水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫控制

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

目前，我國公路交通具有2個明顯的特點，即交通量迅速增加和重載車輛日益增多。因此，對路面結構使用性能的要求也越來越高。半剛性基層由于具有強度高、承載力大、良好的抗疲勞性能和抗沖刷性等優(yōu)點，已經(jīng)成為我國高等級公路瀝青路面的主要結構類型。據(jù)統(tǒng)計，我國90％以上的高等級公路瀝青路面基層及底基層都是采用半剛性材料。但半剛性基層材料的缺點是抗變形能力低、脆性大，在溫度或濕度變化時易產(chǎn)生開裂，形成路面反射裂縫，這已成為高速公路瀝青路面早期損壞的重要原因之一。

　　水泥穩(wěn)定級配集料是當今國內外使用最普遍的一種半剛性基層材料，其中又以水泥穩(wěn)定碎石性能最為優(yōu)異。然而水泥穩(wěn)定碎石基層并沒有消除半剛性材料的缺點，因此如何進一步減少其反射裂縫的產(chǎn)生，依然是充分發(fā)揮路面結構整體性能的關鍵之一?？紤]到我國作為水泥生產(chǎn)大國，原材料來源廣泛且價格低廉，水泥膠結類材料在今后很長一段時間內仍將作為主要的道路建筑材料，因此有必要對水泥穩(wěn)定碎石基層進行研究，以便能為將來更為廣泛的應用提供經(jīng)驗。

　　1、裂縫形成機理

　　1.1 裂縫產(chǎn)生原因

　　半剛性基層瀝青路面的裂縫形式多種多樣，但形成的主要原因可以分為2大類，即荷載型結構性破壞裂縫和非荷載型裂縫，包括反射裂縫和對應裂縫。荷載型結構性破壞裂縫是由汽車動態(tài)荷載產(chǎn)生的垂直或水平應力，在基層內部產(chǎn)生超過材料的容許抗拉極限應力的拉應力所造成；非荷載型裂縫則是環(huán)境作用的結果，主要是濕度和溫度的影響，由干縮、溫縮和疲勞作用導致，個別情況下也可能是由于路基不均勻沉陷造成。此外，在冰凍地區(qū)的瀝青路面上，還可能發(fā)現(xiàn)由路基凍脹引起的裂縫。

　　我國已建高速公路的半剛性路面、剛性路面和剛性組合式路面的承載能力從設計角度看是足夠的，然而調查表明，裂縫在我國各個地區(qū)的瀝青路面上十分普遍，不論南方還是北方，通車后1年最遲第2年均出現(xiàn)大量裂縫。因此，單純由荷載作用不足以引起面層破壞，瀝青路面的開裂應當是多種因素共同作用的結果。

　　半剛性基層瀝青路面裂縫出現(xiàn)的原因有3種可能：一是面層本身性能不良，二是由于基層干縮和溫縮開裂而反射到面層產(chǎn)生裂縫，三是由于面層、基層相互作用所引起。國外通常認為半剛性基層瀝青路面裂縫是由半剛性基層引起的反射裂縫，且這種反射裂縫主要由半剛性基層材料的干縮裂縫引起的。國內則認為半剛性路面的裂縫有荷載型裂縫，有瀝青面層的溫度收縮裂縫，還有由半剛性基層的溫縮裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或對應裂縫。

　　雖然國內外的研究人員對反射裂縫問題已經(jīng)進行了大量的研究，但至今仍存在不同的認識，包括反射裂縫的產(chǎn)生機理。根本原因在于路面使用性能受環(huán)境因素、交通因素、材料組成與結構等多種因素影響，甚至還包括經(jīng)濟因素、采用的研究手段等。

　　我國地域遼闊，又是多山國家，自然因素千差萬別，并且各地區(qū)經(jīng)濟水平參差不齊，因此半剛性路面產(chǎn)生反射裂縫的主要原因不可能一致。水泥穩(wěn)定基層的干縮主要發(fā)生在竣工后初期階段。當基層上鋪筑瀝青或水泥混凝土面層后，基層的含水量一般變化不大，此時，收縮轉化為以溫縮為主。而對于溫縮，低溫收縮在－1℃以上時，其溫縮變化不大；當在－10℃以下時，溫縮系數(shù)才劇增，是－1℃時的幾倍甚至幾十倍。因此溫縮裂縫大多發(fā)生在東北等容易形成某一負溫度的地區(qū)，而就我國南方大部分地區(qū)來說，收縮裂縫的產(chǎn)生則主要是由于干縮引起的，可以忽略低溫收縮的影響。

