半剛性基層裂縫成因分析及對(duì)策

原振鐘 張麗萍

摘要：半剛性基層由于具有強(qiáng)度高、承載力大、良好的抗疲勞性能和抗沖刷性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國高等級(jí)公路瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國90%以上的高等級(jí)公路瀝青路面基層及底基層都是采用半剛性材料。但半剛性基層材料的缺點(diǎn)是抗變形能力低、脆性大，在溫度或濕度變化時(shí)易產(chǎn)生開裂，形成路面反射裂縫，這已成為高速公路瀝青路面早期損壞的重要原因之一?？紤]到我國作為水泥生產(chǎn)大國，原材料來源廣泛且價(jià)格低廉，水泥膠結(jié)類材料在今后很長一段時(shí)間內(nèi)仍將作為主要的道路建筑材料，因此對(duì)半剛性基層裂縫成因進(jìn)行研究并探索一種新型基層混合料類型以最大程度的限制裂縫成為了公路行業(yè)亟待解決的問題。本文從半剛性基層產(chǎn)生裂縫的原因及對(duì)策開始分析，水道渠成的道出了骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料誕生的背景及理論支持。

關(guān)鍵詞：半剛性基層裂縫 干縮 溫縮 對(duì)策 骨架密實(shí)型

中圖分類號(hào)：U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、半剛性基層裂縫形式

半剛性基層瀝青路面的裂縫形式多種多樣，但形成的主要原因可以分為兩大類，即荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫和非荷載型裂縫。荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫是由汽車動(dòng)態(tài)荷載產(chǎn)生的垂直或水平應(yīng)力，在基層內(nèi)部產(chǎn)生超過材料的容許抗拉極限應(yīng)力的拉應(yīng)力所造成；非荷載型裂縫則是環(huán)境作用的結(jié)果，主要是濕度和溫度的影響，由干縮、溫縮和疲勞作用導(dǎo)致，個(gè)別情況下也可能是由于路基不均勻沉陷造成。此外，在冰凍地區(qū)的瀝青路面上，還可能發(fā)現(xiàn)由路基凍脹引起的裂縫。

對(duì)于半剛性基層，裂縫往往不是由交通荷載作用引起的。由于水分蒸發(fā)及溫度變化的影響，很容易產(chǎn)生裂紋，在半剛性基層承受荷載之前，就已經(jīng)存在大量的微細(xì)裂紋和孔洞。因此，實(shí)際上它是在帶有裂紋的狀態(tài)下承受交通荷載作用的，半剛性基層的干縮和溫縮是引起裂縫的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>

二、干縮裂縫和溫縮裂縫的成因

了解裂縫的成因才能“對(duì)癥下藥”，從根本上限制半剛性基層的裂縫。

（一）干縮裂縫

干縮裂縫是指半剛性基層在干燥空氣中硬化時(shí)，隨著水分減少體積收縮變形而產(chǎn)生的較為均勻的裂縫。其形成的原因與使用材料如水泥、水和碎石集料都有很大的關(guān)系。一方面混合料在凝結(jié)硬化過程中，水泥與水起水化反應(yīng)，消耗大量的水分。另一方面，碎石集料表面吸附水顆粒，細(xì)集料成分越多，表面吸附的水顆粒就越多。同理，半剛性基層也經(jīng)常由于施工含水量大于最佳含水量而增大了基層的干縮幅度而產(chǎn)生較多的干縮裂縫。基層產(chǎn)生干縮裂縫的基本機(jī)理是一致的：水分減少使體積收縮而產(chǎn)生裂縫。

⑴失水導(dǎo)致顆粒間距減小體積收縮。

水是影響干縮的重要因素，特別是對(duì)半剛性基層的干縮影響極大。半剛性基層在壓實(shí)之后，由于水分蒸發(fā)和混合料內(nèi)部發(fā)生的水化作用，混合料的水分會(huì)不斷減少。由于水的減少而發(fā)生的毛細(xì)作用、吸附作用、分子間力的作用等會(huì)引起基層體積收縮。

⑵結(jié)晶水化物和凝膠結(jié)構(gòu)中水化物分解失水。半剛性基層含水氫氧化鈣、水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣內(nèi)結(jié)晶水化物由于風(fēng)化失去結(jié)晶水，導(dǎo)致體積減小。

