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小氣候對城市道路中慢車道瀝青路面裂縫的影響

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小氣候對城市道路中慢車道瀝青路面裂縫的影響 

江蘇淮安市市政工程總公司 陳新國 

1、引言 瀝青路面在建成后,經過一定時間的使用, 會產生各 種裂縫。其中主要有交通量、荷載、氣候條件、 基層強度 和穩定性以及材料自身存在的問題等因素。 城市道路,由于其使用功能不同,分為主干路、 次干 路、支路等。道路類型又可分為快車道、慢車道、 混合車 道等。因此產生裂縫的原因,除了以上所述外,我 們認為 還與道路位置有很大關系。 城市道路因其特殊的地理位置, 大多數是以南北向、 東西向道路為主。它們穿行在各種不同的建筑群中。 接受 陽光的輻射和溫度的變化都不一樣。城市道路中的次干道, 慢車道交通量很小, 其主要功能是承擔一些小型車輛和自 行車流。因此,如此小的荷載是不易造成載荷裂縫的。 那 么,其它原因就應該考慮到溫度和氣候條件了。 氣候條件,有大氣候和小氣候之分。 大氣候主要指的 是大氣的冷暖、干濕的變化;而“小氣候”, 是每條道路 所處的地理位置和環境在大氣候的影響下產生的冷暖、 干 濕的變化。而這種小變化對瀝青路面裂縫的影響, 是不可 低估的。 本文就我們在對瀝青路面裂縫調查中發現的一些現象, 就瀝青路面產生裂縫的機理, 闡述城市道路中“小氣候” 對瀝青路面裂縫的影響。并請有關專家、同行們指教。 2、城市道路中特殊的地理位置和氣候環境 如上所述,城市道路大多數是以東西、 南北向成經緯 線排列, 穿行于各種不同的建筑物(特別是高層建筑物) 之中并受到它們的遮擋, 局部地區受陽光輻射的時間相對 要少。特別是東西向道路, 靠南部(即背陰處)在冬季接 受陽光輻射的時間比靠北部(向陽處)要少。 高層建筑物 的背陰處,在冬季則可能整天都得不到陽光的照射。 而冬 季,正是低溫使瀝青路面產生縮裂的季節。 冬季雨雪過后, 向陽地段的瀝青路面因受陽光照射, 黑色路面吸熱,冰雪可以很快融解并蒸發。而背陰處, 則 因得不到陽光輻射,只靠氣溫對冰雪進行融解, 再加上冰 雪本身的低溫以及背陰處低溫的交互影響, 冰雪融化開始 時間遲,結冰時間早,融化時間短。 如背陰處冰雪不及時 鏟除,冰雪存在的時間要比向陽地段長的多。另外, 背陰 處往往處于北方寒風的直接影響之下, 也降低了冰雪融化 的能力。而向陽地段除了陽光照射外,由于建筑物的遮擋, 受寒風的影響相對要小的多。據我們觀察,在冬季, 向陽 地段與背陰地段白天的溫差較大。見表1 向陽地段與背陰地段溫差觀測表 表1 背陰處融雪情況:我市93年11月20 日降了一場大雪。 我們觀測了我市淮海西路的一個地段。 向陽處在第二天( 11月21日)下午完全融清,背陰處到11月27 日下午才完全 融清,共用了七天時間;搓幨械靥幪K北地區, 處于冷暖 地區交匯處,既有寒冷地區的低溫現象, 也反映溫暖地區 的一些特征,冬季低溫時間集中在11月下旬到來年2月上旬, 瀝青路面出現裂縫的現象也最多。3.瀝青路面基層及面層材料的溫度收縮機理3-1、基層材料的溫度收縮機理淮陰市目前的道路結構中, 底基層及基層結構大多數 采用石灰土、二灰土及石灰土結石、 二灰類混合料作為基 層材料,由這些材料組成了半剛性基層。組成基層的材料由固相、液相、氣相組成。 外觀溫縮 系數受其基本的固、液、 氣不同的溫縮性的綜合影響(由 于氣相對溫縮影響很小,可以忽略不計)。 就組成礦物顆 粒而言,原材料收縮系數較。é羣=10×10-6左右數量級) , 而基層材料生成物(新生的膠結物)的收縮系數,則是 原材料收縮系數的2-4 倍(如石灰土 αt=40×10-6) 。 半剛性基層的溫度收縮系數主要是其內部的大孔隙、 毛細 孔、 凝膠孔中的水通過擴張作用,毛管壓力作用和冰凍作 用對其產生較大的收縮影響。其中水的線膨脹系數αt= 70 ×10-6,水結冰后體積增大10%, 有時由于冰的膨脹力使 顆粒產生擠壓、靠近,從而使基層板體斷裂,產生裂縫。根據機理分析:水是影響半剛性基層材料溫縮性的最 主要因素,特別是在非飽和水狀態時影響較大。 而城市道 路中背陰處,由于低溫的影響,雨雪水的侵入, 半剛性基 層材料的濕度相對要大一些。此時,由于冰凍原因, 地表 溫度長期處于零度以下。 根據有關資料表明:半剛性基層 材料的溫縮系數在溫度0 ̄-10°C時, 在最佳含水量 附近,總表現最大值。因此,長期低溫凍脹, 勢必要出現 裂縫, 并由此反射到地面,形成反射裂縫。 而向陽地段由 于陽光輻射、背風保暖,溫度上升較快,冰雪及時融化并 被蒸發掉, 基層含水量相對要小。 地表及地下溫度由于 黑色路面的吸熱,相對要高一些。出現凍脹的現象肯定要 比背陰處少, 基層裂縫也相對要少。3-2、瀝青面層的溫度收縮機理低溫收縮裂縫是一種常見的瀝青路面的破壞形式, 它 通常起源于應力集中部位, 然后逐漸擴展為貫通路幅全寬 的裂縫。冬季,隨著溫度下降, 瀝青材料由彈性體轉變為剛性 體,并開始收縮。由于瀝青面層在路面中受到約束, 當收 縮產生的拉應力超過瀝青混

