小气候对城市道路中慢车道沥青路面裂缝的影响
江苏淮安市市政工程总公司陈新国
１、引言沥青路面在建成后，经过一定时间的使用，会产生各种裂缝。其中主要有交通量、荷载、气候条件、基层强度和稳定性以及材料自身存在的问题等因素。城市道路，由于其使用功能不同，分为主干路、次干路、支路等。道路类型又可分为快车道、慢车道、混合车道等。因此产生裂缝的原因，除了以上所述外，我们认为还与道路位置有很大关系。城市道路因其特殊的地理位置，大多数是以南北向、东西向道路为主。它们穿行在各种不同的建筑群中。接受阳光的辐射和温度的变化都不一样。城市道路中的次干道，慢车道交通量很小，其主要功能是承担一些小型车辆和自行车流。因此，如此小的荷载是不易造成载荷裂缝的。那么，其它原因就应该考虑到温度和气候条件了。气候条件，有大气候和小气候之分。大气候主要指的是大气的冷暖、干湿的变化；而“小气候”，是每条道路所处的地理位置和环境在大气候的影响下产生的冷暖、干湿的变化。而这种小变化对沥青路面裂缝的影响，是不可低估的。本文就我们在对沥青路面裂缝调查中发现的一些现象，就沥青路面产生裂缝的机理，阐述城市道路中“小气候”对沥青路面裂缝的影响。并请有关专家、同行们指教。２、城市道路中特殊的地理位置和气候环境如上所述，城市道路大多数是以东西、南北向成经纬线排列，穿行于各种不同的建筑物（特别是高层建筑物）之中并受到它们的遮挡，局部地区受阳光辐射的时间相对要少。特别是东西向道路，靠南部（即背阴处）在冬季接受阳光辐射的时间比靠北部（向阳处）要少。高层建筑物的背阴处，在冬季则可能整天都得不到阳光的照射。而冬季，正是低温使沥青路面产生缩裂的季节。冬季雨雪过后，向阳地段的沥青路面因受阳光照射，黑色路面吸热，冰雪可以很快融解并蒸发。而背阴处，则因得不到阳光辐射，只靠气温对冰雪进行融解，再加上冰雪本身的低温以及背阴处低温的交互影响，冰雪融化开始时间迟，结冰时间早，融化时间短。如背阴处冰雪不及时铲除，冰雪存在的时间要比向阳地段长的多。另外，背阴处往往处于北方寒风的直接影响之下，也降低了冰雪融化的能力。而向阳地段除了阳光照射外，由于建筑物的遮挡，受寒风的影响相对要小的多。据我们观察，在冬季，向阳地段与背阴地段白天的温差较大。见表１向阳地段与背阴地段温差观测表表１背阴处融雪情况：我市93年11月20日降了一场大雪。我们观测了我市淮海西路的一个地段。向阳处在第二天（11月21日)下午完全融清，背阴处到11月27日下午才完全融清，共用了七天时间。淮阴市地处苏北地区，处于冷暖地区交汇处，既有寒冷地区的低温现象，也反映温暖地区的一些特征，冬季低温时间集中在11月下旬到来年2月上旬，沥青路面出现裂缝的现象也最多。３.沥青路面基层及面层材料的温度收缩机理３－１、基层材料的温度收缩机理淮阴市目前的道路结构中，底基层及基层结构大多数采用石灰土、二灰土及石灰土结石、二灰类混合料作为基层材料，由这些材料组成了半刚性基层。组成基层的材料由固相、液相、气相组成。外观温缩系数受其基本的固、液、气不同的温缩性的综合影响（由于气相对温缩影响很小，可以忽略不计）。就组成矿物颗粒而言，原材料收缩系数较小（αt=10×10-6左右数量级），而基层材料生成物（新生的胶结物）的收缩系数，则是原材料收缩系数的2-4倍（如石灰土αt=40×10-6)。半刚性基层的温度收缩系数主要是其内部的大孔隙、毛细孔、凝胶孔中的水通过扩张作用，毛管压力作用和冰冻作用对其产生较大的收缩影响。其中水的线膨胀系数αt=70×10-6，水结冰后体积增大10％，有时由于冰的膨胀力使颗粒产生挤压、靠近，从而使基层板体断裂，产生裂缝。