半剛性基層開裂特性研究

王培強

(臨沂市公路事業(yè)發(fā)展中心蘭山區(qū)中心，山東 臨沂 276000)

0 引 言

近年來，公路交通負荷越來越重，為提高公路的抗負荷性能，半剛性基層瀝青路面成為高等級公路的優(yōu)先選擇[1-2]。工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，典型的以水泥作為無機結(jié)合料的半剛性基層路面容易出現(xiàn)早期裂縫病害[3]。究其原因，以水泥作無機結(jié)合料的基層脆性大、抗變形能力差，基層溫度、濕度的變化容易造成材料收縮和膨脹，從而使半剛性基層產(chǎn)生微裂紋。半剛性基層的早期微裂紋雖然不影響路面車輛行駛，但是在車輛循環(huán)荷載的作用下，微裂紋逐漸擴展，引發(fā)基層開裂，使基層的承載能力變?nèi)?，并?dǎo)致面層出現(xiàn)反射裂縫。此外，半剛性基層的裂縫破壞了基層的整體性能，使路面抵抗荷載的能力變?nèi)?，壽命縮短。因此，為使半剛性基層瀝青路面達到更高的服務(wù)質(zhì)量，并延長使用壽命，勢必要解決半剛性基層開裂這個關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)的抑制半剛性基層開裂方法主要包括混合料組成設(shè)計、道路施工控制、振動攪拌技術(shù)和柔性基層技術(shù)。在混合料組成設(shè)計方面，葛永衛(wèi)提出采用骨架密實結(jié)構(gòu)減少基層收縮裂縫[4]；在道路施工控制方面，肖檢生論述了土工織物在公路工程中的研究和應(yīng)用狀況，認為應(yīng)用土工合成材料能夠防治瀝青路面反射裂縫[5]；在振動攪拌技術(shù)方面，張飛龍等認為振動攪拌技術(shù)在減少水泥用量的同時，提高了水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能[6]；在柔性基層技術(shù)方面，欒海等實現(xiàn)了柔性基層與半剛性基層的優(yōu)化組合，減少了瀝青路面疲勞裂縫[7]。與傳統(tǒng)的抑制半剛性基層開裂方法不同，本文提出一種通過提高壓實質(zhì)量來提升半剛性基層抗裂能力的方法，該方法通過傳統(tǒng)的壓實工藝提高基層的抗裂性能，只需對壓實機械進行調(diào)整或改造即可實現(xiàn)，具有無需額外增加施工工藝、成本較低等優(yōu)點。

1 裂縫形成機理分析

按裂縫的開裂形式，高等級公路的裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫和區(qū)域性網(wǎng)狀裂縫。按照產(chǎn)生裂縫的原因，又可分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫，如圖1所示。

圖1 半剛性基層裂縫形成原因

1.1 荷載型裂縫

產(chǎn)生荷載型裂縫的主要原因是基層強度不足或車輛的輪載過大。當車輛荷載作用在路面上時，基層底部受拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生形變，如果拉應(yīng)力過大或者基層強度不足，基層底部就會產(chǎn)生開裂。產(chǎn)生荷載型裂縫的首要原因是基層強度不足[8]。

1.2 非荷載型裂縫

產(chǎn)生非荷載型裂縫的主要原因是基層材料的溫縮與干縮作用[9]。由于路面寬度有限，路面結(jié)構(gòu)在寬度方向受到的約束作用大，所以非荷載型裂縫多為橫向裂縫，基層橫向裂縫在路面車輛荷載的反復(fù)作用下，會引起面層的反射裂縫[10]，嚴重影響道路的使用性能。

2 裂縫治理研究現(xiàn)狀

針對半剛性基層的裂縫抑制技術(shù)主要集中于面層、基層、面層與基層結(jié)合部。

2.1 混合料組成設(shè)計

收縮特性是半剛性基層材料的固有特性，是無法消除的，但可以通過變更混合料配比將半剛性基層的收縮特性減弱[11-12]。在混合料組成級配方面，混合料的結(jié)構(gòu)可分為懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)和骨架密實結(jié)構(gòu)(圖2)，采用骨架密實結(jié)構(gòu)有利于抑制半剛性基層裂縫[13]。

圖2 級配類型

2.2 道路施工控制

通過優(yōu)化道路施工技術(shù)也可以控制半剛性基層裂縫，例如水泥穩(wěn)定碎石的預(yù)鋸縫處理技術(shù)[14-16]?；鶎宇A(yù)鋸縫能夠有效釋放和吸收基層內(nèi)部存在的收縮應(yīng)力和應(yīng)變，因此能夠減少基層開裂，但基層預(yù)鋸縫的存在容易使面層產(chǎn)生反射裂縫，目前多采用在預(yù)鋸縫處布置土工織物的方法(圖3)阻止預(yù)鋸縫向面層反射。

圖3 鋪設(shè)土工織物

2.3 振動攪拌技術(shù)

振動攪拌技術(shù)是指在攪拌軸低速攪拌和高頻振動的共同作用下，促進水穩(wěn)碎石產(chǎn)生宏觀對流運動和微觀擴散運動，提高其攪拌均勻性。研究發(fā)現(xiàn)，振動攪拌技術(shù)不僅能提高水泥穩(wěn)定碎石的均勻性，還能在一定程度上減少水泥劑量，降低干縮和溫縮系數(shù)，從而提高水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性。

2.4 柔性基層技術(shù)

