二灰碎石基層抗裂性能研究

武鐵雷，佟艷芳

(1.黑龍江省哈伊高速公路管理處;2.黑龍江龍捷市政軌道交通工程有限公司)

1 前言

半剛性材料作為路面基層，主要是由于它具有其他材料所無法取代的優(yōu)點(diǎn)，如它的整體性強(qiáng)、承載力高、剛性大、水穩(wěn)定性和抗冰凍穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，因而得以廣泛的應(yīng)用。國外常采用的有水泥穩(wěn)定粒料、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料、碾壓水泥混凝土或貧水泥混凝土作為基層。但是，半剛性基層與其他半剛性基層材料一樣，往往抗變形能力差，在溫度或者濕度急劇變化時(shí)易產(chǎn)生開裂，若瀝青面層較薄，或其他一些原因，易形成反射裂縫，從而引起路面的破壞，影響路面的使用性能。

目前，國內(nèi)對(duì)半剛性基層的裂縫防治主要針對(duì)荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫、溫縮裂縫、干縮裂縫，采取的措施主要是設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)真分析半剛性基層的拉應(yīng)力，確定適宜的基層厚度，保證路面具有足夠的承載力，同時(shí)控制交通量。對(duì)溫縮裂縫和干縮裂縫，國外一般是采用增加基層之上瀝青面層的厚度，設(shè)置墊層，使用纖維織物，預(yù)先鋸縫等辦法來達(dá)到防止、阻斷或減少反射裂縫的出現(xiàn)，如1986年遼寧科研所于沈鞍段K66～K68處，使用鋸縫機(jī)做了2km預(yù)鋸縫試驗(yàn)段。此外，也曾嘗試用橡膠瀝青改善瀝青面層的抗裂性，做下封層，或者復(fù)合使用SBS改型瀝青與土工織物作中間層，如加拿大曾在舊瀝青路面上加鋪厚度為75mm和150mm的粒料層，阻斷裂縫的傳遞。但不管怎樣，基本上都是采取被動(dòng)阻止的方法或措施，增加了成本而且效果并不顯著，都沒有考慮如何從半剛性基層材料的級(jí)配與材料使用上進(jìn)行分析，尋找突破口，更沒考慮到從施工程序、施工方法以及半剛性基層下封層的處理等方面進(jìn)行綜合分析，來防止裂縫的發(fā)生。從目前資料和使用實(shí)踐來看，單方面的防治措施達(dá)到防止半剛性基層裂縫的產(chǎn)生，其效果往往并不明顯，只有在綜合分析半剛性基層材料的自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件，以及施工工藝等諸因素的影響，進(jìn)行綜合防治才能真正做到防治和阻斷裂縫的產(chǎn)生。

我國的高速公路多采用半剛性材料做基層和底基層，而二灰碎石基層材料又占了其中的大部分，這是一個(gè)無法回避的現(xiàn)實(shí)，二灰碎石基層防裂是必須深入進(jìn)行分析研究的。為延長路面的使用壽命，保證路面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用，就應(yīng)當(dāng)對(duì)基層，特別是在我國乃至世界得到廣泛應(yīng)用的二灰碎石基層進(jìn)行研究，消除由于基層損壞所引起的其他各種破壞，這是當(dāng)前我國乃至世界各國都面臨的一個(gè)難題，因?yàn)橐坏┌雱傂曰鶎映霈F(xiàn)損壞，路面往往就喪失了承載力，就意味著路面喪失了使用功能，必須進(jìn)行大修養(yǎng)護(hù)或補(bǔ)強(qiáng)，將會(huì)造成巨大的損失，因此，二灰碎石基層抗裂性能研究的目的，就是充分發(fā)揮二灰碎石半剛性基層強(qiáng)度高、效益好等的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免路面易出現(xiàn)裂縫的缺陷，使其優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，缺陷得到彌補(bǔ)或消除，保證路面正常高效的發(fā)揮作用。

2 裂縫防治措施

2.1 級(jí)配防治

混合料中粗集料有一定的粒度，或者說集料中某一種粒徑含量的多少會(huì)影響到混合料的骨架性和表面粗糙度，經(jīng)試驗(yàn)證明其19mm以上粒級(jí)含量的多少直接影響到混合料的骨架形成，9.5mm以上粒級(jí)含量的多少對(duì)表面粗糙度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而4.75mm粒級(jí)含量的多少對(duì)混合料的影響就變的很不顯著。這在以往的施工實(shí)踐中是沒有引起足夠重視的地方，過去常常籠統(tǒng)地講混合料的“粗”或“細(xì)”，實(shí)際上并不僅僅是由于其中含集料的“多”或“少”，而是由于受含某種粒徑的集料在混合料中的相對(duì)含量多少的影響，如大于19mm粒徑的粗集料不足，導(dǎo)致二灰碎石混合料首先在內(nèi)部形不成骨架，其次在表面形不成一定的粗糙度，影響二灰碎石強(qiáng)度的形成和瀝青封層厚度及效果。