⑶碳化反應(yīng)引起體積收縮。氫氧化鈣和空氣中的二氧化碳發(fā)生炭化反應(yīng)，析出水分引起體積收縮，但是碳化反應(yīng)對(duì)半剛性基層的強(qiáng)度和剛度是有利的。

（二）溫縮裂縫

溫縮裂縫是指半剛性基層混合料在硬化初期，由于內(nèi)部水泥水化和外部氣溫急劇降低，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)脹外縮，溫度應(yīng)力超過其極限抗彎拉強(qiáng)度后形成的沿橫向均勻分布的裂縫。溫縮裂縫是由于結(jié)構(gòu)體內(nèi)固相、液相、氣相的不同溫度收縮而產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力超過混合料的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的裂縫，半剛性基層的初期強(qiáng)度較低，在氣溫降低時(shí)，半剛性基層會(huì)產(chǎn)生較大的溫縮應(yīng)力而導(dǎo)致開裂。因此，凍前齡期不足時(shí)易產(chǎn)生裂縫，特別是北方地區(qū)施工溫度較低的時(shí)候更應(yīng)注意。半剛性材料的外觀脹縮性是三相在降溫過程中相互作用，使半剛性基層產(chǎn)生體積收縮，即溫度收縮。一般氣相與大氣相通，在綜合效應(yīng)中影響可以忽略不計(jì)，原材料中砂粒以上的粒料溫度收縮系數(shù)較小，粉粒以下的粒料溫度收縮性較大。由于環(huán)境溫度存在晝夜溫差，鋪筑初期的半剛性基層同時(shí)承受干縮和溫縮的綜合作用，一旦遇到較快地大幅降溫等引起的溫差較大情況時(shí)，強(qiáng)度的增加不能抵抗干縮和溫縮的影響，就會(huì)形成溫縮裂縫。根據(jù)東南大學(xué)和南京機(jī)場(chǎng)高速公路管理處的二灰基層專題研究，通過對(duì)石灰、粉煤灰、細(xì)料三者在混合料中的含量對(duì)半剛性基層材料溫縮性的試驗(yàn)分析，對(duì)溫縮應(yīng)變、溫縮應(yīng)力的影響因素主要是石灰，其次是細(xì)料（尤其是粉粒以下的粒料），再次為粉煤灰，且通過多項(xiàng)試驗(yàn)證明，隨著粒料含量的增加，干縮和溫縮系數(shù)明顯減少。根據(jù)公路施工過程中的施工溫度的總結(jié)，結(jié)合竣工通車后裂縫出現(xiàn)的先后時(shí)間及數(shù)量，當(dāng)平均施工溫度低于10攝氏度時(shí)，自身強(qiáng)度的增長慢，半剛性基層的收縮以溫縮為主，反之則以干縮為主，且低于10攝氏度時(shí)施工的半剛性基層盡管含水量控制適宜、石灰用量適中，增加了粗集料含量，級(jí)配合理，養(yǎng)生到位，仍然出現(xiàn)一定數(shù)量的裂縫。因此適宜的石灰用量及合理的級(jí)配及施工平均最低溫度是溫縮裂縫主要影響因素。

三、干縮裂縫和溫縮裂縫的防治措施

有了干縮裂縫和溫縮裂縫成因的理論支持，我們可以初步得到一系列針對(duì)性的措施：

⑴降低水泥或石灰的劑量即在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下盡量限制半剛性基層的強(qiáng)度。水泥或石灰這些溫度收縮性較大的膠凝材料是引起半剛性基層路面溫縮裂縫最主要的因素，只有限制了這些材料的用量，才會(huì)從根本上降低溫縮裂縫發(fā)生的幾率。

⑵降低細(xì)集料的用量。細(xì)集料用量過多對(duì)溫縮裂縫和干縮裂縫都產(chǎn)生都有很大的促進(jìn)作用，首先，細(xì)集料用量大帶來的第一結(jié)果就是需要在配合比中加入更多的水去滋潤集料以達(dá)到拌合的目的，這樣就使得最佳含水量提高，混合料中水分增加會(huì)加大干縮裂縫發(fā)生的幾率和程度。其次，細(xì)集料（尤其是粉料以下的粒料）的溫度收縮性僅次于水泥、石灰等膠凝材料，細(xì)集料的用量增加無疑也增加了溫縮裂縫發(fā)生的可能。

