公路水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性分析

宋鵬飛

摘 要：作為一種半剛性基層，水泥穩(wěn)定碎石基層因其良好的強(qiáng)度、穩(wěn)固性、密實(shí)性、抗凍性以及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于我國(guó)各等級(jí)公路建設(shè)中。隨著現(xiàn)代交通量與行車荷載的日益增加，致使公路水泥穩(wěn)定碎石基層開裂病害層出不斷，嚴(yán)重影響了交通行車安全與服務(wù)水平。鑒于此，本文筆者基于對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用，以水泥穩(wěn)定碎石基層開裂機(jī)理、配合比設(shè)計(jì)及控制措施三方面實(shí)施專業(yè)論述。

關(guān)鍵詞：公路基層；水泥穩(wěn)定碎石；抗裂性能

1 水泥穩(wěn)定碎石基層開裂機(jī)理

疲勞荷載作用、溫度收縮與干燥收縮為水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生開裂的主要因素，其中以溫度收縮與干燥收縮為主，疲勞荷載作用對(duì)其影響一般較小。而干燥失水、溫度影響水泥穩(wěn)定碎石基層的規(guī)律，與材料微觀組成以及結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

1.1 干縮機(jī)理

1.1.1 吸附水及分子間作用力

在混合料完成毛細(xì)管張力（干縮機(jī)理之一）作用后，隨著水分的持續(xù)蒸發(fā)，半剛性基層材料逐漸開始蒸發(fā)吸附水，使顆粒與顆粒間距離因材料顆粒表面水膜的逐漸變薄而減小，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒宏觀體積因顆粒分子力的增大而進(jìn)一步收縮。對(duì)于吸附水蒸發(fā)引起的收縮而言，由于材料顆粒間不同程度排斥力的存在，使其在影響趨勢(shì)上擁有一定的上限。

除此之外，由于顆粒表面正常水溶液離子濃度低于顆粒間中央處結(jié)合水離子濃度，在此影響下產(chǎn)生的滲透壓力使混合料中水分子滲透向材料顆粒間，致使材料顆粒間距因顆?；ハ嗯懦獾陌l(fā)生而進(jìn)一步減小，進(jìn)而在吸附水分子間作用力達(dá)到最大值后開始逐漸減弱，此時(shí)層間水作用逐漸明顯，但是隨著晶胞間距的不斷變小，致使顆粒間斥力逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而在宏觀上對(duì)材料產(chǎn)生收縮的影響也越來越弱，在達(dá)到一定程度后，材料收縮量不斷減小直至終止。

水泥穩(wěn)定碎石混合料中存在的一些膠結(jié)物（如C-A-H 結(jié)晶、C-S-H凝膠、CaCO3與Ca（OH）2），其作用過程不同于吸附水、分子間力及非粘土礦物。各類凝膠、礦物顆粒表面以及結(jié)晶均以“最小表面能原理”為遵循，固體顆粒因表面水分子作平行于表面方向的運(yùn)動(dòng)所引起“尖劈”作用力而發(fā)生膨脹，“尖劈”作用力在水脫附后消失，致使材料發(fā)生整體性收縮。

1.1.2 層間水作用

水泥穩(wěn)定碎石基層材料中存在一些猶如C-A-H 結(jié)晶、粘土礦物、C-S-H凝膠等層狀結(jié)構(gòu)物晶體或非晶體，一定程度上有水化離子和層間水“夾”于層間，但在層間水的持續(xù)蒸發(fā)作用下，基層結(jié)構(gòu)會(huì)因材料晶格間距的逐漸減小而發(fā)生整體性收縮。特別是對(duì)含有豐富火山灰反應(yīng)生成物與蒙脫石的半剛性基層材料而言，其因?qū)娱g水作用明顯而表現(xiàn)出較大的干縮特性，而含粘土較多的材料比含水化物較多的材料層間水作用更強(qiáng)烈。

1.1.3 碳化脫水作用

根據(jù)碳化作用反應(yīng)過程可知，CO2與Ca（OH）2反應(yīng)會(huì)生成H2O和結(jié)晶體CaCO3，生成水H2O一旦散失，則會(huì)引起體積收縮。水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑完成后，由于干縮特性的影響，隨著基層材料水分的散失，干縮應(yīng)變與干縮應(yīng)力則會(huì)產(chǎn)生，水分散失越快、程度越大，其所產(chǎn)生的干縮應(yīng)力就越大，反之亦然，此時(shí)如果沒有采取合理的養(yǎng)生措施或養(yǎng)生條件不足，基層結(jié)構(gòu)則在養(yǎng)生初期便會(huì)產(chǎn)生較大程度干縮應(yīng)力，同時(shí)由于此時(shí)基層結(jié)構(gòu)形成抗拉強(qiáng)度較小，因此極易造成開裂。除此之外，水泥穩(wěn)定碎石基層（屬半剛性基層）在完成養(yǎng)生后如面層不及時(shí)鋪筑，長(zhǎng)期暴露于大氣中受自然因素（如暴曬）的持續(xù)影響，同樣會(huì)發(fā)生開裂。開裂初期裂縫較為細(xì)小，但是隨著水分的不斷喪失，裂縫則會(huì)增大至3mm以上。水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫一般以橫向?yàn)橹?，同時(shí)也有少量縱向及不規(guī)則塊狀形式存在。