在進(jìn)行二灰碎石半剛性基層集料的級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，引入了瀝青路面配合比設(shè)計(jì)中所采用的級(jí)配設(shè)計(jì)理論，即不同粒徑相互嵌擠的原則或干涉原則，以最大密實(shí)度曲線為基準(zhǔn)，考慮用膠結(jié)料與集料形成骨架密實(shí)型混合料，使設(shè)計(jì)產(chǎn)生的二灰碎石混合料形成強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)密實(shí)、抗拉、抗裂性最好的混合料，以達(dá)到最佳抵抗各種變形的能力。

采用合適的級(jí)配可避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，將荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力等分散到混合料的結(jié)構(gòu)中去，利用混合料良好的級(jí)配、散擠作用，使應(yīng)力逐級(jí)抵消，使各種應(yīng)力處于混合料自身所能承受的范圍之內(nèi)，上述設(shè)計(jì)理論就是基于該思路進(jìn)行調(diào)整的。因此，好的級(jí)配可以提高混合料強(qiáng)度，抵卸荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力所引起的變形，這也是當(dāng)前應(yīng)用二灰碎石混合料做基層所要面對(duì)的主要問題之一，也是經(jīng)常被忽略沒有引起足夠重視的問題。

從上述的研究分析中可以得出如下結(jié)論:首先粗、細(xì)集料的劃分是非常重要的，并且其劃分的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)是唯一的，隨混合料最大公稱粒徑而變化;混合料中粒料含量不同會(huì)極大地影響混合料自身的抗裂性能;某一特別粒徑的粒料含量的多少會(huì)影響所鋪筑基層的表面粗糙度，進(jìn)而影響瀝青封層的效果;二灰在混合料中的加入可減少混合料的感溫性。

2.2 合理的含水量及施工溫度

在高溫、干燥季節(jié)施工的二灰碎石半剛性基層，其迅速失水造成的干縮裂縫往往是前期裂縫出現(xiàn)的主要原因，而在臨近冬季施工時(shí)含水量過大又可能出現(xiàn)凍脹裂縫。據(jù)資料顯示干縮應(yīng)變隨失水量的增加會(huì)顯著增大，且與混合料中集料的含量密切相關(guān)，相差可達(dá)3倍以上。對(duì)半剛性材料，在相同的外部條件下的失水量、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)的大到小順序?yàn)榉€(wěn)定細(xì)粒土、穩(wěn)定粒料土、穩(wěn)定粒料。而對(duì)細(xì)粒土，三類半剛性材料的收縮性大小為石灰土、水泥土或水泥石灰土、石灰粉煤灰土，這再一次證明了混合料中由于粉煤灰的加入，減少了收縮裂縫出現(xiàn)的可能性。從另一個(gè)角度講防治非荷載性裂縫的出現(xiàn)，應(yīng)將混合料放在一個(gè)具體的環(huán)境中，即應(yīng)當(dāng)結(jié)合考慮當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，如當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁亍⑵骄叵绿烊缓康扔绊懟旌狭闲巫兊囊蛩?，這主要因?yàn)樵摰貐^(qū)土壤條件、材料特性等都已完全適應(yīng)本地的氣候特征，在與該氣候特征相近的情況下，就不會(huì)出現(xiàn)大的變形現(xiàn)象。隨二灰混合料中集料含量的變化，施工時(shí)的含水量通?？梢员茸罴押康?%(集料用量為85%時(shí))至6%(集料用量為零時(shí))，再結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，確定適宜的施工碾壓含水量。

根據(jù)二灰碎石混合料的特性，施工溫度宜掌握在10～25℃之間，避免冬季和夏季炎熱季節(jié)施工，從而避免溫縮裂縫、干縮裂縫的出現(xiàn)，有關(guān)資料也證實(shí)低于該溫控區(qū)溫縮變形逐漸增大，高于該溫控區(qū)干縮變形逐漸增大。另外，新近施工的二灰碎石基層不宜越冬，應(yīng)有一定的養(yǎng)生期(建議以半月為期)和面層的保護(hù)。瀝青路面溫度隨路面深度變化，其感溫性有逐漸變小的趨勢(shì)，且溫度變化隨深度方向會(huì)有滯后現(xiàn)象，就是說路面在某一深度溫度可能常年保持基本不變。

另外，資料顯示，多年通車的路面其基層穩(wěn)定的含水量都大于新建路面的最佳含水量。因此，只要控制好施工初期的含水量，就完全可以控制、避免以后干縮裂縫的出現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)控制措施的宗旨，就是在滿足混合料反應(yīng)水的前提下，盡量減少自由水、空隙水的出現(xiàn)，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)。

