水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫控制

1、水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫控制目前，我國(guó)公路交通具有2個(gè)明顯的特點(diǎn)，即交通量迅速增加和重載車(chē)輛日益 增多。因此，對(duì)路面結(jié)構(gòu)使用性能的要求也越來(lái)越高。 半剛性基層由于具有強(qiáng)度高、 承載力大、良好的抗疲勞性能和抗沖刷性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路 面的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó) 90%以上的高等級(jí)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(diǎn)是抗變形能力低、脆性大，在溫度或 濕度變化時(shí)易產(chǎn)生開(kāi)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(jí)配集料是當(dāng)今國(guó)內(nèi)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

2、穩(wěn)定碎石基層并沒(méi)有消除半剛性材料的 缺點(diǎn)，因此如何進(jìn)一步減少其反射裂縫的產(chǎn)生，依然是充分發(fā)揮路面結(jié)構(gòu)整體性能 的關(guān)鍵之一?？紤]到我國(guó)作為水泥生產(chǎn)大國(guó)，原材料來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉，水泥膠 結(jié)類(lèi)材料在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將作為主要的道路建筑材料，因此有必要對(duì)水泥 穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行研究，以便能為將來(lái)更為廣泛的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。1、裂縫形成機(jī)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(lèi)，即荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫和非荷載型裂縫，包括反射裂縫和對(duì)應(yīng)裂縫。荷載 型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫是由汽車(chē)動(dòng)態(tài)荷載產(chǎn)生的垂直或水平應(yīng)力，在基層內(nèi)部產(chǎn)生超過(guò) 材料的容許抗拉極限應(yīng)力的拉應(yīng)力所造成

3、；非荷載型裂縫則是環(huán)境作用的結(jié)果，主 要是濕度和溫度的影響，由干縮、溫縮和疲勞作用導(dǎo)致，個(gè)別情況下也可能是由于 路基不均勻沉陷造成。止匕外，在冰凍地區(qū)的瀝青路面上，還可能發(fā)現(xiàn)由路基凍脹引文章來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，僅供個(gè)人學(xué)習(xí)參考起的裂縫。我國(guó)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(shè)計(jì)角度看是足夠的，然而調(diào)查表明，裂縫在我國(guó)各個(gè)地區(qū)的瀝青路面上十分普 遍，不論南方還是北方，通車(chē)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(kāi)裂應(yīng)當(dāng)是多種因素共同作用的結(jié)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

4、縮開(kāi)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(guó)外通常認(rèn)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(guó)內(nèi)則認(rèn)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?qū)?yīng)裂縫。雖然國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)反射裂縫問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但至今仍 存在不同的認(rèn)識(shí)，包括反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)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(jié)構(gòu)等多種因素影響，甚至還包括經(jīng)濟(jì)因素、采用的研 究手段等。我國(guó)地域遼闊，又是多山國(guó)家，自然因素千差萬(wàn)別，并且

5、各地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(shí)，收縮轉(zhuǎn)化為以溫縮為主。而對(duì)于溫縮，低溫收縮在-1C 以上時(shí)，其溫縮變化不大；當(dāng)在10c以下時(shí)，溫縮系數(shù)才劇增，是1C時(shí)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(fù)溫度的地區(qū)，而就我 國(guó)南方大部分地區(qū)來(lái)說(shuō)，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(guò)程對(duì)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

6、產(chǎn)生裂紋，在承受荷載之前，就已經(jīng)存 在大量的微細(xì)裂紋和孔洞。因此，實(shí)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(nèi)因。對(duì)于反射裂縫的形成，是由于面層底部的拉應(yīng)力超過(guò)瀝青混凝土極限強(qiáng)度 所致。在基層開(kāi)裂后，由于基層失去抵抗拉應(yīng)力的作用，就在開(kāi)裂位置將應(yīng)力傳遞 給面層，造成面層在裂縫處的應(yīng)力集中。如果此時(shí)再加上偏荷載主拉應(yīng)力（或剪應(yīng)力） 的作用，其應(yīng)力值就有可能超過(guò)材料的極限強(qiáng)度，面層隨之開(kāi)裂。偏荷載作用的主 拉應(yīng)力（或剪應(yīng)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(kāi)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(duì)應(yīng)措施影響瀝青路面

7、裂縫輕重程度的主要因素包括：瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)， 基層材料的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)類(lèi)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(chē)輛類(lèi)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(shè)計(jì)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(jì)30年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)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(lèi)：第一類(lèi)為面層本身抗裂 性能和防裂措施的研究，第二類(lèi)是半剛性基層防裂性能和防裂措施的研究，第三類(lèi) 是面、基層之間作用原理及抗裂性能的研究。目前我國(guó)在防治反射裂縫方面主要也 分為3大部分：一是改

8、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(shè)置應(yīng)力/應(yīng)變消減中間層，如采用 SAMI 土工織物、土工文章來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，僅供個(gè)人學(xué)習(xí)參考格柵、粘接間斷層、級(jí)配碎石中間層等；三是針對(duì)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(qiáng)度高的半剛性材料。盡管已嘗試了許多預(yù)防措施，但是迄今為止還沒(méi)有找到能防止瀝青混凝土 面層產(chǎn)生對(duì)應(yīng)裂縫或反射裂縫的有效措施。雖然以上各種措施都在實(shí)踐中得到了應(yīng) 用，但目前各類(lèi)措施的防裂效果在定性、定量上很不一致，這一方面表明對(duì)各種措 施還缺乏進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(lèi)措施的

