水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂的研究

曹德金

(無(wú)錫市公共工程建設(shè)中心，江蘇無(wú)錫 214031)

0 引言

目前，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)中普遍采用水泥穩(wěn)定類的半剛性基層。半剛性材料作為道路基層主要原因有:1)半剛性材料能滿足現(xiàn)代高速公路高承載力的要求;2)半剛性材料對(duì)材料的要求不高，可以就地取材，避免大量遠(yuǎn)運(yùn)優(yōu)質(zhì)石料;3)半剛性基層具有很大的靈活性和適應(yīng)性。雖然半剛性基層材料具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的使用前景，但是在道路的實(shí)際使用過(guò)程中還是出現(xiàn)了不少問(wèn)題，主要是水損害和裂縫的出現(xiàn)。在交通荷載和環(huán)境的雙重作用下，半剛性路基和路面都出現(xiàn)了不同程度的收縮和開(kāi)裂，并且由干縮和溫縮共同作用所生成的基層裂縫還會(huì)反射到路面，破壞路面整體結(jié)構(gòu)。裂縫的存在不僅使車輛行駛質(zhì)量下降，而且也破壞了路面結(jié)構(gòu)整體性和連續(xù)性，并在一定程度上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的削弱(如裂縫出現(xiàn)處彎矩增大，路面回彈模量降低等)。

抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石基層是江蘇省交通科學(xué)研究院依據(jù)寧靖鹽高速公路鹽城北段連接線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究提出的一種新型抗裂基層，這種基層不僅繼承了傳統(tǒng)半剛性基層承載力高、取材方便、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也大大克服了半剛性基層在抗裂和抗收縮等方面的不足。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能研究現(xiàn)狀

造成水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫的原因主要有溫度收縮、干燥收縮和疲勞荷載作用。由于基層的開(kāi)裂很有可能引起瀝青面層的反射裂縫從而影響公路的使用，因此抗裂性對(duì)公路設(shè)計(jì)很重要。實(shí)踐表明，即使是使用干縮性小的水泥穩(wěn)定粒料鋪筑的基層，如果設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周全，施工時(shí)處理不當(dāng)或施工完成后沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)的養(yǎng)生，也會(huì)產(chǎn)生一般間距為5 m～10 m的橫向收縮裂縫。瀝青路面投入使用后，裂縫會(huì)逐漸向上擴(kuò)展并通過(guò)瀝青面層出現(xiàn)在表面，形成反射裂縫。另外，水泥穩(wěn)定類基層內(nèi)部溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與行車荷載應(yīng)力相結(jié)合，也會(huì)使基層開(kāi)裂，這種開(kāi)裂也很可能引起路面的反射裂縫。因此，在進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石基層時(shí)必須考慮材料的配合比、溫度、濕度等，從一定程度上消除或減少反射裂縫。

在國(guó)外，應(yīng)用半剛性基層最為廣泛的地區(qū)是南非和法國(guó)。美國(guó)和澳大利亞的學(xué)者認(rèn)為，水泥穩(wěn)定土干縮與結(jié)合料的類型和劑量、被穩(wěn)定土的類別、粒料的含量、小于0.5 mm的細(xì)土含量和塑性指數(shù)、小于0.002 mm的粘粒含量和礦物成分、室內(nèi)試件含水量和齡期等有關(guān)。為減少水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮裂縫，澳大利亞的水泥用量一般在3%以內(nèi);日本水泥穩(wěn)定碎石基層混合料水泥用量一般僅為2%左右;德國(guó)冬季寒冷，水泥用量也較低，一般控制在2%～3%左右;南非是應(yīng)用水泥穩(wěn)定碎石基層較多的國(guó)家，其水泥用量也在較低的水平。

1.1 水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂的影響

根據(jù)收縮的原因，半剛性基層材料的收縮主要可以分為兩類:干燥收縮和溫度收縮。干燥收縮就是半剛性材料內(nèi)部水分損失導(dǎo)致材料的體積收縮現(xiàn)象;溫度收縮是材料在較大溫差和溫差反復(fù)作用下產(chǎn)生的體積收縮現(xiàn)象。水泥穩(wěn)定類材料的干縮性能的大小與水泥含量、被穩(wěn)定材料的類別、粒料含量、直徑小于0.5 mm的細(xì)顆粒含量、試件含水量以及齡期都有關(guān)系。減少干燥收縮應(yīng)變的措施有:用塑性指數(shù)較低的土、摻加一定的集料和降低含水量等。

