水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面開裂成因及防治措施淺析

彭小兵,劉維鋒

(1.湖南省湘西州交通建設質(zhì)量安全監(jiān)督管理處;2.湖南省湘西自治州交通規(guī)劃勘察設計院)

瀝青路面因其平整與舒適性,廣泛用于公路路面的鋪筑。瀝青路面結構組合設計中,由于水泥穩(wěn)定碎石基層有其良好的力學性能和板體性等優(yōu)勢,且料源廣泛,可就地取材,便于原材料的采集加工和混合料的拌制,水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層瀝青路面目前已成為國內(nèi)公路的主要路面類型。

據(jù)對湘西境內(nèi)部分已建的通鄉(xiāng)油路和省道S229局部路段的調(diào)查表明,水泥穩(wěn)定碎石基層易開裂,裂縫間距一般為70～90cm,病害嚴重路段為 15～25cm,裂縫寬度約在 1～10mm間。基層的開裂反射至面層,繼而影響路面的使用壽命。在工程實踐中,如何發(fā)揮水穩(wěn)半剛性基層的優(yōu)勢,克服其抗變形能力低的弱點,提高瀝青路面的整體質(zhì)量水平和服務水平,在此就自己的認識對其開裂成因進行淺顯的分析,探討宜采取的防治措施。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層的特點

水泥穩(wěn)定碎石基層是指以水泥作為主要的膠結材料,以碎石為骨料,加入適量的水,經(jīng)拌和而形成混合料,再經(jīng)攤鋪、碾壓成型的一種道路基層,是一種半剛性基層。由于有骨料,有膠結材料,碾壓成型后的水泥穩(wěn)定碎石基層具板塊性,具有強度高、早期強度形成快、承載力大的特點,是路面結構的主要承重層。

因其水泥含量一般在 5%左右,水泥含量低,集料以碎石為主,級配差,所形成的基層抗折強度低,抵抗變形的能力弱小,易產(chǎn)生剪切變形。

同時水泥的品質(zhì)、水泥含量、集料的含水量、摻入的水量、骨料的材料與質(zhì)量、拌和的時間與均勻性、碾壓工藝、攤鋪的厚度、施工時的天氣情況、開放交通的時間等因素,均對其混合料形成的強度的高低有其直接的影響。

2 開裂成因分析

根據(jù)對發(fā)生裂縫病害路段的相關檢測與調(diào)查,較早出現(xiàn)裂縫是在水穩(wěn)層養(yǎng)生過程中開始出現(xiàn),一般在基層頂面沿橫向開裂且多為等間距,成直線型,縫長不等,主要是由于基層材料的干縮和溫度收縮而引起,這對瀝青路面面層的裂縫的形成特別是反射裂縫的發(fā)生有很大影響;開放交通后在車輛荷載作用下也不同程度地存在開裂現(xiàn)象。究其機理,一般為收縮裂縫、溫度裂縫與荷載裂縫三類。

2.1 收縮裂縫

水泥與碎石和水經(jīng)拌和、壓實后,由于水分的蒸發(fā)和混合料內(nèi)部的水化作用,混合料的水分會不斷的減少。由于水分的減少,混合料進一步發(fā)生一系列的物理化學反應,使半剛性材料產(chǎn)生體積收縮,從而導致基層裂縫的產(chǎn)生。

如果施工期間氣溫沒有太大變化,混合料從最佳含水量到較干燥的干縮過程為一次性的干縮,其產(chǎn)生的裂縫是有限的,裂縫較少,裂縫也較細。如果這段時間間隔較長,基層混合料多次經(jīng)歷風吹雨淋日曬,多次重復干縮過程,必然會使基層出現(xiàn)較嚴重的拉裂現(xiàn)象,這種破壞在多雨的季節(jié)和路段特別明顯。

2.2 溫度裂縫

水泥穩(wěn)定碎石基層屬半剛性體,同樣具有熱脹冷縮的特性。水泥無機結合料內(nèi)部的不同礦物顆粒組成的固相、液相和氣相體,在溫差作用中必然會使其產(chǎn)生熱脹冷縮的體積變化,從而引起溫縮性裂縫。

水泥穩(wěn)定碎石生成的新膠結礦物和碎石具有不同的熱脹冷縮性,在溫度變化時其脹縮值是不相同的。自由水、毛細水、結構水、結晶水存在于混合料內(nèi)部的孔隙中和膠體中,當溫度升高時,可以產(chǎn)生相當大的擴張力使顆粒間距增大而產(chǎn)生膨脹?；旌狭现械拿毧住?nèi)部孔隙充盈著氣體,溫度升高時水穩(wěn)層內(nèi)部結構氣體體積受熱充分膨脹,結構內(nèi)的顆粒相應充滿擴張力;溫度下降時原膨脹的氣體體積收縮,顆粒內(nèi)的結構應力減小,產(chǎn)生收縮力,體積變小。當擴張力超過臨界值時,水穩(wěn)層就會產(chǎn)生起拱;當收縮力超過結構拉應力時,便產(chǎn)生橫向裂縫。

2.3 荷載裂縫

對于路基土組,由于土基強度低,在重復荷載作用下土基易產(chǎn)生再壓實的剪切變形,土基的剪切變形需要底基層和基層來予以抵抗。水泥穩(wěn)定碎石混合料固有的抗折強度低的劣勢,易導致基層產(chǎn)生剪切變形而出現(xiàn)開裂。荷載性的裂縫一般發(fā)生在基層的底部,由于車輛荷載的反復作用,裂縫逐漸向上擴展至表面。

