高等級公路半剛性基層瀝青路面裂縫形成機(jī)理及防治措施

河南省公路工程局集團(tuán)有限公司 杜冬峽

高等級公路半剛性基層瀝青路面裂縫形成機(jī)理及防治措施

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由于半剛性基層具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)性和冰凍穩(wěn)定性好、剛性較大、材料板體性好、利于機(jī)械化施工且工程造價(jià)低、能適應(yīng)重交通發(fā)展的需要等優(yōu)點(diǎn)，因而，我國高等級公路建設(shè)中越來越多地采用了半剛性材料基層。目前，我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層采用了半剛性材料，并且在我國今后高等級公路建設(shè)中，半剛性基層材料仍將成為路面基層的主要材料。

然而，隨著半剛性基層瀝青路面的大量應(yīng)用，國內(nèi)已建成高速公路使用調(diào)查表明，通車后一年或兩年均出現(xiàn)了大量裂縫。就目前的研究現(xiàn)狀來看，引起路面開裂的原因有很多，有面層材料方面的、基層材料方面的、設(shè)計(jì)方面的、施工方面的以及環(huán)境方面的，對路面裂縫所采取的防治措施也是分別針對上述幾方面的。深入系統(tǒng)地研究和探討半剛性基層裂縫產(chǎn)生的具體原因并采取相應(yīng)有效的防治措施，將有益于延長路面的使用壽命，使半剛性基層路面發(fā)揮其更好的使用性能。

一、半剛性基層瀝青路面裂縫的主要類型

瀝青路面開裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的，影響裂縫的主要因素有：瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)、基層材料的性質(zhì)、氣候條件、交通量和車輛類型以及施工因素等。按路面開裂的形式路面裂縫可分為：橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫。但就瀝青路面開裂的主要原因而論，主要分為兩大類，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。非荷載型裂縫又可分為瀝青面層自身的溫縮裂縫和由基層溫縮、干縮、疲勞引起的面層開裂。瀝青面層自身的溫縮裂縫包括低溫收縮裂縫和由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致的溫度應(yīng)力疲勞裂縫。由基層溫縮、干縮和疲勞引起的面層開裂形式主要是反射裂縫和對應(yīng)裂縫。在上述諸多類型的裂縫中，非荷載型裂縫是最主要的，尤其是由半剛性基層材料溫縮和干縮引起的裂縫問題最為嚴(yán)重。

二、半剛性基層瀝青路面裂縫形成機(jī)理

半剛性基層的裂縫是由其溫度收縮、干燥收縮和疲勞荷載作用產(chǎn)生的，而疲勞荷載作用是次要的，主要因素是溫度收縮和干燥收縮。因而，半剛性基層材料的溫度收縮機(jī)理和干燥收縮機(jī)理便構(gòu)成了半剛性基層裂縫形成的主要機(jī)理。

1.溫度收縮機(jī)理。半剛性基層材料的基本結(jié)構(gòu)是由固相、液相、氣相組成。因而，半剛性基層材料的外觀脹縮性是固、液、氣三相不同溫度收縮性的綜合效應(yīng)，使得基層材料產(chǎn)生體積收縮即溫度收縮。

由于半剛性基層材料存在著上述的溫度收縮特性，基層鋪筑后，到了冬季隨著溫度的降低，基層材料便產(chǎn)生收縮，即使是鋪了瀝青面層后，如果面層較薄也會產(chǎn)生溫度收縮。當(dāng)氣溫大幅度下降時，基層材料中拉應(yīng)力或拉應(yīng)變會急劇增大，一旦超過基層材料的極限抗拉強(qiáng)度或極限抗拉應(yīng)變就會引起基層的開裂。半剛性基層一般是在高溫季節(jié)中鋪筑而成，成形初期未被瀝青面層封閉，由于環(huán)境溫度存在著晝夜溫差，在基層中產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，這種溫度應(yīng)力日復(fù)一日地反復(fù)作用在基層中，就會使基層產(chǎn)生裂縫。

2.干燥收縮機(jī)理。半剛性基層的干燥收縮是指基層材料因內(nèi)部含水量變化而引起的體積收縮現(xiàn)象。其基本原理是由于水的蒸發(fā)而發(fā)生的毛細(xì)管張力作用、吸附水及分子間力作用、干燥收縮的層間水作用以及碳化脫水作用而引起的整體宏觀體積變化。

（1）毛細(xì)管張力作用。半剛性基層材料毛細(xì)管中水的彎液面存在內(nèi)外壓力差，即毛細(xì)管張力，以壓力的形式作用于毛細(xì)管壁。

（2）吸附水及分子間力作用。毛細(xì)管水蒸發(fā)完結(jié)后，隨著相對濕度的繼續(xù)減小，半剛性基層材料中的吸附水開始蒸發(fā)，使顆粒表面水膜變薄，其間距變小、分子力增大，導(dǎo)致其宏觀體積進(jìn)一步收縮。

（3）干燥收縮的層間水作用。半剛性基層材料中的一些層狀結(jié)構(gòu)物晶體或非晶體，如黏土礦物、C-S-H凝膠、C-A-H結(jié)晶等，層間“夾”有大量層間水及水化離子，隨著層間水的蒸發(fā)，使晶格間距減小，也會引起整體收縮。

（4）碳化脫水作用。所謂碳化收縮也就是由于碳化反應(yīng)引起的收縮，即在碳化反應(yīng)中，Ca（OH）2和CO2反應(yīng)生產(chǎn)水和CaCO3結(jié)晶體，所生成的水散失后所引起的體積收縮。

