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摘要：随着半刚性基层沥青路面的大量应用，在实际使用过程中出现了不少问题，尤其是裂缝问题日益突出，并成为该结构的主要缺陷。国内已建成高速公路使用调查表明，通车后一年最迟两年均出现了大量裂缝，裂缝率最高达600m/1000m2。就目前的研究现状来看，引起路面开裂的原因有很多，有面层材料方面的、基层材料方面的、设计方面的、施工方面的以及环境方面的，对路面裂缝所采取的防治措施也是分别针对上述几方面的。
关键词：半刚性；沥青路面；疲劳裂缝；强度；刚度；稳定性；温度应力；碳化；干燥收缩；使用寿命
1引言
由于半刚性基层具有强度高、水稳性和冰冻稳定性好、刚性较大等优点，此外，半刚性基层材料板体性好，利于机械化施工且工程造价低，能适应重交通发展的需要，因而，我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层和底基层。目前我国90%以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用了半刚性材料，并且在我国今后高等级公路建设中，半刚性基层材料仍将成为路面基层的主要材料。
2半刚性基层沥青路面裂缝的主要类型
沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的，影响裂缝轻重的主要因素有:沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和车辆类型以及施工因素等。按路面开裂的形式路面裂缝可分为:横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝;但就沥青路面开裂的主要原因而论，主要分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。非荷载型裂缝又可分为沥青面层自身的温缩裂缝和由基层温缩、干缩、疲劳引起的面层开裂。沥青面层自身的温缩裂缝包括低温收缩裂缝和由于温度反复升降导致的温度应力疲劳裂缝。由基层温缩、干缩和疲劳引起的面层开裂形式主要是反射裂缝和对应裂缝。在上述诸多类型的裂缝中，非荷载型裂缝是最主要的，尤其是由半刚性基层材料温缩和干缩引起的裂缝问题最为严重。
3半刚性基层沥青路面裂缝形成机理
3．1荷载型裂缝
荷载型裂缝主要是由于行车荷载作用而产生的，在车轮荷载作用下，路面回弹弯沉值逐渐增大，半刚性基层的底部产生弯拉应力，当此弯拉应力大于半刚性基层材料的抗弯拉强度时，半刚性基层底部就很快发生开裂，半刚性基层整体结构被打破。在行车荷载的反复作用下，在裂缝尖端会产生很大的应力集中，底部的裂缝会逐渐扩展到上部，并使沥青面层也开裂破坏。荷载型裂缝通常表现为稠密的纵向裂缝和网状裂缝，严重的会出现车辙或沉陷。荷载型裂缝在中、低级公路及一些超载较严重的高等级公路轮迹处常见。
3．2沥青面层自身的温缩裂缝
（1）低温收缩裂缝
此种裂缝多发生在冬季，夏季在较高温度条件下，沥青混合料具有良好的应力松弛性能，温度升降产生的变形不至于产生过高的温度应力。但在冬季，随着温度下降，沥青混合料变得越来越硬，在路面结构上产生温度梯度，并开始收缩。由于沥青面层在路面结构中是受约束的，当气温大幅度下降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，因沥青面层不是绝对的等厚，在较薄处沥青面层就产生拉应力。开始时，由于沥青混合料的劲度相对较低，这个拉应力较小，但随着进一步的降温，在低温状态下沥青混合料的劲度增加，从而伴随了收缩的进一步增加。
（2）温度疲劳裂缝
这种裂缝主要发生在太阳照射较强烈，日夜温差比较大的地区。在这些地区，沥青面层白天温度与夜间温度之差相当大，在沥青面层中会产生较大的温度应力。由于长时间温度反复升降，这种应力反复循环地作用在面层中，导致沥青面层温度应力疲劳，使沥青混合料的极限拉伸应变或劲度模量变小，加上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松弛性能降低，最终达到极限抗拉强度，在沥青面层的薄弱处首先开裂，使路面产生疲劳裂缝。
3．3半刚性基层裂缝形成机理
（1）温度收缩机理
半刚性基层材料的基本结构是由固相(组成其空间骨架原材料的颗粒和其间的胶结料)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)、气相(存在于空隙中的气体)组成。因而，半刚性基层材料的外观胀缩性是固、液、气三相不同温度收缩性的综合效应，使得基层材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂料以上颗粒温度收缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。
（2）干燥收缩机理
l)毛细管张力作用。半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在内外压力差，即毛细管张力，以压力的形式作用于毛细管壁。试验表明，外部环境的变化引起半刚性材料的干燥收缩，首先发生在大孔隙中的毛细管水的蒸发，而大孔隙中重力水蒸发，几乎很少引起材料整体的宏观体积变化。
2）吸附水及分子间力作用。毛细管水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，其间距变小分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。