2.3 施工工藝及方法的控制研究

(1)攤鋪時(shí)為避免離析現(xiàn)象的發(fā)生及使基層平整度得到保證，攤鋪機(jī)應(yīng)保證料斗內(nèi)始終有料，不允許打空，料車應(yīng)確保供料，盡量不使攤鋪機(jī)停頓。

(2)現(xiàn)場(chǎng)碾壓程序，先使用膠輪壓路機(jī)壓2遍，緊跟25t振動(dòng)壓路機(jī)靜壓1遍，再高幅低頻振2遍，然后上三輪壓路機(jī)壓2遍，接著再用振動(dòng)壓路機(jī)低幅高頻振動(dòng)1遍，最后用膠輪碾1遍消除輪跡，最終以壓實(shí)后的路面表面能形成一層半裸露的粗集料組成的粗糙面為最好。

采用上述碾壓工藝的目的就是首先利用膠輪壓路機(jī)在碾壓初期時(shí)的搓揉作用，使混合料中骨料重新排列形成一個(gè)骨架式結(jié)構(gòu)，再用振動(dòng)和三輪壓路機(jī)提高壓實(shí)度;最后再用膠輪進(jìn)一步使其密實(shí)，消除裂縫。同時(shí)，由于使用膠輪碾壓在壓實(shí)后的基層上能形成一層由半裸露的石子組成的粗糙面，有利于以后的乳化瀝青封層以及與瀝青下面層的粘結(jié)。

2.4 合理的封層

二灰碎石基層施工完成后，其上的封層對(duì)防止裂縫的出現(xiàn)同樣非常重要，大量的試驗(yàn)已經(jīng)證明，半剛性基層材料的裂縫主要是由溫縮裂縫、干縮裂縫和荷載裂縫引起的，封層可有效防止半剛性材料由于溫度變化所引起的溫縮裂縫和由于混合料迅速失水而引起的干縮裂縫的產(chǎn)生。許多路面的損壞分析證明，半剛性基層的瀝青路面在損壞初期，其基層往往是完好的，其彎沉也不大，只是路面損壞后，基層結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)松散。這說明大部分基層發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞是在瀝青面層損壞之后，其中一個(gè)主要原因是面層發(fā)生損壞后，水會(huì)進(jìn)入基層，而由于半剛性基層屬致密結(jié)構(gòu)不透水，致使水不能迅速排出，只能沿瀝青層和基層的界面擴(kuò)散、積聚，從而導(dǎo)致瀝青層和基層界面條件的變化，進(jìn)一步發(fā)展出現(xiàn)唧漿、坑槽，破壞了基層的整體性，加速路面的破壞，可見防水對(duì)二灰碎石基層同樣非常重要。而瀝青下封層是防止路面發(fā)生水損壞非常重要的措施，但就封層本身技術(shù)性能來講，致密的封層效果既要保證合理的厚度又要保證封層料合理的粒徑，二者缺一不可，粒徑是關(guān)鍵，厚度是保障，這樣才可能達(dá)到使封層粒料與二灰碎石半剛性基層粒料的相互嵌入，結(jié)合更加牢固、封層更加緊密，真正做到了使上下兩層粘結(jié)，提高層間摩阻力，并有效防止新建成的瀝青層路面與基層出現(xiàn)層間滑移、防止上層來水進(jìn)入基層，保證了路面的防水效果，提高了路面的水穩(wěn)定性。

通過大量試驗(yàn)表明二灰碎石基層施工后表面平均粗糙度為3～5mm左右，為此在封層時(shí)采用3～8mm的石屑，這樣可保證封層石屑部分嵌入基層中，又留部分嵌入上部瀝青層中，使基層與瀝青下面層形成緊密的層間結(jié)合，不會(huì)使表面來水在兩層之間滯留或滲入基層。另外，對(duì)透層油用量等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)做出規(guī)定，包括瀝青用量、滲入速度、滲入深度等。通過規(guī)定瀝青封層的總厚度來保證封層石屑的用量，并使石屑充分嵌入基層表面，與基層形成牢固的結(jié)合。瀝青下封層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定從技術(shù)上保證了致密封層的形成，即可阻止來自上面層水分的侵入，又可保證施工前期因養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或封層不嚴(yán)密，而造成的二灰碎石基層迅速失水所出現(xiàn)的干縮裂縫，還能保證基層、面層聯(lián)結(jié)的整體性。

［1］ 孫建民.水泥粉煤灰碎石基層集料的級(jí)配研究［J］.公路交通技術(shù)，2004，10(5).

［2］ 郝培文等.應(yīng)用貝雷法進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(6).

［3］ 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防［M］.人民交通出版社，2005.