9、防裂效果都與其自身的性能有一定關(guān)系，只有滿足 一定的要求才能有效地防治反射裂縫。概括說(shuō)來(lái)，各種措施的防反射裂縫機(jī)理不外乎是增強(qiáng)材料自身的性能和減 少外界因素的影響。具體就是增強(qiáng)材料的變化能力，提高其強(qiáng)度特性，消除應(yīng)力集 中（荷載應(yīng)力集中和溫度應(yīng)力集中）以及防水。而一項(xiàng)優(yōu)異的技術(shù)措施則不僅應(yīng)該是 在理論上和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效，具體就是增強(qiáng)材料的變化能力，提高其強(qiáng)度特性，消除 應(yīng)力集中（荷載應(yīng)力集中和溫度應(yīng)力集中）以及防水。而一項(xiàng)優(yōu)異的技術(shù)措施則不僅 應(yīng)該是在理論上和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效，同時(shí)也應(yīng)該考慮到施工方便、經(jīng)濟(jì)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(lái)，為改善瀝青路面的使用性能，對(duì)瀝青面層進(jìn)行

10、了大量研究，采用 了許多新技術(shù)，如改性瀝青、SM媚面等。然而路面結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，單純提高面 層材料的性能難于發(fā)揮其應(yīng)達(dá)到的效果，作為主要承重層，基層材料的性質(zhì)和整體 質(zhì)量對(duì)瀝青路面的使用性質(zhì)和使用壽命有十分重要的影響。因此，優(yōu)質(zhì)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(shí)用的技術(shù)途徑。作為優(yōu)質(zhì)基層，水泥穩(wěn)定碎石最大的問(wèn)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(qiáng)度；(2)采用補(bǔ)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(yù)鋸縫、造成許多微細(xì)裂縫以及讓基層先

11、開(kāi)裂等。作 為膨脹性的化學(xué)物質(zhì)，由于其實(shí)際效果受環(huán)境條件的影響，在復(fù)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(jià)。降低 約束則應(yīng)施工實(shí)際效果出發(fā)，例如預(yù)鋸縫。由于在荷載和環(huán)境因素作用下基層預(yù)切 縫縫隙處的瀝青面層產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此必須對(duì)該縫預(yù)加處理。而處理措施如何在 面層施工中以及在行車(chē)荷載下保持穩(wěn)定效果卻難以控制。因此，筆者認(rèn)為從材料組 成設(shè)計(jì)、施工以及養(yǎng)護(hù)措施入手最為切實(shí)可行。有人在總結(jié)了大量研究成果后認(rèn)為應(yīng)從以下 4方面減少裂縫：(1)控制集料中細(xì)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(qiáng)度要求的前提下，盡可能減小穩(wěn)定劑摻量

12、；(3)控制施工碾壓時(shí)的含水量，含水量每增加 1 %對(duì)基層干縮應(yīng)變的影響相 當(dāng)于水泥劑量2-3倍；(4)減少半剛性基層的暴曬時(shí)間，養(yǎng)生結(jié)束后(也可以在養(yǎng)生期間)，立即鋪 筑罩面。確實(shí)，水泥穩(wěn)定碎石基層收縮的內(nèi)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(diǎn)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(lái)說(shuō)，主要包括以下幾方面：(1)材料組成設(shè)計(jì)首先是原材料的優(yōu)選。選用合適的水泥，一般來(lái)說(shuō)，C3A含量大、細(xì)度較細(xì)、 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(jié)構(gòu)致密、吸水率小、 彈性模量較大的骨料。在普通骨料范圍內(nèi)，砂巖骨料的收縮最大，石灰?guī)r和石英巖

13、的干縮都較小。摻用質(zhì)量好、顆粒細(xì)的粉煤灰。加入新型外加劑，如能減少混凝土文章來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，僅供個(gè)人學(xué)習(xí)參考收縮率的外加劑一一減縮劑。混凝土減縮劑的化學(xué)組成主要為聚醍或聚醍類(lèi)衍生物, 它幾乎不存在水泥適應(yīng)性問(wèn)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(shè)計(jì)。通過(guò)級(jí)配的合理調(diào)整，盡可能采用骨架密實(shí)型 結(jié)構(gòu)，減少水泥含量，降低單方用水量，增加粗骨料的相對(duì)含量。(2)施工控制實(shí)踐證明，水泥穩(wěn)定碎石基層開(kāi)裂的幾率和程度，顯著受現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)容是加強(qiáng)集料的組織管 理，保證集料級(jí)配與實(shí)驗(yàn)室配合比相符、水泥劑量準(zhǔn)確，保持基層材料強(qiáng)度的均勻 性，控制碾壓層的厚度和含水量，提高基層的壓實(shí)度和整體穩(wěn)定性，并注意合理的 養(yǎng)生。實(shí)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(guò)大，或者時(shí) 干時(shí)濕，甚至長(zhǎng)時(shí)間暴曬。水泥穩(wěn)定碎石在強(qiáng)度形成過(guò)程中，需要消耗水分，尤其 是在強(qiáng)度形成初期，養(yǎng)護(hù)不良則收縮性大，同時(shí)材料自身的抗拉強(qiáng)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(shí)做好基層的養(yǎng)護(hù)工作。4、結(jié)語(yǔ)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