3)干燥收缩的层间水作用。半刚性基层材料中的一些层状结构物晶体或非晶体，如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H结晶等，层间"夹"有大量层间水及水化离子，随着层间水的蒸发，使晶格间距减小，也会引起整体收缩。
4)碳化脱水作用。所谓碳化收缩也就是由于碳化反应引起的收缩，即在碳化反应中，Ca(OH)和CO2反应生产水和CaO3结晶体，所生成的水散失后所引起的体积收缩。当半刚性基层铺筑后，由于基层材料具有的干燥收缩特性，随着基层混合料中水分的减少要产生干缩和干缩应力。
3．4反射裂缝形成机理
在半刚性基层沥青路面上现场钻芯取样观测表明，相当数量的裂缝为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝，这一比例常超过50%，在高等级公路上的比例可能会更高。因此，反射裂缝成为高等级公路半刚性基层沥青路面的主要病害。在冰冻或寒冷地区，特别是重冰冻地区，因温度收缩或干燥收缩已开裂的半刚性基层在由温度变化引起的膨胀和收缩作用下会产生水平位移。当行车荷载通过时，基层裂缝两端之间会引起下卧路面结构在裂缝处产生竖向位移差，在面层中引起面层剪切搓动，使基层的裂缝反复张开和缩小并产生剪切疲劳破坏而导致开裂。
3．5对应裂缝形成机理
在已产生裂缝的半刚性基层上或是已开裂的老路面上铺筑较厚的沥青面层后，基层或老路面的变形会集中反映在裂缝处。它将给也在产生温度收缩和翘曲的新铺沥青面层一个附加拉应力，此附加应力和沥青面层的低温收缩应力之和一旦超过沥青混合料的抗拉强度，则新沥青面层的表面在基层或老路面裂缝的上方首先开裂，并逐渐向下传播，直到与基层或者老路面的裂缝相连而形成对应裂缝。有时，较厚沥青面层的对应裂缝只是在行车后才发生，这是由于偏荷载(荷载边缘与裂缝重合)作用使裂缝尖端有明显的奇异性，使得面层开裂。
4结束语
高等级公路半刚性基层沥青路面开裂的成因，既有行车荷载方面的因素又有沥青面层和半刚性基层材料方面的因素，既有设计方面的因素又有施工方面的因素。对于较厚面层路面，沥青面层自身的温缩裂缝是主要的，考虑到工程造价的因素，我国高等级公路目前沥青面层都较薄，因而，怎样减少由半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的反射裂缝和对应裂缝便成为减少整个路面裂缝的关键。
参考文献
[1] 白琦峰,陈荣生,杜骋. 半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝模拟试验及有限元分析[J]. 公路, 2004,(08) .
[2] 郑南翔,李炜光. 二灰碎石抗裂性能研究[J]. 重庆交通学院学报, 2005,(01)
作者简介：司旭（1983-），男，汉族，吉林长春人，2007年毕业于长安大学交通工程专业，获工学学士学位，助理工程师，现主要从事公路设计方面的工作。
关键词：半刚性；沥青路面；疲劳裂缝；强度；刚度；稳定性；温度应力；碳化；干燥收缩；使用寿命
1引言
由于半刚性基层具有强度高、水稳性和冰冻稳定性好、刚性较大等优点，此外，半刚性基层材料板体性好，利于机械化施工且工程造价低，能适应重交通发展的需要，因而，我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层和底基层。目前我国90%以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用了半刚性材料，并且在我国今后高等级公路建设中，半刚性基层材料仍将成为路面基层的主要材料。
2半刚性基层沥青路面裂缝的主要类型
沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的，影响裂缝轻重的主要因素有:沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和车辆类型以及施工因素等。按路面开裂的形式路面裂缝可分为:横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝;但就沥青路面开裂的主要原因而论，主要分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。非荷载型裂缝又可分为沥青面层自身的温缩裂缝和由基层温缩、干缩、疲劳引起的面层开裂。沥青面层自身的温缩裂缝包括低温收缩裂缝和由于温度反复升降导致的温度应力疲劳裂缝。由基层温缩、干缩和疲劳引起的面层开裂形式主要是反射裂缝和对应裂缝。在上述诸多类型的裂缝中，非荷载型裂缝是最主要的，尤其是由半刚性基层材料温缩和干缩引起的裂缝问题最为严重。
3半刚性基层沥青路面裂缝形成机理
3．1荷载型裂缝
荷载型裂缝主要是由于行车荷载作用而产生的，在车轮荷载作用下，路面回弹弯沉值逐渐增大，半刚性基层的底部产生弯拉应力，当此弯拉应力大于半刚性基层材料的抗弯拉强度时，半刚性基层底部就很快发生开裂，半刚性基层整体结构被打破。在行车荷载的反复作用下，在裂缝尖端会产生很大的应力集中，底部的裂缝会逐渐扩展到上部，并使沥青面层也开裂破坏。荷载型裂缝通常表现为稠密的纵向裂缝和网状裂缝，严重的会出现车辙或沉陷。荷载型裂缝在中、低级公路及一些超载较严重的高等级公路轮迹处常见。
3．2沥青面层自身的温缩裂缝
（1）低温收缩裂缝
