體積參數發生了變化，混合料顆粒在集料間內摩阻力和黏聚力作用下重新排列，形成新的結構體系。壓實溫度和壓實次數直接決定了瀝青混合料壓實度的大小，壓實度不同，瀝青路面的低溫抗裂性亦不同。

2.2.1 壓實溫度

艾長發等研究了壓實溫度對瀝青混合料路用性能的影響，試驗結果見表3。

表3 壓實溫度對瀝青混合料低溫抗裂性的影響

RT、RB及εB反映的是瀝青與集料間的吸附力和黏結力，其值越大表明低溫抗裂性能越好，線收縮系數C則與空隙率相關。由表3可以看出：對于RT和RB，當壓實溫度由170 ℃降為150 ℃時，兩項指標降低量約為5.6%，壓實溫度降為130 ℃時，兩項指標分別減少22.1%和17.6%，RT和RB的變化趨勢為緩慢降低到急劇降低。而經過線性擬合，εB與壓實溫度的線性相關性顯著(R=0.994)，壓實溫度從170 ℃變為120 ℃時，εB下降速率為17.68 με/℃。線性收縮系數的變化趨勢與RT、RB相同。因此，為了獲得良好的低溫抗裂能力必須對瀝青混合料的現場壓實溫度進行控制，嚴禁在低溫臨界溫度以下進行壓實。

2.2.2 壓實次數及油石比

為了研究壓實次數對瀝青抗裂性能的影響，岳陽等分別測定了不同油石比、不同碾壓次數下混合料的斷裂能，結果如圖7所示。從圖7可知：油石比和碾壓次數同時達到最大值時，斷裂能達到最大，在較小的油石比下，增加碾壓次數能夠有效提升斷裂能，油石比增大后則效果不明顯。文獻[16]、[20]研究表明，控制碾壓次數能夠有效提升瀝青混合料的低溫抗裂性。

圖7 壓實次數及油石比與混合料斷裂能之間的關系

2.3 運營階段影響因素

瀝青路面投入運營后，在交通荷載和低溫環境影響下，混合料易老化，導致路面的低溫抗裂性能下降，需要進行后期維護。運營階段半剛性基層瀝青路面的低溫抗裂性主要受溫度變化及溫度交通荷載耦合作用影響。

2.3.1 溫度

在運營階段，半剛性基層瀝青路面的低溫開裂主要有兩種原因：① 單次降溫周期內大溫差引起的路面溫度應力超過了材料的極限抗拉強度引起的開裂；② 循環降溫條件下產生的溫度疲勞應力引起的開裂。郝培文等研究了半剛性基層瀝青路面在一個連續變化低溫周期內路面溫度應力的變化情況，比較了不同日溫狀況下瀝青路面溫度應力差別，結果見圖8、9。

由圖8、9可以看出：在一個變溫周期內路面各層結構溫度應力變化呈現出正弦式變化，極差最大為0.65 MPa，周期性的溫度應力對路面低溫抗裂性能不利；同時T1工況(日均氣溫-6.08 ℃)、T2工況(日均氣溫-15.75 ℃)、T3工況(日均氣溫-24.75 ℃)3種溫度工況下，T3工況(高寒)下的路面各層溫度應力均為最大，說明降溫會導致路面各層溫度應力增大，增加路面開裂的風險。張蘭峰研究表明：溫度下降導致瀝青混合料的勁度和低溫拉應力增大，超過混合料的極限抗拉強度時，裂縫產生，且氣溫變化主要對路表以下18 cm范圍內的溫度應力影響較大，對于路基和土基的影響較小。

圖8 路面各層冬季低溫24 h溫度應力變化

圖9 不同溫度條件下各層最大溫度應力

2.3.2 溫度與荷載耦合作用

霍典等分析了水平荷載、垂直荷載、溫度荷載以及相互耦合的作用對瀝青路面的力學響應，發現水平荷載對瀝青路面內剪應力和拉應力影響最大，溫度荷載次之，當降溫速度為10 ℃/h時，最大溫度拉應力達0.281 47 MPa，路面在只有均布垂直荷載作用下，面層內部最大剪應力為0.116 73 MPa，無拉應力。因此，水平荷載與溫度應力的耦合作用是影響路面低溫開裂的主要因素。

3 現狀評述

3.1 缺乏對瀝青混合料熱黏彈性和低溫老化的考慮

對于瀝青路面低溫開裂行為的研究，目前主要依據線彈性斷裂力學理論。在不考慮瀝青混合料老化效應和熱黏彈性特性的條件下，瀝青混凝土材料在低溫及快速荷載耦合作用條件下的力學行為是近似符合線彈性斷裂力學假設的。但在實際情況下，瀝青膠結料存在老化，混合料的熱黏特性使得路面裂紋的產生和擴展與線彈性斷裂力學的假設有一定的差異。因此，需對瀝青路面的黏彈性斷裂行為力學特性進行深入研究，為全面掌握瀝青路面低溫開裂機理和擴展行為提供理論依據。

3.2 缺乏對裂縫率與路用性能相關性研究

從前文可以看出，影響瀝青路面低溫開裂的因素眾多，在裂紋產生后，路面裂紋率與瀝青路面路用性能的相關關系需要進一步的研究，應合理地定義裂紋率，從設計、施工、運營3個方面研究各階段控制因素與裂紋率的關系，并在此基礎上研究瀝青路面的路用性能，為減少裂紋產生提供更好的方法。

4 結論

(1) 半剛性基層瀝青路面的設計、施工、運營均會對路面抗低溫開裂性能產生影響。

(2) 設計階段影響因素包括瀝青種類、粉膠比、材料模量及收縮量、面層厚度、路面結構組合等，選擇合理的路面材料及結構能夠有效地預防半剛性基層瀝青路面低溫開裂病害的發生。

(3) 在施工階段對壓實次數、壓實溫度、油石比等進行控制是提升半剛性基層瀝青路面低溫抗裂性的有效措施。

(4) 在運營階段，溫度與荷載的耦合作用是導致半剛性基層瀝青路面低溫開裂的主要因素。