合料的抗拉強度時, 瀝青面層 就出現裂縫。由于瀝青路面寬度有限, 收縮所受到的約束 力小,所以低溫裂縫主要是橫向的。我市使用的是勝利100#,60#道路瀝青。 據北 京市政工程研究所的研究表明:勝利100#瀝青與阿6 0#瀝青相比,其低溫延度值小于阿60#,0 ̄-15° C低溫收縮系數大于阿60#,其它如茂名、 任丘等瀝青 均如此。見表2國內外瀝青低溫性能比較 表2 另外, 瀝青路面低溫縮裂的另一個原因是瀝青材料的 應力松馳,即蠕變過程產生的。瀝青面層具有粘彈性, 某 一時刻產生的溫度應力隨時間增長會逐漸減小, 即應力發 生松馳。氣溫下降時,瀝青面層將產生收縮變形。 由于相 鄰材料單元的相互制約, 降溫引起的收縮變形受到限制, 瀝青面層內產生均勻分布的溫度應力。 應力松馳需要無限 長的時間,當降溫速度較快時, 各時刻產生的應力一部分 松馳掉,一部分累積起來, 當殘余應力累積到一定程度而 超過材料的容許應力時,路面出現裂縫。 而瀝青面層在橫 向和深度方向的幾何尺寸遠遠小于縱向, 溫度應力通常僅 沿縱向發生,反應在路面則出現橫向裂縫, 特別是橫向薄 弱部位(窨井、雨水井)最易發生。城市道路中特別是北方城市道路中背陰處的瀝青路面, 在冬季連續低溫以及雨雪等因素的影響下, 瀝青路面產生 的收縮拉應力與松馳殘余溫度應力的累積作用相互影響, 路面產生的裂縫數量相應要比向陽地段要多。4、淮陰市有關瀝青路面低溫裂縫的調查我市瀝青路面的裂縫情況,是我們在1993年10 月上旬 進行調查的。 在調查中發現這么一個現象:東西向道路南 側慢車道的橫向裂縫要比北側車道的多。 針對這種情況, 我們進行了深入的調查, 對我市所有東西向的慢車道瀝青 路面的裂縫情況進行了調查(見表3)。 并對此作了一定 的研究,提出了有關城市道路“小氣候”的概念。 淮陰市東西向道路慢車道裂縫情況調查分析表 表3 調查時間:1993年10月3-5日 調查人:陳新國 王玉成 5、我們的看法: 5-1、城市道路中“小氣候”確實存在, 它是影響 瀝青路面裂縫的一個不可忽視的因素,必須引起重視。 5-2、在城市道路的設計中, 對東西向道路背陰處 路面的設計應根據當地的溫度資料進行設計。 在道路結構 設計時,應充分考慮到各種收縮因素。 特別是道路結構組 合設計時,更不可忽視。 5-3、 對城市道路各結構層次的施工應嚴格執行規 范、規程。應在冰凍期到來之前完工,如不能完成的, 也 應在冰凍期間停止施工, 待平均溫度達到一定的指標后方 可繼續施工。否則,低溫縮裂,不可避免。

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