半剛性基層裂縫成因分析及防治措施

摘要：半剛性基層作為瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，在目前高速公路及高等級(jí)路面中普遍應(yīng)用。而半剛性基層的裂縫成為瀝青路面早期破壞的主要原因，因此分析半剛性基層開(kāi)裂原因及尋求有效防治措施十分必要。

關(guān)鍵詞：半剛性基層 收縮裂縫 成因分析 防治措施

半剛性基層具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、剛度大、荷載分布均勻、水穩(wěn)性可靠及施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛用于修建高等級(jí)路面的基層。但半剛性基層瀝青路面最大的缺陷之一，是隨溫度和濕度的變化容易產(chǎn)生收縮裂縫，然后自基層向上擴(kuò)展到瀝青表面形成反射裂縫。反射裂縫是由于受拉疲勞、受拉屈服與剪切屈服單獨(dú)或聯(lián)合作用的結(jié)果。在荷載作用特別是重車的反復(fù)作用下，使瀝青結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生拉應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度，底面先裂并逐漸向上擴(kuò)展到路表面，當(dāng)行車通過(guò)時(shí)，基層裂縫兩端之間產(chǎn)生豎向位移，在面層中引起面層剪切搓動(dòng)和剪切疲勞破壞而導(dǎo)致開(kāi)裂，隨著大面積的使用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)半剛性基層在強(qiáng)度形成過(guò)程中及運(yùn)營(yíng)期間容易產(chǎn)生干縮和溫縮裂縫進(jìn)而使瀝青面層過(guò)早開(kāi)裂，并引起路面早期破壞。

1 實(shí)例分析

某路面工程，水穩(wěn)碎石基層設(shè)計(jì)厚度20cm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度3.0MPa（7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度），水泥計(jì)量4.0%，攤鋪機(jī)攤鋪，重型振動(dòng)壓路機(jī)+大噸位膠輪壓路機(jī)組合碾壓。當(dāng)天施工溫度為16～20℃，采用薄膜養(yǎng)生；一周后施工透層和改性乳化瀝青稀漿封層，封層厚5mm，做滲水試驗(yàn)，滿足規(guī)范要求；二周后溫度下降10℃，低溫天氣持續(xù)一個(gè)星期。裂縫調(diào)查：1道/30米（封層施工前），1道/20米（封層施工兩周后），所有裂縫均為橫向裂縫。相關(guān)參數(shù)如下表：

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上述實(shí)例表明：水穩(wěn)碎石基層在施工后一周內(nèi)已出現(xiàn)了收縮裂縫，主要表現(xiàn)形式是基層頂面出現(xiàn)規(guī)則的橫向裂縫；封層施工后，隨著氣溫驟降，裂縫數(shù)量增多，并繼續(xù)發(fā)展，已反射到封層上。

2 半剛性基層裂縫成因機(jī)理分析

半剛性基層形成裂縫的直接原因是：材料收縮產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)裂縫。主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：①半剛性基層鋪筑后，由于其材料固有的干燥收縮性，在強(qiáng)度形成過(guò)程中，隨著混合料中的水分的減少而產(chǎn)生干縮和干縮應(yīng)力。干縮應(yīng)力的大小與水分損失的多少快慢成正比。在初期，由于基層混合料的抗拉強(qiáng)度還不大，如若養(yǎng)生不利，就會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)形成較大的干縮應(yīng)力，所以此時(shí)很容易引起開(kāi)裂，初期裂縫一般較細(xì)；在強(qiáng)度形成后及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，隨著水分的繼續(xù)減少，干縮應(yīng)力增大，加上運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，裂縫會(huì)繼續(xù)發(fā)展，增長(zhǎng)增寬直至完全斷開(kāi)。②任何材料都存在溫度收縮的性能，半剛性基層材料也是如此?；鶎愉佒?，如未采取很好的保溫措施，或遇到大幅降溫天氣，如上述工程實(shí)例所述，基層材料中的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變會(huì)急劇增大。當(dāng)拉應(yīng)力或拉應(yīng)變?cè)龃蟮匠^(guò)材料本身所能承受的極限值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。通常，基層材料所受的橫向約束大大小于縱向約束，因此較容易產(chǎn)生橫向裂縫。