　　1.2 裂縫形成過程

　　對于半剛性基層，裂縫往往不是由交通荷載作用引起的。水泥穩(wěn)定碎石基層由于水分蒸發(fā)及溫度變化的影響，很容易產(chǎn)生裂紋，在承受荷載之前，就已經(jīng)存在大量的微細裂紋和孔洞。因此，實際上它是在帶有裂紋的狀態(tài)下承受交通荷載作用的，基層的溫縮和干縮是引起裂縫的內因。

　　對于反射裂縫的形成，是由于面層底部的拉應力超過瀝青混凝土極限強度所致。在基層開裂后，由于基層失去抵抗拉應力的作用，就在開裂位置將應力傳遞給面層，造成面層在裂縫處的應力集中。如果此時再加上偏荷載主拉應力(或剪應力)的作用，其應力值就有可能超過材料的極限強度，面層隨之開裂。偏荷載作用的主拉應力(或剪應力)是促成反射裂縫形成的原因。因此，路面反射裂縫主要是由于基層開裂后的水平與垂直位移引起的。

　　2、影響路面裂縫的主要因素及其對應措施

　　影響瀝青路面裂縫輕重程度的主要因素包括：瀝青和瀝青混合料的性質，基層材料的性質，結構類型與組成情況，氣候條件(特別是冬季氣溫及其變化)，交通量和車輛類型以及施工因素等。就水泥穩(wěn)定碎石瀝青路面而言，基層材料組成以及施工水平尤為重要。設計合理、施工良好的水泥穩(wěn)定碎石基層不易在早期出現(xiàn)荷載型裂縫。

　　自20世紀30年代以來，國內外在防止半剛性基層路面的裂縫方面先后采取了很多措施。抗裂性能和防裂措施的研究可分為3大類：第一類為面層本身抗裂性能和防裂措施的研究，第二類是半剛性基層防裂性能和防裂措施的研究，第三類是面、基層之間作用原理及抗裂性能的研究。目前我國在防治反射裂縫方面主要也分為3大部分：一是改善瀝青混凝土面層性能，如增加瀝青層厚度、加筋罩面層、使用改性瀝青等；二是設置應力／應變消減中間層，如采用SAMI、土工織物、土工格柵、粘接間斷層、級配碎石中間層等；三是針對基層材料本身，選擇抗沖刷性好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小和抗拉強度高的半剛性材料。

　　盡管已嘗試了許多預防措施，但是迄今為止還沒有找到能防止瀝青混凝土面層產(chǎn)生對應裂縫或反射裂縫的有效措施。雖然以上各種措施都在實踐中得到了應用，但目前各類措施的防裂效果在定性、定量上很不一致，這一方面表明對各種措施還缺乏進行系統(tǒng)評價的方法，另一方面也表明目前各種措施的防裂效果都還十分有限。原因可能在于各類措施的防裂效果都與其自身的性能有一定關系，只有滿足一定的要求才能有效地防治反射裂縫。

　　概括說來，各種措施的防反射裂縫機理不外乎是增強材料自身的性能和減少外界因素的影響。具體就是增強材料的變化能力，提高其強度特性，消除應力集中(荷載應力集中和溫度應力集中)以及防水。而一項優(yōu)異的技術措施則不僅應該是在理論上和實驗室內有效，具體就是增強材料的變化能力，提高其強度特性，消除應力集中(荷載應力集中和溫度應力集中)以及防水。而一項優(yōu)異的技術措施則不僅應該是在理論上和實驗室內有效，同時也應該考慮到施工方便、經(jīng)濟合理等因素。

　　3、水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫的控制

　　近年來，為改善瀝青路面的使用性能，對瀝青面層進行了大量研究，采用了許多新技術，如改性瀝青、SMA路面等。然而路面結構作為一個整體，單純提高面層材料的性能難于發(fā)揮其應達到的效果，作為主要承重層，基層材料的性質和整體質量對瀝青路面的使用性質和使用壽命有十分重要的影響。因此，優(yōu)質基層不僅有利于反射裂縫的控制，而且還改善了整體性能，是合理而實用的技術途徑。

