水泥穩(wěn)定性碎石公路基層中的裂縫成因與控制

■肖 繁 ■中交第四公路工程局有限公司，北京 100022

隨著我國交通運輸事業(yè)的不斷發(fā)展，其對道路路面質(zhì)量的要求也越來越高，半剛性基層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍相對也越來越廣闊，而水泥穩(wěn)定性碎石作為一種較為常見的半剛性路面基層材料，其結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)性能恰好符合當(dāng)前時期我國公路路面工程建設(shè)的發(fā)展需要。本文對水泥穩(wěn)定性碎石公路基層中的裂縫類型、來源及成因進(jìn)行分析，探討水泥穩(wěn)定性碎石公路基層中裂縫的預(yù)防與控制措施。

1 裂縫產(chǎn)生的表現(xiàn)及危害

作為一種半剛性的基本結(jié)構(gòu)，水泥穩(wěn)定性碎石基層在施工中一旦處理不當(dāng)就會出現(xiàn)裂縫問題，且裂縫一般情況下出現(xiàn)在基層的頂面，并沿著裂口橫向延伸，最終形成路面裂縫。裂縫一般成等距分布，且其裂縫寬度通常情況下在1．5～3．5mm之間。

裂縫現(xiàn)象最早出現(xiàn)在水泥穩(wěn)定性碎石基層的養(yǎng)生過程中，另外一些裂縫現(xiàn)象則產(chǎn)生在路面通車之后，并且隨著行車載荷作用的影響而越來越嚴(yán)重。水泥穩(wěn)定性碎石公路基層的裂縫現(xiàn)象不僅削弱了路面的結(jié)構(gòu)強度，還容易引發(fā)各種路面病害，比如坑洞、松散、碎裂等病害。在破壞了路面施工結(jié)構(gòu)的同時，也嚴(yán)重影響了道路的正常使用，給交通運輸帶來了不便。其危害主要表現(xiàn)在以下方面:(1)水泥穩(wěn)定性碎石公路基層保養(yǎng)過程中出現(xiàn)的反射裂縫較為容易受到行車載荷作用的影響，并在外界溫度、降水以及日光暴曬作用下使裂縫范圍不斷擴大，對水泥穩(wěn)定性碎石基層的機構(gòu)造成了嚴(yán)重破壞，大大降低了其承載能力，最終造成路面強度下降。(2)由于路面通車后的行車載荷作用，原有的裂縫長度及寬度都隨之增加，出現(xiàn)了反射裂縫。其路面結(jié)構(gòu)在雙重裂縫病害的共同影響下，將裂縫引入了水泥穩(wěn)定性碎石基層結(jié)構(gòu)中，基層的細(xì)集料在行車作用力的影響下被甩出路面，從而造成路面空洞等現(xiàn)象，降低了公路的使用壽命，也給行車安全帶來了一定的威脅。

2 裂縫的來源及影響因素

2．1 自身裂縫

自身裂縫是指水泥穩(wěn)定性碎石基層自身溫縮和干縮變形而引起的裂縫問題，主要是由于選用的級配機構(gòu)以及施工工藝不合理造成的，致使沒有將溫縮和干縮變形量控制在最小范圍內(nèi)，從而出現(xiàn)較為明顯的裂縫。影響水泥穩(wěn)定性碎石基層溫縮和干縮變行量大小的主要因素有以下幾個方面:(1)施工工藝不合理。主要表現(xiàn)在碾壓設(shè)備噸位不夠、配置不夠齊全、碾壓過程中基料推移相對較大、碾壓次數(shù)相對較少、施工工序不恰當(dāng)?shù)?，以上因素都會?dǎo)致碾壓密實度不夠，從而誘發(fā)裂縫現(xiàn)象。其裂縫產(chǎn)生的程度與碾壓養(yǎng)生的干密度是有直接關(guān)系的，干密度越大，裂縫越少，反之裂縫就會越嚴(yán)重;(2)集料級配不合理。在水泥穩(wěn)定性碎石公路基層抗壓強度都相同的情況下，影響裂縫成因的主要因素有材料空隙、水泥使用量、骨架用料等。歷史經(jīng)驗表明，在選用骨架密實型級配的水穩(wěn)層時，其產(chǎn)生的裂縫現(xiàn)象要比選用骨架空隙結(jié)構(gòu)或者懸浮密實結(jié)構(gòu)級配的水泥穩(wěn)定性碎石基層輕微的多;(3)施工溫度。水泥穩(wěn)定性碎石公路施工的最佳溫度為5～25℃，若在夏季28℃以上進(jìn)行公路施工，會使水泥初凝時間和終凝時間相對縮短，加快了水泥中的水分蒸發(fā)，容易導(dǎo)致水泥穩(wěn)定性碎石公路基層密實度降低，從而產(chǎn)生裂縫。同樣的如果在冬季5℃氣溫以下進(jìn)行施工，會使碾壓的壓實度和干密度得不到保障，從而增大溫縮和干縮變形，引發(fā)裂縫。