3 防治措施

通過對水穩(wěn)基層裂縫產(chǎn)生的原因分析,水穩(wěn)基層裂縫的產(chǎn)生是難以避免的,但采取一定的措施后,可以減少裂縫的出現(xiàn)和減輕開裂所造成的病害。

(1)嚴格控制級配和壓實度:控制混合料中小于0.075mm以下的顆粒(礦粉、粘土)含量,小于0.075mm以下的顆粒含量增加時,不但增加了水泥的用量,而且基層表面還容易起皮(起砂),嚴重影響水穩(wěn)層的質(zhì)量。同時,當細集料增加時,混合料的溫縮系數(shù)隨溫度降低的變化幅度越來越大。溫度越低,細粒料對溫縮的影響也越大。對混合料的碾壓,除對混合料的嵌擠致密作用外,對土基也是一種負荷。水泥穩(wěn)定碎石基層級配和壓實度的好壞,不但影響水泥穩(wěn)定基層的強度和剛度,而且還影響到水泥穩(wěn)定基層的干縮性和耐凍性,控制好級配和壓實度可預防裂縫的產(chǎn)生。

(2)優(yōu)選石料:作為水泥穩(wěn)定基層用的碎石要求不是很高,規(guī)范中只有 4個指標:相對密度、壓碎值、有機質(zhì)含量、硫酸鹽含量,因此很多巖礦都可作為基層碎石的料礦。碎石原材料采集時可以多選擇幾個石料場進行比對,選擇壓碎值、有機質(zhì)含量、硫酸鹽含量較低的石料進行軋制,提升混合料的質(zhì)量。

(3)嚴格控制水泥用量:一般的水泥穩(wěn)定碎石基層,其設計強度通常為 3～5MPa,設計強度越高,所需水泥用量越大?；鶎觿傂栽酱?越易產(chǎn)生干縮性裂縫,縫寬也越大。在滿足強度標準的前提下,采用較小的水泥用量,使水泥用量不大于 5.5%。目前湘西州內(nèi)在建的幾條通鄉(xiāng)油路中,水穩(wěn)基層水泥用量設計及施工上均采用 5%,對減少收縮裂縫的產(chǎn)生有一定的效果。

(4)掌控好碾壓時的最佳含水量:水泥穩(wěn)定碎石基層干縮應變隨混合料的含水量增加而增大,施工碾壓時含水量越大,結構層越易產(chǎn)生干縮性裂縫。即使鋪筑了瀝青面層,在旱季或冬季也可能產(chǎn)生干燥裂縫。因此在施工時,應根據(jù)天氣情況適當增加或減少拌和用水量。例如,在夏天施工氣溫較高,即使在同一天施工,混合料的拌和用水量也應早、中、晚各不相同,并且,還要根據(jù)運距遠近、運輸車輛配置情況進行不斷的調(diào)整,確保碾壓時混合料含水量在最佳含水量范圍內(nèi)。

(5)科學養(yǎng)護:攤鋪完成后,要及時用稻草、麻袋等覆蓋進行灑水養(yǎng)護,防止基層因混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用和水分的過分蒸發(fā)引起表面的干縮性裂縫現(xiàn)象。如果在冬天施工溫度較低,則可以用一層塑料薄膜再加上二層土工布覆蓋保溫,不一定需要灑水養(yǎng)護。可能的情況下,養(yǎng)護期結束,立即進行瀝青封層或透層油的施工,及時攤鋪瀝青面層,這樣水穩(wěn)層裸露的時間短,能有效地減少重復干縮產(chǎn)生的裂縫。

(6)選擇有利的季節(jié)或時間進行水穩(wěn)基層的施工:水穩(wěn)基層施工最好選擇在年平均氣溫時節(jié),此時氣溫變化不大,結構內(nèi)溫度應力較小,水穩(wěn)層不易產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。施工時的氣溫與一年中最冷或最熱時的溫差越大,越易產(chǎn)生溫縮性裂縫。冬天氣溫低于 5℃時,一般不能進行水穩(wěn)基層的施工。

(7)適時開放交通:水泥膠結材料的特性使得水穩(wěn)基層混合料凝結較快,早期強度形成快,達到齡期后強度增長呈衰變趨勢,且早期強度的形成與溫度關系密切,溫度高則早期強度來得快。過早開放交通,對混合料的凝結成板和強度的形成帶來直接影響,這種影響作用不可逆轉;即使有了一定的強度和剛度,但強度及剛度尚未達到使用要求,車輛荷載作用下極易出現(xiàn)開裂。因此,開放交通不宜過早,應在其達到齡期后。

4 結 語

基層的裂縫病害產(chǎn)生后,一是降低了基層的整體強度,二是發(fā)展后會形成反射裂縫,使瀝青路面相應地出現(xiàn)裂縫和起拱。如不及時予以處理,雨水從裂縫內(nèi)向下滲透,瀝青路面的面層和基層裂縫縫隙處充滿自由水,在車輛荷載反復沖擊下,就會使粘附在碎石表面的瀝青剝離,基層的細集料形成泥漿被擠壓出路面,從而導致瀝青路面出現(xiàn)坑洞、碎裂、松散,造成瀝青路面的早期破損,影響其使用壽命,影響行車的速度和安全。在水穩(wěn)基層瀝青路面工程實踐中,如何采取行之有效的措施,減少水穩(wěn)基層裂縫的產(chǎn)生,減少瀝青路面的大中修,提高道路的服務水平和使用壽命,是一項有意義的探索。

[1] 公路瀝青路面設計規(guī)范(JTGD50-2006)[S].

[2] 公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTGF40-2004)[S].