⑶調(diào)整施工時(shí)間，不能在太熱或太冷的季節(jié)施工。很明顯，太熱會(huì)導(dǎo)致混合料中水分損失過快，會(huì)增加干縮的力度，而太冷則會(huì)使混合料內(nèi)脹外縮的情況愈演愈烈，使得溫縮裂縫進(jìn)展迅速。

⑷嚴(yán)格控制拌合用水量，使得現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓含水量控制在《規(guī)范》允許的范圍之內(nèi)。如果碾壓含水量大于最佳含水量，不僅對(duì)施工碾壓不利，還大大增加了干縮的幅度。

⑸碾壓完成后，最好及時(shí)撒播透層油，保持基層混合料中的水分，防止其過快蒸發(fā)產(chǎn)生干縮裂縫。

⑹養(yǎng)生結(jié)束后盡快鋪筑瀝青層，一是可以進(jìn)一步防止基層混合料中水分損失而產(chǎn)生干縮裂縫，二是防止基層溫差過大產(chǎn)生溫縮裂縫。

⑺一般公路，瀝青面層較薄，宜基層上做封層，開放交通半月以上，基層收縮完成后，再鋪瀝青面層，以減少反射裂縫。

四、骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的應(yīng)運(yùn)而生

混合料本身的設(shè)計(jì)就有不小的裂縫發(fā)生概率，外部措施做得再完美也只能最大程度的限制裂縫的產(chǎn)生，能夠很好的“治標(biāo)”，卻不能完全的“治本”，如果能夠從混合料的配比上下功夫，生產(chǎn)出一種混合料本身就只有很小的裂縫發(fā)生概率，那么再加上謹(jǐn)慎細(xì)致的外部措施，就可以極大的保證了路面基層的施工質(zhì)量。在公路建設(shè)者孜孜不倦的研究下，一種新型的基層混合料-骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)運(yùn)而生，相比于之前懸浮密實(shí)性的水泥穩(wěn)定類混合料，它在防止路面裂縫問題上顯示出了它獨(dú)到的一面。

所謂骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),是指水泥碎石混合料中大顆粒的石料能夠形成互相嵌擠的骨架結(jié)構(gòu),水泥、細(xì)集料則填充在粗集料骨架形成的空隙之中。硬化后的水泥石、細(xì)集料混合物在混合料中所占體積較小,且被粗集料形成的空隙分開。粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)后,石料之間的相互嵌擠,能夠有效提高混合料的內(nèi)摩擦角,從而提高強(qiáng)度,改善抗裂性能。

對(duì)比懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定類基層和骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類基層級(jí)配情況如下表：

層位 通過下列方孔篩（mm)的質(zhì)量百分率（%）

31.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075

懸浮型 100 90～100 60～80 29～49 15～32 6～20 0～5

骨架型 100 68～86 38～58 22～32 16～28 8～15 0～3

由上表可以看出，骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)4.75mm以上的含量明顯加大而0.075mm以下的含量也相對(duì)降低。骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度很大程度來源于石料的嵌擠作用，因此相對(duì)的對(duì)水泥的膠結(jié)作用依賴性較小，因此在配置相同強(qiáng)度的基層混合料時(shí)，骨架密實(shí)型的混合料可以少用溫度收縮性強(qiáng)的水泥膠結(jié)材料，而與此同時(shí)，由于骨架密實(shí)型混合料大大減少了溫度收縮性較強(qiáng)的細(xì)料的比例，從而降低了混合料的最佳含水量，這就在很大程度上降低了干縮裂縫和溫縮裂縫發(fā)生的概率和幅度。所以，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料在減少干縮裂縫和溫縮裂縫方面是一種可信賴的材料，值得廣大公路建設(shè)者對(duì)其做深入研究。

參考文獻(xiàn)：1、路面路面基層施工技術(shù)規(guī)范 JTJ034-2000

2、公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D50-2006