柔性基層一般包括瀝青穩(wěn)定碎石基層和無結(jié)合料粒料基層。其中，瀝青穩(wěn)定碎石具有較高的抗彎拉強度、抗剪切強度和耐疲勞性能。與半剛性基層相比，瀝青穩(wěn)定碎石基層的優(yōu)點主要體現(xiàn)在3個方面：一是瀝青穩(wěn)定碎石基層不易產(chǎn)生收縮開裂；二是瀝青穩(wěn)定碎石作為應(yīng)力消散層，能夠有效減少路面應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而減少路面反射裂縫；三是瀝青碎石與面層材料相似，能提高基層與面層的黏結(jié)強度，并且這2種材料的彈性模量相近，使路面整體受力和變形更協(xié)調(diào)。在歐美等發(fā)達國家，柔性基層已廣泛用于高速公路，并在抑制路面開裂方面取得了良好的效果[17]。

3 壓實質(zhì)量與基層開裂的關(guān)系

3.1 壓實質(zhì)量對荷載型裂縫的影響

在路面施工操作規(guī)范中，一般會對路面各鋪層的壓實度做出要求，其目的是降低鋪層材料空隙率，使鋪層材料成型，并具有良好的力學(xué)性能。

長安大學(xué)蔣應(yīng)軍教授深入研究了水泥穩(wěn)定碎石強度的影響因素，認為壓實質(zhì)量會影響水泥穩(wěn)定碎石基層的強度。對于半剛性基層，壓實度越高，則骨料嵌合擠壓作用越強，混合料的結(jié)構(gòu)密實程度越高，最終使基層材料的抗壓強度和抗拉強度提高。提高抗壓強度有助于提高道路的抗荷載能力，提高抗拉強度能有效抑制基層開裂，同時提升半剛性基層的抗壓強度和抗拉強度能夠有效抑制基層載荷型裂縫的產(chǎn)生[18]。

3.2 壓實質(zhì)量對非荷載型裂縫的影響

提高半剛性基層的壓實度，使基層材料更致密，材料內(nèi)部晶體間的距離縮小，相鄰顆粒間具有更強的黏結(jié)力，基層的強度得以提升，此時基層材料受環(huán)境溫濕度變化的影響變小。此外，致密的基層材料使基層內(nèi)部孔隙減少，基層材料失水效應(yīng)降低，能夠降低半剛性基層的干縮效應(yīng)，在宏觀上半剛性基層的收縮量變小。所以，增加半剛性基層的壓實度有利于降低半剛性基層材料的收縮量。

從力學(xué)的角度看，環(huán)境溫度、濕度的變化導(dǎo)致半剛性基層收縮后，材料內(nèi)部將產(chǎn)生收縮應(yīng)力，其產(chǎn)生開裂現(xiàn)象的原因是基層材料收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)變εs大于基層材料自身允許的最大拉應(yīng)變εmax，即εs>εmax。半剛層基層的開裂與否可依據(jù)公式ε=εs-εmax來進行分析：當ε為正值時，半剛性基層將產(chǎn)生開裂，ε越大，則半剛性基層的開裂狀況越嚴重；當ε為負值時，半剛性基層將不會開裂。因此，為抑制半剛性基層裂縫，通過減小εs、增大εmax或者同時調(diào)整εs和εmax，使其滿足εs<εmax，便可從根源上控制半剛性基層的開裂現(xiàn)象。由材料力學(xué)理論可知，εs由材料本身特性和外部受力決定，受環(huán)境溫度、濕度變化引起的溫縮效應(yīng)與干縮效應(yīng)影響。根據(jù)εmax=Ri/E(其中，Ri和E分別為材料的強度和剛度)可知，當半剛性基層材料的強度較高或者剛度較低時，半剛性基層材料有較大的極限拉應(yīng)變εmax[19]。因此，提高半剛性基層材料的強度是合理的抑制基層開裂的手段。對半剛性基層路面而言，提高基層的壓實度不僅能提高極限拉應(yīng)變，還能減小材料的干縮與溫縮效應(yīng)，因而能夠有效地提高半剛性基層的抗裂性能。如圖4～6所示，長安大學(xué)崔先覺的試驗數(shù)據(jù)[20]表明，半剛性基層材料的抗彎拉強度隨著壓實度的提高而增大，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)隨著壓實度的提高而減小，驗證了上述結(jié)論的正確性。

圖4 半剛性基層材料抗彎拉強度與壓實度的關(guān)系

圖5 半剛性基層材料干縮系數(shù)與壓實度的關(guān)系

圖6 半剛性基層材料溫縮系數(shù)與壓實度的關(guān)系

4 結(jié) 語

針對半剛性基層開裂問題，本文在總結(jié)半剛性基層瀝青路面開裂機理和現(xiàn)有處治手段的基礎(chǔ)上，提出了一種通過提高壓實質(zhì)量提升半剛性基層抗裂能力的方法。通過分析壓實質(zhì)量對半剛性基層收縮性能和力學(xué)指標的影響，結(jié)合已有的試驗數(shù)據(jù)，驗證了所提出方法的有效性。該方法通過傳統(tǒng)的壓實工藝提高基層的抗裂性能，只需對壓實機械進行調(diào)整或改造即可實現(xiàn)，具有無需額外增加施工工藝、成本較低等優(yōu)點。

本文提出了通過提高壓實質(zhì)量來提升半剛性基層抗裂能力的方法，在實際施工過程中，還需避免過壓實，后期需對盡量提高壓實質(zhì)量，但又不產(chǎn)生過壓實的施工方法做進一步研究。