水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫成因分析與防治措施

李雅潔 劉朝陽 劉珊珊 王 波 李 晨

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

我國公路交通事業(yè)在近幾年來飛速發(fā)展，如表1所示。預(yù)計到2030年，實現(xiàn)首都輻射省會，1000km以內(nèi)的省會之間當(dāng)日即可抵達。我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展、整體水平的大幅度改善離不開基層的高水平。由于基層主要用于承載，因此它的強弱和好壞必然決定著道路的質(zhì)量和壽命。

表1 近幾年公路里程發(fā)展情況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國水泥穩(wěn)定碎石基層已占到瀝青路面基層用量的75%（各級公路）～90%（高速公路）。但是，其脆性大、溫濕敏感性強，容易產(chǎn)生收縮裂縫，在車輛載荷和溫度、濕度條件的循環(huán)作用下，會使基層裂縫向上反射到瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫且這一比例通常超過50%。同時，瀝青面層在溫度和行車載荷綜合作用下也會產(chǎn)生表面裂縫，并隨時間的推移逐漸往下層結(jié)構(gòu)中發(fā)展形成對應(yīng)裂縫。半剛性路面基層裂縫（見圖1）嚴(yán)重影響著路面的使用性能并危害交通安全[1-2]。因此，深入開展水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫成因及防裂措施的研究，提出合理而實用的預(yù)防和解決路面裂縫的措施，有效地提高半剛性基層的抗裂能力，使其發(fā)揮更好的使用性能以適應(yīng)我國公路事業(yè)迅速發(fā)展的需要，意義重大。

圖1 路面裂縫及危害

1 裂縫成因分析

水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫的產(chǎn)生原因和裂縫形式是多方面的，且各影響因素之間相互關(guān)聯(lián)。

1.1 水泥劑量大

水泥用量的多少決定著水穩(wěn)碎石材料的強度、彈性模量、溫縮及干縮系數(shù)。水泥劑量越高，其強度和彈性模量相應(yīng)增加，但是收縮系數(shù)也隨之增加，致使水泥穩(wěn)定碎石在使用中很容易產(chǎn)生裂紋。水泥劑量增加時，收縮應(yīng)力的增長速率遠大于材料強度的增長速率，因此水泥劑量高的基層更易產(chǎn)生收縮裂縫[3]。

水泥劑量大的原因包括：成型方式不匹配，施工單位擔(dān)心壓實度過百而減少壓實遍數(shù)造成壓實度不足，為增加強度便加大水泥劑量；室內(nèi)靜壓成型方式與室外振動施工不匹配，調(diào)整級配對強度增加效果不大，于是就通過加大水泥劑量解決；連續(xù)式攪拌裝置的攪拌時間一般在10s以內(nèi)，短時間內(nèi)很難攪拌均勻，為了保證使用強度，水泥用量普遍取高限值。

1.2 混合料不均勻

水泥等粉料及細(xì)料不能充分地均勻彌散和包裹粗骨料，經(jīng)常出現(xiàn)粗骨料表面出現(xiàn)干燥露白現(xiàn)象，且拌和物各組分之間的黏聚力不足，混合料的攪拌不均勻，導(dǎo)致在裝卸、運輸、攤鋪過程中出現(xiàn)離析，形成基層裂縫。

1.3 材料類型和細(xì)料用量

水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)強度主要取決于集料顆粒間的摩阻力和嵌擠力、水泥與集料之間的黏結(jié)力。懸浮密實結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料中含有大量細(xì)料，粗集料少且沒有接觸（見圖2（a）），因此不能形成骨架，這種水泥穩(wěn)定碎石表現(xiàn)為黏聚力較高，但是摩阻力較小且穩(wěn)定性差，容易導(dǎo)致基層開裂；骨架密實結(jié)構(gòu)（見圖2（b））中既有粗骨料形成嵌擠骨架，又有細(xì)集料填充間隙，細(xì)集料相對用量減少且密實度較高。此外，細(xì)集料比表面積大，遇水膨脹，具有較大的干縮系數(shù)，失水后干縮變形大。因此，細(xì)集料用量太大會導(dǎo)致干縮變形較大，更易產(chǎn)生基層收縮裂縫。

1.4 環(huán)境溫度變化

在基層鋪筑后，寒冷地區(qū)溫度驟降使基層材料收縮，若瀝青面層較薄則會產(chǎn)生溫度收縮，導(dǎo)致基層材料的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力急劇增大，超過基層材料的抗拉強度或極限抗拉應(yīng)變后就會引起基層的開裂。半剛性基層一般選擇在高溫季節(jié)進行鋪筑，成形初期未封閉，晝夜溫差反復(fù)作用在基層上，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，隨使用年限增長，最終產(chǎn)生疲勞裂縫。