2．2 反射裂縫

反射裂縫主要是指由下基層裂縫向上反射從而形成的水泥穩(wěn)定性碎石基層裂縫，水泥穩(wěn)定性碎石公路基層中的很大一部分裂縫都是由于下基層裂縫的反射作用引起的，其下基層裂縫的產(chǎn)生及影響主要受制于施工質(zhì)量和施工原材料:(1)施工質(zhì)量。相關(guān)實踐經(jīng)驗表明，裂縫程度與路基及下層的壓實度和芯樣7天無側(cè)限抗壓強度成非直線反比關(guān)系，即下基層的壓實度越高，其穩(wěn)定性和強度就越好，越不容易產(chǎn)生裂縫;(2)原材料影響。施工過程中所采用的原材料類型對下基層裂縫的影響程度相對較大，例如:下基層采用石灰穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土或者石灰水泥二灰穩(wěn)定土，由于其干縮變形較為明顯，所以很容易產(chǎn)生較大的干縮裂縫。

2．3 行車荷載裂縫

荷載裂縫主要是由于路面承受的荷載超過了道路的抗彎拉強度，從而引起的基層變形斷裂產(chǎn)生的道路裂縫，這種裂縫往往具有一定的不規(guī)則性且相對較為稠密。

3 裂縫的類型及其成因

3．1 干縮性裂縫

是指在空氣相對干燥下，水泥穩(wěn)定碎石硬化過程中水分消失、體積收縮變形引起的裂縫。其主要影響因素有水泥含量、水分的消耗速度、集料的自身吸水效果等。

3．2 溫縮性裂縫

在溫度變化下，混合料受到來自內(nèi)外膨脹因素的影響，產(chǎn)生大量應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超出路面抗彎拉強度后則會產(chǎn)生橫向方式的溫縮性裂縫。其主要受水泥自身熱脹冷縮以及外界氣溫驟變等影響。

3．3 網(wǎng)狀裂縫

網(wǎng)狀裂縫即我們平常所說的龜裂現(xiàn)象，主要是由于局部彎沉逐漸增大，結(jié)構(gòu)性遭到破壞而成的裂紋，在初期往往以網(wǎng)狀細(xì)裂縫的形式產(chǎn)生。這種裂縫的破壞性相對不大，但是隨著時間的發(fā)展，細(xì)裂縫內(nèi)的水分會隨之不斷蒸發(fā)，從而在外力作用下容易造成坍塌。

4 防治措施

4．1 提高材料抗裂性能

可以使用骨架密實結(jié)構(gòu)礦料級配，此種結(jié)構(gòu)中的粗顆粒能夠互相嵌擠形成骨架，并能有效承擔(dān)外力。另一方面，細(xì)集料和無機結(jié)合料的水化生物能對粗集料起約束作用，使得中間的空隙較小，能有效的減少材料收縮。

由于細(xì)集料的比面較大，假如水泥穩(wěn)定性碎石基層中的細(xì)料越多，其材料內(nèi)部空隙也越來越多，所以在水作用下的收縮也就越來越大。因此要對粒料中的細(xì)粒含量和塑性指數(shù)進(jìn)行控制，細(xì)土的塑性指數(shù)應(yīng)控制的最小范圍內(nèi)，做多不超過4，細(xì)料含量應(yīng)控制在5%——7%以內(nèi)。

4．2 設(shè)計施工方面

依據(jù)目前水泥穩(wěn)定性碎石公路基層中的裂縫成因來看，在設(shè)計施工方面應(yīng)注意以下幾點:(1)在進(jìn)行水泥穩(wěn)定性碎石公路基層瀝青路面設(shè)計時，首先應(yīng)選用抗沖刷能力較強且溫縮干縮系數(shù)較小、抗拉強度較高的水穩(wěn)材料作為基層;(2)在施工季節(jié)的選擇方面，應(yīng)盡量避開夏季和冬季，確保施工溫度適宜;(3)對水泥穩(wěn)定性碎石公路基層碾壓時的水分含量進(jìn)行有效控制;(4)在水泥穩(wěn)定性碎石公路基層碾壓完畢后，加強其養(yǎng)生保護(hù)并在養(yǎng)生結(jié)束后選用合適的液體瀝青做透層或者封層;(5)注意做好水泥穩(wěn)定性碎石公路基層養(yǎng)生和瀝青面層鋪筑之間的有效銜接。除了以上施工過程中的注意事項，加強施工質(zhì)量、提升工程施工質(zhì)量管理也是絕對重要的。相關(guān)實踐經(jīng)驗已經(jīng)證明，水穩(wěn)基層材料的強度不均勻、碾壓時含水量過高等都會在不同程度上導(dǎo)致基層裂縫的增多。

5 水泥穩(wěn)定性基層材料性能改善

通常情況下由于水溫材料所固有的熱脹冷縮效應(yīng)，裂縫現(xiàn)象在所難免。所以目前階段的裂縫預(yù)防控制應(yīng)主要從添加外加劑來降低水穩(wěn)基層的剛性，通過柔韌性的增加使基層材料的抗變形能力得到提升，從而提高材料抗裂性能。我國目前對水泥穩(wěn)定性碎石的性能改善已經(jīng)做了大量的研究工作，其中常用的外加劑主要有幾下集中:(1)粉煤灰:在混合料中加入適量的粉煤灰能有效改善水泥穩(wěn)定性碎石的收縮性，通過水泥用量的減少避免了水泥用量過多產(chǎn)生的較大收縮作用;(2)膨脹劑:主要是利用其膨脹性能使水泥穩(wěn)定性碎石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，減少了水泥穩(wěn)定碎石中的毛細(xì)管數(shù)，使之變得更致密，從而減少干燥收縮;(3)縮減劑:縮減劑的主要作用是降低基層材料中的早期收縮量，并且對材料的抗壓強度和彈性模量不會產(chǎn)生較大影響，有利于提升基層材料的綜合性能。