1.2 溫縮機(jī)理

水泥穩(wěn)定碎石基層外觀脹縮的形成，主要是由其組成中固、液、氣三相在不同溫度條件下發(fā)生收縮的綜合效應(yīng)所引起，在該效應(yīng)作用下，基層材料的體積會(huì)發(fā)生一定程度的收縮，即為形成溫縮。一般情況下，外界大氣與水泥穩(wěn)定碎石基層材料中絕大部分氣相相貫通，因此在綜合效應(yīng)中氣相影響程度較小；而對(duì)固相礦物顆粒而言，原材料中砂料以上顆粒一般擁有較小的溫縮系數(shù)，而粉粒以下顆粒（特別是粘土礦物）則溫縮系數(shù)一般較大。

除此之外，水泥穩(wěn)定碎石基層材料固相顆粒一般由結(jié)晶體與部分非結(jié)晶體組成，而在空間排序上組成晶體的質(zhì)點(diǎn)分布較有規(guī)律，其所產(chǎn)生的分子鍵及化學(xué)鍵結(jié)合力相互約束著該晶體質(zhì)點(diǎn)，此種約束通常以質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為體現(xiàn)，其熱振運(yùn)動(dòng)只能在原位置做。故此，質(zhì)點(diǎn)間鍵性與質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)共同決定了材料熱學(xué)性質(zhì)。

由于范德華鍵與化學(xué)建等相互作用力存在于材料中晶體質(zhì)點(diǎn)間，因此質(zhì)點(diǎn)間平衡距離會(huì)因質(zhì)點(diǎn)總內(nèi)能中勢(shì)能及動(dòng)能變化的發(fā)生而變化，使晶體空間體積得到了進(jìn)一步影響。而通常情況下組成晶體質(zhì)點(diǎn)間的鍵性較強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)熱振運(yùn)動(dòng)的實(shí)施只能在其平衡位置進(jìn)行，因此晶體勢(shì)能曲線呈現(xiàn)出右緩左陡的趨勢(shì)，晶體質(zhì)點(diǎn)在一定溫度條件下?lián)碛幸欢ǖ膭?dòng)能，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在r1與r2間運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均間距可由式[r0=r1+r22]計(jì)算。

又因在最低點(diǎn)處勢(shì)能曲線呈不對(duì)稱特征，且熱振動(dòng)移動(dòng)趨向于勢(shì)能增加較小的方向，當(dāng)材料組成系統(tǒng)熱能從外界環(huán)境獲取時(shí)，r0則會(huì)發(fā)生右移，隨著溫度的升高，質(zhì)點(diǎn)間距也會(huì)增大。

除此之外，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石半剛性材料溫縮的影響，其主要是在混合料內(nèi)部一些膠凝孔、毛細(xì)孔以及大空隙中的水在“表面張力”、“冰凍”以及“擴(kuò)張”三種作用形式下形成。在飽水與干燥狀態(tài)下，水泥穩(wěn)定碎石半剛性材料溫度收縮值較小，而在一般含水量下則溫度收縮值較大。

2 考慮抗裂性的水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程操作步驟：

（1）原材料的選取和試驗(yàn)。從沿線料場(chǎng)或計(jì)劃使用的遠(yuǎn)運(yùn)料場(chǎng)選取有代表性的試樣，并進(jìn)行碎石的壓碎值試驗(yàn)；對(duì)所用的水泥，應(yīng)試驗(yàn)其標(biāo)號(hào)和終凝時(shí)間；

（2）級(jí)配確定和水泥劑量的選擇。在抗裂性和抗壓強(qiáng)度俱佳的級(jí)配范圍內(nèi)選擇一種具體的集料級(jí)配，并采用4%、5%、6%、7%四種水泥劑量；

（3）確定混合料的最佳含水量和最大干密度。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的擊實(shí)試驗(yàn)方法，確定各種混合料的最佳含水量和最大干密度（用重型擊實(shí)試驗(yàn)法）；

（4）按規(guī)定達(dá)到的壓實(shí)度，分別計(jì)算不同混合料試件應(yīng)有的干密度；

（5）試件制備。在最佳含水量和計(jì)算得的干密度條件下，同時(shí)制備抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉模量以及溫縮、干縮試件。進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，作為平行試驗(yàn)的試件數(shù)量應(yīng)符合表8的規(guī)定。溫縮、干縮試件制備時(shí)，每組平行試驗(yàn)的試件數(shù)量至少為3個(gè)。溫縮、干縮試驗(yàn)的試件為梁式試件，其尺寸為100×100×400mm；