根据机理分析：水是影响半刚性基层材料温缩性的最主要因素，特别是在非饱和水状态时影响较大。而城市道路中背阴处，由于低温的影响，雨雪水的侵入，半刚性基层材料的湿度相对要大一些。此时，由于冰冻原因，地表温度长期处于零度以下。根据有关资料表明：半刚性基层材料的温缩系数在温度０￣－１０°Ｃ时，在最佳含水量附近，总表现最大值。因此，长期低温冻胀，势必要出现裂缝,并由此反射到地面，形成反射裂缝。而向阳地段由于阳光辐射、背风保暖，温度上升较快，冰雪及时融化并被蒸发掉，基层含水量相对要小。地表及地下温度由于黑色路面的吸热，相对要高一些。出现冻胀的现象肯定要比背阴处少，基层裂缝也相对要少。３－２、沥青面层的温度收缩机理低温收缩裂缝是一种常见的沥青路面的破坏形式，它通常起源于应力集中部位，然后逐渐扩展为贯通路幅全宽的裂缝。冬季，随着温度下降，沥青材料由弹性体转变为刚性体，并开始收缩。由于沥青面层在路面中受到约束，当收缩产生的拉应力超过沥青混合料的抗拉强度时，沥青面层就出现裂缝。由于沥青路面宽度有限，收缩所受到的约束力小，所以低温裂缝主要是横向的。我市使用的是胜利１００＃，６０＃道路沥青。据北京市政工程研究所的研究表明：胜利１００＃沥青与阿６０＃沥青相比，其低温延度值小于阿６０＃，０￣－１５°Ｃ低温收缩系数大于阿６０＃，其它如茂名、任丘等沥青均如此。见表２国内外沥青低温性能比较表２另外，沥青路面低温缩裂的另一个原因是沥青材料的应力松驰，即蠕变过程产生的。沥青面层具有粘弹性，某一时刻产生的温度应力随时间增长会逐渐减小，即应力发生松驰。气温下降时，沥青面层将产生收缩变形。由于相邻材料单元的相互制约，降温引起的收缩变形受到限制，沥青面层内产生均匀分布的温度应力。应力松驰需要无限长的时间，当降温速度较快时，各时刻产生的应力一部分松驰掉，一部分累积起来，当残余应力累积到一定程度而超过材料的容许应力时，路面出现裂缝。而沥青面层在横向和深度方向的几何尺寸远远小于纵向，温度应力通常仅沿纵向发生，反应在路面则出现横向裂缝，特别是横向薄弱部位（窨井、雨水井）最易发生。城市道路中特别是北方城市道路中背阴处的沥青路面，在冬季连续低温以及雨雪等因素的影响下，沥青路面产生的收缩拉应力与松驰残余温度应力的累积作用相互影响，路面产生的裂缝数量相应要比向阳地段要多。４、淮阴市有关沥青路面低温裂缝的调查我市沥青路面的裂缝情况，是我们在1993年10月上旬进行调查的。在调查中发现这么一个现象：东西向道路南侧慢车道的横向裂缝要比北侧车道的多。针对这种情况，我们进行了深入的调查，对我市所有东西向的慢车道沥青路面的裂缝情况进行了调查（见表３）。并对此作了一定的研究，提出了有关城市道路“小气候”的概念。淮阴市东西向道路慢车道裂缝情况调查分析表表３调查时间：1993年10月3-5日调查人：陈新国王玉成５、我们的看法：５－１、城市道路中“小气候”确实存在，它是影响沥青路面裂缝的一个不可忽视的因素，必须引起重视。５－２、在城市道路的设计中，对东西向道路背阴处路面的设计应根据当地的温度资料进行设计。在道路结构设计时，应充分考虑到各种收缩因素。特别是道路结构组合设计时，更不可忽视。５－３、对城市道路各结构层次的施工应严格执行规范、规程。应在冰冻期到来之前完工，如不能完成的，也应在冰冻期间停止施工，待平均温度达到一定的指标后方可继续施工。否则，低温缩裂，不可避免。
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2004-12-06
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