張登良等[1]研究了用不同劑量(3%～7%)水泥穩(wěn)定同一種河灘砂礫，并對(duì)其進(jìn)行溫縮特性的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)水泥砂礫的含量為5%時(shí)，溫縮系數(shù)隨溫度的變化最小;當(dāng)水泥砂礫的含量為4%時(shí)，溫縮系數(shù)隨溫度的變化最大。長(zhǎng)安大學(xué)張嘎吱[2]研究了不同劑量水泥穩(wěn)定土的溫度收縮效應(yīng)，結(jié)果表明水泥穩(wěn)定碎石混合料的抵抗收縮能力與0.075 mm以下的細(xì)集料含量有關(guān)，相同級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石混合料當(dāng)水泥含量為6%時(shí)其溫縮系數(shù)最小。叢林和郭忠印[3]分別采用 4.5%，5.0%，5.5% 的水泥劑量制作試件進(jìn)行干縮系數(shù)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮系數(shù)受水泥劑量的影響比較大，溫縮系數(shù)在較低溫度下影響不大，隨著溫度的升高，溫縮系數(shù)增加不大，但對(duì)干縮系數(shù)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度收縮系數(shù)。長(zhǎng)安大學(xué)李美江[4]通過(guò)使用自行研制加工的振動(dòng)成型壓實(shí)機(jī)在室內(nèi)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，得出了各振動(dòng)參數(shù)水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)壓實(shí)效果的影響規(guī)律及最佳壓實(shí)效果相應(yīng)的振動(dòng)壓實(shí)條件。王首緒、張拓[5]試驗(yàn)研究了不同級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石的干縮特性和溫縮特性，其研究表明中值級(jí)配的失水率對(duì)干縮性能影響較小;不同級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石溫縮性能隨著溫度的變化有一定的變化規(guī)律;當(dāng)齡期增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，中值級(jí)配溫縮性能最優(yōu)。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水泥穩(wěn)定類砂礫材料中水泥含量在一定范圍內(nèi)，其收縮系數(shù)最小，但當(dāng)水泥劑量超過(guò)6%時(shí)，干縮和溫縮系數(shù)大幅度增長(zhǎng)。很多研究試驗(yàn)表明，當(dāng)水泥劑量在3%～6%時(shí)，其收縮性能沒(méi)有明顯的差異。當(dāng)用粉煤灰代替部分水泥時(shí)，可以抑制半剛性材料體積的部分收縮。

1.2 集料級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂的影響

半剛性基層的集料級(jí)配和含量對(duì)半剛性基層的防裂有很大的影響。

楊錫武、梁富權(quán)[6]研究了粒料對(duì)混合料強(qiáng)度和收縮特性的影響?；旌狭现腥绻Ａ媳壤^(guò)大，那么施工中易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，粒料比例太低則容易產(chǎn)生收縮裂縫，對(duì)水泥(石灰)粉煤灰混合料粒料來(lái)說(shuō)，最佳比例范圍是70%左右。在此比例下，混合料既具有足夠強(qiáng)度，又具有良好的抗收縮能力，減少收縮裂縫。王哲人[7]提出了二灰碎石混合料的緊密骨架結(jié)構(gòu)模型。戴經(jīng)梁、蔣應(yīng)軍等[8]通過(guò)大量試驗(yàn)得出，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)能顯著減小半剛性基層的收縮量，增大其抗裂系數(shù)50%左右。該種方法不會(huì)增加公路建設(shè)費(fèi)用，抗裂效果顯著。不同級(jí)配對(duì)混合料的收縮性能具有較大的影響，在滿足基層強(qiáng)度要求的前提下，控制細(xì)集料用量可以明顯改善基層抗收縮性能[9]。周衛(wèi)峰等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了混合料配合比對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度和收縮性的影響。研究表明，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)振動(dòng)壓實(shí)的水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度、抗裂特性與室內(nèi)振動(dòng)成型的混合料特性趨于一致，用振動(dòng)法優(yōu)化的級(jí)配配比可顯著提高半剛性基層的抗裂能力。胡力群等[11]研究了骨架孔隙水泥穩(wěn)定碎石基層材料粗、細(xì)集料級(jí)配范圍，混合料各組成部分配比計(jì)算方法以及計(jì)算中所需相關(guān)參數(shù)測(cè)試方法，并試驗(yàn)研究了不同配合比對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能，研究結(jié)果表明骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石在保證一定孔隙率的前提下能夠滿足目前規(guī)范對(duì)基層材料的要求。