2.1 干縮特性及影響因素 半剛性基層材料在碾壓成型后，由于其內(nèi)部的水化作用和蒸發(fā)損失，水分減少，引起體積變化到一定程度產(chǎn)生裂縫。其干縮性主要影響因素有：含水量、水泥劑量、細(xì)料中土的含量及塑性指數(shù)和集料的失水率。

①含水量對(duì)半剛性基層材料的干縮應(yīng)變明顯，含水量越大，失水后引起的體積變化越大，干縮應(yīng)變也越大。②水泥劑量越大，水化反應(yīng)所需水量越大，引起的干縮變形也越大，對(duì)于級(jí)配較細(xì)型材料的影響尤為明顯。③水泥穩(wěn)定粒料的干縮應(yīng)變小于水泥穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變，水泥穩(wěn)定粒料中土的含量越大干縮應(yīng)變?cè)酱蟆＂芩苄灾笖?shù)越大，吸水性越強(qiáng)，失水后引起的變形越大，即干縮應(yīng)變?cè)酱?。⑤失水率越大，水分損失越快，定期內(nèi)失水量也越大，越早產(chǎn)生干縮應(yīng)變。

2.2 溫縮特性及影響因素 任何材料都有溫縮的性能，半剛性材料組成中的集料（固相）、水（液相）、空隙中的氣體（氣相）在溫度降低時(shí)，發(fā)生不同程度的收縮變形，從而相互作用，使混合料發(fā)生溫縮。溫縮系數(shù)從大到小依次為氣相、液相、固相。其中固相（礦物集料）中，粉粒以下的顆粒溫縮性較大。因此溫縮性主要影響因素有：含水量、水泥劑量、集料中土的含量、環(huán)境因素等。

3 防治措施

基于半剛性基層材料自身的特性，裂縫的出現(xiàn)難以完全避免。但針對(duì)基層裂縫形成機(jī)理，可采取以下措施減少裂縫生成的幾率。

3.1 控制好水泥質(zhì)量及用量 宜采用緩凝型強(qiáng)度等級(jí)較低的水泥，水泥各齡期強(qiáng)度、穩(wěn)定性應(yīng)符合相應(yīng)指標(biāo)要求。水泥劑量的多少與水泥穩(wěn)定材料的強(qiáng)度、彈性模量、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)大小有直接關(guān)系。隨著強(qiáng)度和彈性模量的增加，收縮系數(shù)也隨之增加，因此在滿足要求的情況下，盡可能的采用較低的水泥劑量，以減少混合料的收縮性。

3.2 控制好細(xì)集料用量及集料中土的含量 細(xì)集料特別是顆粒在0.075mm以下的有較大的收縮系數(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)集料含量越多，其內(nèi)部空隙就越多，從而在水作用下其收縮也就越大；集料中含土量越大，塑性指數(shù)越高，材料抗收縮性能就越差。所以要嚴(yán)格控制細(xì)集料用量及其土的含量。

3.3 拌和要均勻，攤鋪要及時(shí) 為避免粗細(xì)集料集中或局部水泥劑量過(guò)大而產(chǎn)生收縮裂縫，必須采用集中廠拌法，并采取電子控制計(jì)量裝置，以保證拌和的均勻性和計(jì)量的準(zhǔn)確性。對(duì)拌和對(duì)的水穩(wěn)混和料應(yīng)盡快運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的混合料要及時(shí)攤鋪，避免混合料的水分過(guò)多蒸發(fā)而產(chǎn)生干縮裂縫，為消除攤鋪過(guò)程中發(fā)生粗集料集中的現(xiàn)象，保證水穩(wěn)基層的平整度，施工時(shí)應(yīng)采用大型攤鋪機(jī)攤鋪。