圖2 兩種基層結(jié)構(gòu)類型

2 裂縫的預(yù)防與防治

2.1 材料方面

2.1.1 嚴(yán)控原材料質(zhì)量

原材料的質(zhì)量是提高基層抗裂的先決條件，因此為了減少原材料組成的變異性，各地區(qū)必須根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r制定統(tǒng)一的規(guī)范要求。此外，在混合料拌和前，原材料的所有檢測指標(biāo)都必須符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20-2015）要求[4]。

缺點：上述規(guī)范規(guī)定的混合料級配范圍太寬，不同級配的混合料抗裂能力卻有很大差異，因此不同級配的水泥穩(wěn)定碎石混合料各種力學(xué)指標(biāo)即使全部滿足規(guī)范要求，也很難說這些混合料具有良好的抗裂能力。

2.1.2 調(diào)整水泥組分及細(xì)度

降低水化熱及水化熱產(chǎn)生速率來保證水化熱有足夠的時間散發(fā)出去，降低早期的溫度應(yīng)力。水化熱是水泥礦物成分與細(xì)度的函數(shù)，要降低水泥的水化熱，選擇合適的礦物組成和調(diào)整水泥細(xì)度非常重要[5]。

適當(dāng)提高水泥中的C2s和C4AF含量可以提高水泥的韌性，降低其脆性。C2s早期強度很低，不宜增加太多，否則影響水泥強度發(fā)展。因此，盡可能降低C3A的含量，相應(yīng)提高C4AF的含量對水泥性能的發(fā)揮有好處。

水泥細(xì)度主要影響水化放熱速率。水泥越細(xì)，水化放熱速率越快，由水化熱集中產(chǎn)生的早期溫度應(yīng)力也就越大，早期開裂可能性變大。因此，選用粗磨水泥，降低水泥的比表面積，可以有效地降低水泥早期的水化放熱速率，從而改善其抗裂性。

缺點：提高C2s和C4AF有必要控制用量；粗水泥的使用會使早期強度降低，影響拆模時間和施工進度，對活性發(fā)揮也有一定的影響。

2.1.3 摻入其他材料

由于水泥產(chǎn)生的水化熱遠大于粉煤灰與水反應(yīng)產(chǎn)生水化熱且粉煤灰具有減水作用，可以減少裂縫危險。此外，粉煤灰中含有大量玻璃體球形顆粒，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，幾乎沒有裂隙，可以有效填充集料間隙，且內(nèi)比表面積較小，吸附水的能力較低，因而使其干縮性減小，抗裂性提高。摻入一定量的粉煤灰，也可以減少細(xì)集料（4.75mm以下）的使用，從而減少收縮裂縫的形成[6]。

摻加合成纖維等可以增強基層材料的抗裂性能[7-8]。摻入纖維材料可減少水泥穩(wěn)定碎石材料的失水面積，減少水分蒸發(fā)，從而減少了由于含水量損失而產(chǎn)生的毛細(xì)管張力，減少裂紋的產(chǎn)生。同時，纖維材料抗拉強度大，增強了水泥穩(wěn)定碎石材料抵抗干縮開裂的強度。此外，纖維材料的熱膨脹系數(shù)小，對水泥穩(wěn)定碎石的收縮或膨脹有一定的抵制作用，纖維材料起到支撐集料的作用，從而阻止粗、細(xì)骨料因沉降而產(chǎn)生的離析。發(fā)生開裂時纖維又起到橋接作用，阻止了裂縫的繼續(xù)擴展。

缺點：摻粉煤灰后早期強度隨之降低，從而影響拆模時間和施工進度；添加的纖維種類與基層強度有關(guān)，受物理性質(zhì)、纖維長度和摻量等因素制約，需要控制合理；纖維摻量較少且一般為束狀，將纖維添加到水泥穩(wěn)定碎石混合料中一起進行拌和時，更不易達到均勻性要求，使其使用價值具有一定的折扣，且施工性能也變差。

2.1.4 選用骨架密實結(jié)構(gòu)

骨架密實結(jié)構(gòu)中粗集料含量增加且有效地嵌擠提高了混合料的強度，細(xì)集料填充后又能使混合料的密實度提高，提高了半剛性基層的抗沖刷能力，細(xì)集料減少也有效降低了縮裂[9]。骨架密實結(jié)構(gòu)0.075mm以下粉料含量低于3%，減少了干縮，減少了裂縫產(chǎn)生率。此外，懸浮結(jié)構(gòu)基層表面光滑，不利于與面層的黏結(jié)，而骨架密實結(jié)構(gòu)基層表面粗糙，大料裸露，有利于與面層的黏結(jié)。