三、針對半剛性基層裂縫的措施

由以上分析可知，高等級公路半剛性基層路面產(chǎn)生裂縫的種類比較多，產(chǎn)生的機(jī)理也較復(fù)雜，因而裂縫的防治也是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，必須根據(jù)相關(guān)因素做出全面考慮?？刂苹鶎拥拈_裂是半剛性基層瀝青路面防裂的關(guān)鍵。半剛性基層開裂原因是由于基層內(nèi)部的最大收縮應(yīng)力超過了半剛性材料的抗拉強(qiáng)度，因而，防治半剛性基層裂縫的措施就是減小基層內(nèi)部最大收縮應(yīng)力和增大半剛性材料抗拉強(qiáng)度的措施，可針對半剛性基層最大溫縮、干縮應(yīng)力的影響因素采取相應(yīng)的措施。

1.針對半剛性基層材料的措施。為減少半剛性基層的開裂，應(yīng)盡量提高基層材料的抗拉強(qiáng)度，降低材料的彈性模量、溫縮系數(shù)和干縮系數(shù)，減小基層內(nèi)部的最大收縮應(yīng)力。二灰穩(wěn)定類基層和水泥穩(wěn)定類基層必要時可加入早強(qiáng)劑，以提高半剛性基層早期強(qiáng)度，使其抗彎拉強(qiáng)度增大而彎拉模量變化不大，溫濕效應(yīng)減弱，耐用性提高，抗裂性增強(qiáng)。

水泥劑量的多少與水泥穩(wěn)定材料的強(qiáng)度、彈性模量、溫縮系數(shù)和干縮系數(shù)大小有直接關(guān)系。隨著水泥用量增加，其強(qiáng)度和彈性模量增加，但是收縮系數(shù)也隨之增加，因而，在滿足要求的情況下，宜采用最小的水泥用量以降低彈性模量和收縮系數(shù)。盡量使用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)礦料級配，骨架密實(shí)型半剛性材料比規(guī)范推薦級配中值的懸浮結(jié)構(gòu)半剛性材料在干縮系數(shù)方面可降低31%，在溫縮系數(shù)方面可以降低18%左右。由于細(xì)骨料特別是粒徑為0.075mm左右的細(xì)骨料有較大的干縮系數(shù)，比表面積大，遇水膨脹，失水后干縮變形大，因而，半剛性基層材料中細(xì)料含量越多，其內(nèi)部孔隙也就越多，從而在水作用下其收縮也就越大，所以要嚴(yán)格控制粒料中細(xì)料的含量和塑性指數(shù)，做到連續(xù)級配，避免間斷級配，必要時采取摻配等手段優(yōu)化級配。

2.針對施工過程的措施。實(shí)踐表明，相當(dāng)數(shù)量的基層裂縫是由施工質(zhì)量引起的，因而一定要確保半剛性基層的施工質(zhì)量。盡量減小基層內(nèi)部溫度變化量和含水量損失量?；鶎踊旌狭弦M量采用廠拌法施工，保證混合料拌和均勻，并嚴(yán)格控制基層碾壓含水量，含水量不能超過壓實(shí)需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許范圍內(nèi)，含水量不宜過小，否則會影響水泥的水化，影響基層的強(qiáng)度形成，但含水量也不宜超過最佳含水量的1%，因水分過多會引起干縮裂縫。在基層碾壓完成后要及時進(jìn)行養(yǎng)生，使混合料的含水量不受損失，決不能讓基層暴曬變干裂。養(yǎng)生結(jié)束后，應(yīng)立即噴灑稀釋的高黏度瀝青，做成透層或封層，在其上撒布3～8mm的石屑。

3.設(shè)置預(yù)切縫的措施。在基層設(shè)置預(yù)切縫也可減少基層裂縫的產(chǎn)生。在鋪筑瀝青面層前，通過對基層采用預(yù)切縫處理的措施來減小基層的“相對長度”，以此來減小基層內(nèi)部累積的溫縮、干縮應(yīng)力效應(yīng)，并可削弱基層的約束條件。但應(yīng)注意預(yù)切縫的間距、深度等尺寸參數(shù)，應(yīng)通過試驗(yàn)和實(shí)際情況確定。預(yù)切縫間距越小，接縫越多，不僅增加施工的復(fù)雜性，而且影響路面的整體強(qiáng)度。但是，預(yù)切縫過長也會帶來一些問題，如溫度翹曲應(yīng)力增大，干縮、溫縮引起基層的伸縮量大，增加基層開裂的可能性等。由于在荷載和環(huán)境因素作用下的基層預(yù)切縫縫隙處的瀝青面層易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此還要對預(yù)切縫處預(yù)先處理（如用乳化瀝青填縫、在切縫處鋪設(shè)一定寬度的防水油氈或土工織物等），這樣可使預(yù)切縫“停留”在基層而不會反射到面層，即使產(chǎn)生反射裂縫，也比基層自由開裂而產(chǎn)生的反射裂縫規(guī)則。

四、結(jié)論

高等級公路半剛性基層瀝青路面開裂的成因，既有行車荷載方面的因素又有瀝青面層和半剛性基層材料方面的因素，既有設(shè)計(jì)方面的因素又有施工方面的因素。對于較厚面層路面，瀝青面層自身的溫縮裂縫是主要的，考慮到工程造價(jià)的因素，我國高等級公路目前瀝青面層都較薄，因而，怎樣減少由半剛性基層溫度收縮和干燥收縮產(chǎn)生的反射裂縫和對應(yīng)裂縫便成為減少整個路面裂縫的關(guān)鍵。實(shí)踐表明：采用優(yōu)質(zhì)的瀝青混合料和抗拉強(qiáng)度高且干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)小的半剛性基層材料，必要時在半剛性基層與面層之間設(shè)置合適的應(yīng)力吸收中間層，同時保證施工質(zhì)量對預(yù)防高等級公路半剛性基層瀝青路面裂縫的產(chǎn)生有較好的效果。