此种裂缝多发生在冬季，夏季在较高温度条件下，沥青混合料具有良好的应力松弛性能，温度升降产生的变形不至于产生过高的温度应力。但在冬季，随着温度下降，沥青混合料变得越来越硬，在路面结构上产生温度梯度，并开始收缩。由于沥青面层在路面结构中是受约束的，当气温大幅度下降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，因沥青面层不是绝对的等厚，在较薄处沥青面层就产生拉应力。开始时，由于沥青混合料的劲度相对较低，这个拉应力较小，但随着进一步的降温，在低温状态下沥青混合料的劲度增加，从而伴随了收缩的进一步增加。
（2）温度疲劳裂缝
这种裂缝主要发生在太阳照射较强烈，日夜温差比较大的地区。在这些地区，沥青面层白天温度与夜间温度之差相当大，在沥青面层中会产生较大的温度应力。由于长时间温度反复升降，这种应力反复循环地作用在面层中，导致沥青面层温度应力疲劳，使沥青混合料的极限拉伸应变或劲度模量变小，加上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松弛性能降低，最终达到极限抗拉强度，在沥青面层的薄弱处首先开裂，使路面产生疲劳裂缝。
3．3半刚性基层裂缝形成机理
（1）温度收缩机理
半刚性基层材料的基本结构是由固相(组成其空间骨架原材料的颗粒和其间的胶结料)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)、气相(存在于空隙中的气体)组成。因而，半刚性基层材料的外观胀缩性是固、液、气三相不同温度收缩性的综合效应，使得基层材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂料以上颗粒温度收缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。
（2）干燥收缩机理
l)毛细管张力作用。半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在内外压力差，即毛细管张力，以压力的形式作用于毛细管壁。试验表明，外部环境的变化引起半刚性材料的干燥收缩，首先发生在大孔隙中的毛细管水的蒸发，而大孔隙中重力水蒸发，几乎很少引起材料整体的宏观体积变化。
2）吸附水及分子间力作用。毛细管水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，其间距变小分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。
3)干燥收缩的层间水作用。半刚性基层材料中的一些层状结构物晶体或非晶体，如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H结晶等，层间"夹"有大量层间水及水化离子，随着层间水的蒸发，使晶格间距减小，也会引起整体收缩。
4)碳化脱水作用。所谓碳化收缩也就是由于碳化反应引起的收缩，即在碳化反应中，Ca(OH)和CO2反应生产水和CaO3结晶体，所生成的水散失后所引起的体积收缩。当半刚性基层铺筑后，由于基层材料具有的干燥收缩特性，随着基层混合料中水分的减少要产生干缩和干缩应力。
3．4反射裂缝形成机理
在半刚性基层沥青路面上现场钻芯取样观测表明，相当数量的裂缝为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝，这一比例常超过50%，在高等级公路上的比例可能会更高。因此，反射裂缝成为高等级公路半刚性基层沥青路面的主要病害。在冰冻或寒冷地区，特别是重冰冻地区，因温度收缩或干燥收缩已开裂的半刚性基层在由温度变化引起的膨胀和收缩作用下会产生水平位移。当行车荷载通过时，基层裂缝两端之间会引起下卧路面结构在裂缝处产生竖向位移差，在面层中引起面层剪切搓动，使基层的裂缝反复张开和缩小并产生剪切疲劳破坏而导致开裂。
3．5对应裂缝形成机理
在已产生裂缝的半刚性基层上或是已开裂的老路面上铺筑较厚的沥青面层后，基层或老路面的变形会集中反映在裂缝处。它将给也在产生温度收缩和翘曲的新铺沥青面层一个附加拉应力，此附加应力和沥青面层的低温收缩应力之和一旦超过沥青混合料的抗拉强度，则新沥青面层的表面在基层或老路面裂缝的上方首先开裂，并逐渐向下传播，直到与基层或者老路面的裂缝相连而形成对应裂缝。有时，较厚沥青面层的对应裂缝只是在行车后才发生，这是由于偏荷载(荷载边缘与裂缝重合)作用使裂缝尖端有明显的奇异性，使得面层开裂。
4结束语
高等级公路半刚性基层沥青路面开裂的成因，既有行车荷载方面的因素又有沥青面层和半刚性基层材料方面的因素，既有设计方面的因素又有施工方面的因素。对于较厚面层路面，沥青面层自身的温缩裂缝是主要的，考虑到工程造价的因素，我国高等级公路目前沥青面层都较薄，因而，怎样减少由半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的反射裂缝和对应裂缝便成为减少整个路面裂缝的关键。
参考文献
[1] 白琦峰,陈荣生,杜骋. 半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝模拟试验及有限元分析[J]. 公路, 2004,(08) .
[2] 郑南翔,李炜光. 二灰碎石抗裂性能研究[J]. 重庆交通学院学报, 2005,(01)
作者简介：司旭（1983-），男，汉族，吉林长春人，2007年毕业于长安大学交通工程专业，获工学学士学位，助理工程师，现主要从事公路设计方面的工作。