缺點：骨架密實型在施工中出現(xiàn)離析的危險性較大。相對懸浮結(jié)構(gòu)而言，骨架密實結(jié)構(gòu)的混合料更難壓實。

2.2 施工方面

嚴(yán)控各施工環(huán)節(jié)以及施工步驟，從原材料的選擇到混合料的拌和，再到混合料的運輸以及攤鋪、碾壓、養(yǎng)生等環(huán)節(jié)，都要嚴(yán)格按照施工技術(shù)規(guī)范的要求執(zhí)行。這樣才能真正發(fā)揮出水穩(wěn)碎石基層的優(yōu)勢，保證公路工程的施工質(zhì)量，延長道路的使用年限[10]。

2.2.1 振動攪拌

采用振動攪拌拌和水泥穩(wěn)定碎石可以有效地減少水泥用量。試驗表明，水泥用量在4%時，使用振動攪拌可以使其7d無側(cè)限抗壓強度平均值達到4.3MPa，滿足公路路面施工技術(shù)規(guī)范要求，比普通攪拌節(jié)約20%水泥用量。振動使難以彌散的水泥、水與細(xì)集料充分彌散（見圖3），并包裹在粗骨料表面，混合料的宏觀、微觀均勻性良好。在保證強度不會下降的基礎(chǔ)上減少水泥和水用量，混合料各組分之間具有一定的黏聚性，使其在攤鋪與運輸過程中不易出現(xiàn)離析現(xiàn)象；混合料的均勻性使其具有一定的和易性，比較容易壓實，壓實度提高。

圖3 水泥結(jié)團與充分彌散

缺點：水泥劑量低，基層強度薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)可能性越大，需要提高施工均勻性來保證足夠的基層強度。

2.2.2 嚴(yán)控基層含水量

要保證基層的壓實度，同時要控制基層含水量不能超過壓實所需的最佳含水量。含水量過小會影響水泥的水化，進一步影響基層強度的形成，但含水量也不宜超過最佳含水量的1%，水分過多則更容易引起干縮裂縫，同時需要減少不同層深處壓實度的差異。

2.2.3 基層預(yù)開縫加土工布

通過基層預(yù)開縫來減少基層內(nèi)部累計的溫縮、干縮應(yīng)力效應(yīng)，可以有效地減輕裂縫的出現(xiàn)。有學(xué)者提出了“半剛性基層預(yù)鋸縫+土工布”的防裂措施，可以延長基層開裂間距，減少半剛性基層瀝青路面的開裂率[11-12]。此外，在預(yù)鋸縫處鋪設(shè)土工布可以有效防止或延緩面層反射裂縫的產(chǎn)生，也起到了防滲層的作用，避免基層進一步惡化。

缺點：預(yù)切縫間距較小，接縫增多，不僅增加了施工的復(fù)雜性，并且會影響路面的整體強度；預(yù)切縫過長，溫度翹曲應(yīng)力增大使開裂可能性增加。

2.2.4 加強先期養(yǎng)護

加強水泥穩(wěn)定碎石基層的先期養(yǎng)護工作，有利于減少干縮裂縫的產(chǎn)生，對提高水穩(wěn)基層的抗裂性有很大幫助，需要特別重視。水穩(wěn)基層施工后應(yīng)該進行保濕養(yǎng)生且養(yǎng)生期不少于7d，為了保證基層強度正常增長，必須保證基層表面始終保持濕潤，不得忽干忽濕。一般采用覆蓋土工布后灑水，或者覆蓋薄膜防止水分蒸發(fā)以及灑透層油或者采用封層等措施，做完封層后要盡快鋪筑瀝青面層。同時，封閉交通防止剛形成的強度被破壞，或行車速度不超過30km/h，并應(yīng)禁止大型車輛通過。

3 結(jié)論

產(chǎn)生裂縫的主要原因是水泥含量大、混合料不均勻?qū)е码x析、材料類型選擇不合理及細(xì)集料用量過大、環(huán)境溫度變化產(chǎn)生等；嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量、調(diào)整水泥組分細(xì)度、摻入其他材料如粉煤灰和纖維及選用骨架密實級配，可以有效減輕瀝青路面裂縫；改善并加強施工質(zhì)量控制在一定程度上也可以有效地減輕瀝青路面的裂縫。