集料的級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂有很大的影響，合適的配合比不僅易于振動(dòng)壓實(shí)，而且能夠使基層具有良好的抗收縮能力，減少收縮裂縫。

2 抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石基層

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較，抗裂嵌擠水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計(jì)不僅是采用振動(dòng)成型即能得到的，而且還進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)篩選使基層的強(qiáng)度性能與抗裂性能達(dá)到最佳?？沽亚稊D型水泥穩(wěn)定碎石基層通過(guò)合理的級(jí)配設(shè)計(jì)，使骨料多級(jí)嵌擠，從而形成具有較高的密度，較小的含水量，較高強(qiáng)度的基層，屬于骨架密實(shí)型的結(jié)構(gòu)。這種基層和傳統(tǒng)的懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石相比，能夠更有效地抵抗干縮和溫縮引起的裂縫。

抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石基層的骨架密實(shí)，減少了細(xì)集料含量，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部粗集料均勻且有良好的嵌擠。在骨料空隙內(nèi)部的細(xì)混合料存在一定的空隙和微裂縫來(lái)克服基層因溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力和含水量減小產(chǎn)生的干縮應(yīng)力，使其應(yīng)力不集中。懸浮結(jié)構(gòu)雖然可以獲得較大的密實(shí)度，但各級(jí)集料均被次級(jí)集料隔開(kāi)，不能直接聚攏形成骨架，從而集料顆粒相互牽制和約束的能力較弱，在收縮力作用下容易發(fā)生微位移，干縮系數(shù)較大。

一般來(lái)說(shuō)，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)4.75 mm篩孔通過(guò)率范圍為29%～49%，0.075 mm篩孔通過(guò)率為0%～5%，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的通過(guò)率分別為22%～32%和0%～3%，因而骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料的比表面積較懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)要小很多，需要水泥膠漿的含量和最佳含水量均相應(yīng)減少，而水泥膠漿含量和含水量是影響水穩(wěn)碎石收縮性最主要的兩個(gè)因素。一般懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的水泥劑量為6%左右，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥劑量為3.5%～4.5%。粗集料的收縮性很小，細(xì)集料和水泥膠漿組成的水泥膠漿具有很大的溫度收縮性。因此，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的溫縮系數(shù)較之更大。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的最佳含水量一般也較懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)少1.5%～2%，含水量越多，水泥穩(wěn)定碎石蒸發(fā)散失水分愈多，產(chǎn)生的干縮裂縫愈顯著，所以骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)較傳統(tǒng)懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料低。

3 結(jié)語(yǔ)

提高水泥穩(wěn)定碎石基層本身的抗裂性能是減少水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面反射裂縫的重要途徑，抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石為骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，和傳統(tǒng)的懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石相比，具有更優(yōu)良的抗裂能力。因此，抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石基層具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 張登良，鄭南翔.半剛性基層材料收縮抗裂性能研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1991(1):16-22.

[2] 張嘎吱.考慮抗裂性能的水泥穩(wěn)定類材料配合比設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2001.

[3] 叢 林，郭忠印，暨育雄，等.半剛性基層材料性能參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2001(6):385-390.

[4] 李美江.道路材料振動(dòng)壓實(shí)特性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002:6.

[5] 王首緒，張 拓.骨架密實(shí)型穩(wěn)定碎石基層收縮性能變化規(guī)律[J].公路工程，2012(5):119-122.

[6] 楊錫武，梁富權(quán).水泥(石灰)粉煤灰碎石混合料半剛性路面基層設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1996，9(1):23-28.

[7] 王哲人.高速公路瀝青路面材料、工藝與結(jié)構(gòu)的一體化[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2000，13(sup):116-119.

[8] 戴經(jīng)梁，蔣應(yīng)軍.重載交通水泥混凝土路面材料與結(jié)構(gòu)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)博士學(xué)位論文，2000.

[9] 朱夢(mèng)良，劉 偉.骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮性能[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(6):7-12.

[10] 周衛(wèi)峰，趙 可，王德群.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比的優(yōu)化[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(1):24-28.

[11] 胡力群，沙愛(ài)民，翁優(yōu)靈.骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石配比設(shè)計(jì)及路用性能[J].公路交通科技，2006(6):22-26.