　　作為優(yōu)質基層，水泥穩(wěn)定碎石最大的問題就是如何降低收縮裂縫。減少基層裂縫的產(chǎn)生可從4方面著手：

　　(1)降低基層材料的收縮系數(shù)，提高基層材料的抗拉強度；

　　(2)采用補償收縮措施，如摻加膨脹劑；

　　(3)采用限制收縮措施，如摻加纖維、土工織物等；

　　(4)改善約束條件，如預鋸縫、造成許多微細裂縫以及讓基層先開裂等。作為膨脹性的化學物質，由于其實際效果受環(huán)境條件的影響，在復雜多變的路面自然條件下可能難以采用，而摻加各種加筋材料則增加施工難度、提高工程造價。降低約束則應施工實際效果出發(fā)，例如預鋸縫。由于在荷載和環(huán)境因素作用下基層預切縫縫隙處的瀝青面層產(chǎn)生應力集中，因此必須對該縫預加處理。而處理措施如何在面層施工中以及在行車荷載下保持穩(wěn)定效果卻難以控制。因此，筆者認為從材料組成設計、施工以及養(yǎng)護措施入手最為切實可行。

　　有人在總結了大量研究成果后認為應從以下4方面減少裂縫：

　　(1)控制集料中細料的含量和塑性指數(shù)，以減少水穩(wěn)集料中的粘土含量；

　　(2)在保證滿足強度要求的前提下，盡可能減小穩(wěn)定劑摻量；

　　(3)控制施工碾壓時的含水量，含水量每增加1％對基層干縮應變的影響相當于水泥劑量2-3倍；

　　(4)減少半剛性基層的暴曬時間，養(yǎng)生結束后(也可以在養(yǎng)生期間)，立即鋪筑罩面。確實，水泥穩(wěn)定碎石基層收縮的內因主要是組分中的水泥與水，外因則是環(huán)境的溫濕度變化。因此，以上幾點是最為重要的。

　　水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫的防治措施，具體來說，主要包括以下幾方面：

　　(1)材料組成設計

　　首先是原材料的優(yōu)選。選用合適的水泥，一般來說，C3A含量大、細度較細、石膏含量不足及S0₃含量小的水泥收縮較大。選用含泥量小、結構致密、吸水率小、彈性模量較大的骨料。在普通骨料范圍內，砂巖骨料的收縮最大，石灰?guī)r和石英巖的干縮都較小。摻用質量好、顆粒細的粉煤灰。加入新型外加劑，如能減少混凝土收縮率的外加劑——減縮劑。混凝土減縮劑的化學組成主要為聚醚或聚醚類衍生物，它幾乎不存在水泥適應性問題，且與其它外加劑有良好的相容性。

　　其次是良好的配合比設計。通過級配的合理調整，盡可能采用骨架密實型結構，減少水泥含量，降低單方用水量，增加粗骨料的相對含量。

　　(2)施工控制

　　實踐證明，水泥穩(wěn)定碎石基層開裂的幾率和程度，顯著受現(xiàn)場施工控制的影響，在一定程度上也是施工組織管理、施工工藝水平的反映。只有在良好的施工前提下，減縮措施的效果才能得到反映。施工控制的主要內容是加強集料的組織管理，保證集料級配與實驗室配合比相符、水泥劑量準確，保持基層材料強度的均勻性，控制碾壓層的厚度和含水量，提高基層的壓實度和整體穩(wěn)定性，并注意合理的養(yǎng)生。

　　實際上，許多收縮裂縫是由于不注意養(yǎng)生造成的。水分蒸發(fā)過大，或者時干時濕，甚至長時間暴曬。水泥穩(wěn)定碎石在強度形成過程中，需要消耗水分，尤其是在強度形成初期，養(yǎng)護不良則收縮性大，同時材料自身的抗拉強度低，極易形成裂縫。因此，在鋪筑瀝青混凝土下面層前，要隨時做好基層的養(yǎng)護工作。

　　4、結語

　　路面裂縫影響路面美觀、消弱整體穩(wěn)定性和平整度，并且由于水分的滲透，降低基層與土基的承載力，從而加劇路面破壞，縮短使用壽命。要根據(jù)具體情況，采用不同的措施防治半剛性基層裂縫。從結構設計、材料設計、厚度計算和工藝設計多方面綜合考慮。

　　采用水泥穩(wěn)定碎石基層符合我國的半剛性路面“強基薄面”的結構特點，并且應用范圍廣泛。要徹底消除半剛性基層裂縫可能相當困難，但從基層材料本身出發(fā)，采用新材料、新工藝來探討減少反射裂縫的措施或許更為有效，技術也更合理，經(jīng)濟上更能被接受。