3.4 嚴(yán)格控制含水量 為滿足混合料的壓實(shí)要求和混合料中水泥水化作用，混合料中必須有足夠的水分，這樣水穩(wěn)基層才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但含水量過(guò)大易產(chǎn)生車轍、彈簧、平整度降低，增大混合料的干縮性，易產(chǎn)生裂縫。含水量小，不易壓實(shí)，且影響水泥的水化反應(yīng)，混合料易松散，不易碾壓成型，從而影響強(qiáng)度的形成，因此，水穩(wěn)基層混合料的含水量必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，并根據(jù)氣溫調(diào)節(jié)含水量，含水量控制不宜超過(guò)最佳含水量的1%。

3.5 做好配合比設(shè)計(jì) 在各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求的條件下，盡可能采用偏粗的級(jí)配，較低的水泥含量。

3.6 控制好碾壓工藝 混合料攤鋪成型后，應(yīng)該進(jìn)行碾壓，碾壓段的長(zhǎng)度要根據(jù)天氣情況進(jìn)行確定，如果氣溫比較高，水分蒸發(fā)快，就縮短碾壓段長(zhǎng)度，反之，可適當(dāng)延長(zhǎng)碾壓段長(zhǎng)度，防止混合料表面干燥而產(chǎn)生裂縫。碾壓最好在水泥初凝前完成，碾壓的壓實(shí)度越高，混合料固相體積越大，體積收縮越小，抵抗收縮的能力越強(qiáng)，但過(guò)振碾壓容易造成水穩(wěn)基層表面水泥漿產(chǎn)生收縮裂縫，為此，在施工前應(yīng)鋪試驗(yàn)段確定出最佳碾壓遍數(shù)，堅(jiān)決避免過(guò)振碾壓?；鶎訅簩?shí)度不足，混合料的干縮應(yīng)變就越大。水穩(wěn)混合料的壓實(shí)需要干柔并濟(jì)，既要有振動(dòng)壓路機(jī)的垂直振動(dòng)壓實(shí)，又要有膠輪壓路機(jī)的揉搓壓實(shí)，以便于骨架結(jié)構(gòu)及板體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成。在含水量較低的情況下，過(guò)多的采用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行強(qiáng)震碾壓，易產(chǎn)生微裂縫。

3.7 養(yǎng)生保溫措施 水穩(wěn)基層碾壓完成后，即刻開(kāi)始進(jìn)行養(yǎng)生。養(yǎng)生要在混合料上覆蓋草簾子，使混合料保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)生時(shí)間不應(yīng)小于7d，每天灑水不少于3遍，以免水穩(wěn)基層因曝曬開(kāi)裂，如果養(yǎng)生期水分充足，則各種水化反應(yīng)和結(jié)晶作用越充分，強(qiáng)度越高，變形也越小，同時(shí)也可減少收縮裂縫的產(chǎn)生。此外，水穩(wěn)基層施工完畢，不宜長(zhǎng)期暴曬，應(yīng)早日進(jìn)行面層施工，這是防止水穩(wěn)基層產(chǎn)生裂縫不可忽略的因素。7天養(yǎng)生期間，要使基層表面保持濕潤(rùn)，以減小混合料因失水而干縮的幾率。早期強(qiáng)度形成后，應(yīng)立即進(jìn)行下封層或面層施工，以起到封水和保溫作用，減少溫縮的機(jī)率。

3.8 添加外加劑 必要時(shí)可添加外加劑來(lái)減少裂縫生成的機(jī)率。①參入一定量的早強(qiáng)劑，可使混合料在彎拉模量變化不大的情況下，提高早期強(qiáng)度，從而提高早期抗拉裂的能力。②采用收縮補(bǔ)償措施，摻加適量膨脹劑，以減小混合料因溫縮和干縮帶來(lái)的體積變化。

4 結(jié)語(yǔ)

半剛性基層材料的開(kāi)裂主要由干燥收縮和溫度收縮產(chǎn)生，因此采取措施減小這兩種收縮是防治半剛性基層開(kāi)裂的根本。做好配合比設(shè)計(jì)、控制好細(xì)集料用量和土的含量、采用較小的水泥劑量、做好施工過(guò)程控制及后期養(yǎng)生保溫措施，是減少半剛性基層開(kāi)裂的一系列行之有效的辦法。

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