（6）試件養(yǎng)生。規(guī)定的保濕養(yǎng)生溫度為：冰凍地區(qū)：20℃±2℃；非冰凍地區(qū)：25℃±2℃；

配合比篩選時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的養(yǎng)生齡期為7d；鑒于溫度抗裂性后期較低，抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉模量以及溫縮性試件的養(yǎng)生齡期均采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)齡期即90d；考慮到干縮性破壞總是產(chǎn)生在早期，故干縮性試驗(yàn)的試件養(yǎng)生齡期為7d；

（7）抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉模量和收縮性的試驗(yàn)測(cè)定；

（8）混合料配合比的確定。

a）每一種水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石材料，分別計(jì)算以下2個(gè)指標(biāo)：

a=平均溫縮系數(shù)×基層所在地區(qū)的最大日夜溫差+總干縮應(yīng)變；

b=抗彎拉強(qiáng)度/抗彎拉模量。

注：在計(jì)算a值時(shí)，平均溫縮系數(shù)和總干縮應(yīng)變的齡期不一致，所計(jì)算的總收縮應(yīng)變必然比采用單一齡期時(shí)偏大，卻增大了不同的水泥劑量的a值差異，有利于后序工作的展開。

b）計(jì)算a/b，最小的a/b值對(duì)應(yīng)的水泥劑量即為最佳水泥劑量；

c）核定由b）確定的最佳水泥劑量的抗壓強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。如果不滿足，可適當(dāng)提升水泥劑量。

3 水泥穩(wěn)定碎石基層施工抗裂措施

3.1 控制水泥用量

作為影響水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的直接因素，水泥劑量直接關(guān)系著混合料強(qiáng)度、“溫、干”縮系數(shù)、彈性模量及綜合性干縮抗裂系數(shù)的大小。工程實(shí)際應(yīng)用過程中，水泥劑量的確定應(yīng)在確保基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及其他性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上采用最小劑量，同時(shí)控制用量誤差在±0.5%，如若出現(xiàn)較大波動(dòng)，則應(yīng)及時(shí)調(diào)整以?；旌狭现兴鄤┝科钤谝?guī)范允許范圍內(nèi)。

3.2 設(shè)置預(yù)切縫

受外界溫度條件的影響，水泥穩(wěn)定碎石基層必然性會(huì)出現(xiàn)干縮與溫縮現(xiàn)象，基層結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力隨著時(shí)間的推移不斷增大，最終導(dǎo)致開裂，更為嚴(yán)重時(shí)反射到瀝青面層對(duì)道路整體功能造成影響。預(yù)切縫施工手段的實(shí)施，可對(duì)基層內(nèi)部積累的應(yīng)力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)有效降低。與此同時(shí)，為確保水泥穩(wěn)定碎石基層實(shí)現(xiàn)抗裂性能的同時(shí)保證其他結(jié)構(gòu)性功能，預(yù)切縫應(yīng)對(duì)間距、深度以及寬度等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮與分析。宜采用大功率設(shè)備實(shí)施切縫，切縫口應(yīng)保持整齊美觀，同時(shí)采用適當(dāng)措施實(shí)施填縫處理，填縫料一般以橡膠改性瀝青為首選，因其具有良好的膨脹性與自愈能力，因此表現(xiàn)出優(yōu)越的荷載傳遞效果。

3.3 碾壓與養(yǎng)生

水泥穩(wěn)定碎石基層施工應(yīng)合理選擇碾壓機(jī)械設(shè)備，重點(diǎn)控制壓路機(jī)的形成速度、碾壓遍數(shù)和碾壓方式。由于振動(dòng)壓實(shí)法較重型擊實(shí)法有多方面的優(yōu)點(diǎn)，基層施工碾壓采用振動(dòng)壓實(shí)法。只有保證基層的壓實(shí)度達(dá)到了技術(shù)要求，才能使基層材料之間形成一個(gè)有效的支撐體系，骨料之間具有足夠的嵌鎖力，抗裂性能也會(huì)得到提高。

水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)生也是一項(xiàng)重要的工作，保證水泥穩(wěn)定碎石的后期強(qiáng)度發(fā)展，為后期路面的其他性能檢測(cè)提供可信的數(shù)據(jù)。一般采用防水土工布覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)生時(shí)間不少于7d，且必須經(jīng)常保持結(jié)構(gòu)層表面濕潤(rùn)，最終形成有效的強(qiáng)度，達(dá)到足夠的抗裂性能。

4 結(jié)語

基于以上論述，公路水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的研究是為一項(xiàng)精細(xì)而復(fù)雜的任務(wù)，本文以開裂機(jī)理入手，對(duì)其影響因素通過宏觀論述，進(jìn)而基于抗裂性能的考慮，分析了水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)過程，最后回歸于現(xiàn)場(chǎng)施工，以開裂機(jī)理與配合比設(shè)計(jì)為依據(jù)，提出了抗開裂措施，以此指導(dǎo)施工過程。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTJ 034-2000.公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 周誠喜.水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂機(jī)理的微觀分析[J].上海公路，2013（2）：77～81.

[3] 宋飛云.淺談水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)與質(zhì)量控制[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012（15）.

[4] 梁文藹.水泥穩(wěn)定碎石在施工中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2014（1）.