淺談水泥穩(wěn)定碎石基層反射裂縫的產生原因及相應防范措施在非洲道路工程的運用

吳定國 趙啟鈞

【摘 要】對于一般等級道路，大多數(shù)國家會將水泥穩(wěn)定材料半剛性基層作為路面基層主要結構，其有剛度及強度較高、水穩(wěn)性較好、平整度好、抗沖刷及抗車轍能力強等優(yōu)點。同時，作為半剛性基層，其也存在著容易出現(xiàn)裂縫的顯著缺點，反射裂縫就是其中最常見的破壞形式之一。本文結合非洲某公路改擴建工程的施工實際情況及實驗數(shù)據(jù)，對反射裂縫產生的原因進行分析，探究反射裂縫對路面結構的影響，并從裂縫產生的原因出發(fā)，提出幾點裂縫控制措施及改善措施。

概述

某公路工程位于某非洲國家中部省份，整個項目標段位于丘陵地帶，地勢起伏大，多紅壤。該標段采用水泥穩(wěn)定碎石基層設計，基層厚度20cm，水泥設計用量3%～5%，實際施工用量3%。混合料級配符合規(guī)范要求，塑性指數(shù)為3%～5%，采用廠拌法、攤鋪機單幅攤鋪、壓路機碾壓、提漿、最后養(yǎng)生的施工工藝。面層方案采用5cm厚AC-13細粒式瀝青混凝土。面層施工完成后2個月內陸續(xù)發(fā)現(xiàn)零星分布出現(xiàn)橫向裂縫的區(qū)域，區(qū)域分布無明顯規(guī)律，裂縫縫寬1～3mm左右，長度不超過半幅，單區(qū)域內裂縫較密，持續(xù)監(jiān)測一段時間后裂縫無繼續(xù)發(fā)展趨勢。經系列試驗后，判斷裂縫性質為水穩(wěn)碎石基層反射裂縫，項目部隨后對部分裂縫進行一定修補措施。

本文通過選取上述非洲地區(qū)工程案例作為實例，對水泥穩(wěn)定碎石基層反射裂縫的產生原因及造成的影響進行初步分析。通過實驗結果，發(fā)現(xiàn)裂縫出現(xiàn)初期對路面結構并不會帶來過大的負面影響，但由于其他負面效應影響，如果放任反射裂縫發(fā)展，將會對面層及基層造成結構性影響，大幅降低路基承載力，縮短使用壽命。在一定程度上限制了水泥穩(wěn)定半剛性基層結構的推廣及應用。因此探究反射裂縫的控制技術，并尋求有效的面層改善措施，對實際施工質量保障、推廣水穩(wěn)碎石基層應用有較積極意義。

1水泥穩(wěn)定碎石基層反射裂縫的形成過程

1.1 主要開裂原理

根據(jù)大量的實驗研究及調研，目前業(yè)界普遍認為水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫一般來源于干縮及溫縮兩大原因。

其中，干縮性裂縫主要產生于水泥穩(wěn)定碎石壓實成型的早期，經實驗測試，水泥穩(wěn)定碎石試件的干縮應變基本在壓式成型的一個月之內就會達到峰值。由于水泥穩(wěn)定碎石基層在混合料拌和、養(yǎng)護及使用等過程中的水分蒸發(fā)及水泥水化作用，引發(fā)了混合料體積一定程度上的收縮，進而出現(xiàn)了超出混合料承受范圍的彎曲拉伸應力。在上述過程中，水泥的水化熱會加速混合料中水分蒸發(fā)的過程，隨著混合料中自由水逐漸蒸發(fā)減少，空隙和毛細管孔中的水不斷散失，在毛細管張力作用下使得管孔徑變細，引起基層混合料體積在一定程度趨于減小而收縮，也就是說，無論是水泥水化亦或是水分蒸發(fā)過程本身，都會導致已膠結的混合料的體積減少，而壓實成型早期的水泥穩(wěn)定碎石混合料并不支持其自身收縮彎曲時的拉應力，因此在水泥穩(wěn)定碎石基層的截面中出現(xiàn)了裂縫。

相較之下，溫縮性裂縫的形成原理更為直接，即水泥穩(wěn)定碎石基層混合料本身及其內部各礦物顆粒組成的固相、液相及氣相體產生熱脹冷縮從而引發(fā)裂縫。基層混合料孔隙中充盈著自由水、毛細水、結晶水與氣體，故顆粒間的間距將受液體及氣體由于熱脹冷縮帶來的影響。環(huán)境溫度高時，顆粒間的間距由于氣體與液體的擴張力增大，基層將產生內拱;環(huán)境溫度低時，顆粒間結構應力由于氣體與液體體積收縮而減小，超過臨界值時便會產生裂縫。

本案例公路工程位于非洲南部國家，項目所處地段屬熱帶草原氣候，每年干濕兩季分明，氣候溫和，年平均降雨量1180mm，日平均氣溫在24至29攝氏度之間。根據(jù)項目部記錄，項目地段內全年氣溫基本無太大變化，工期內記錄日間最高溫度為32攝氏度，日間最低溫度為27.8攝氏度，晝夜最大溫差為6.1攝氏度。因此考慮由于溫縮而產生的裂縫是有限的，建議同類型項目將反射裂縫產生的原因更多聚焦于干縮性裂縫上。

項目水泥穩(wěn)定碎石基層施工時間為當年7月至12月，該時間段屬干季末至雨季中期，氣溫無大幅度變化，但自然天氣經歷較大變動，由晴至雨，月平均降雨量由7月的16mm，一路攀升至11月的182mm。在非洲國家特征顯著的強烈日間紫外線，加上基層施工過程中為了增加基層壓實度與抗水性而采用的灑水提漿工藝的復雜作用下，水泥穩(wěn)定碎石基層混合料經歷了從干燥到飽水狀態(tài)、從飽水狀態(tài)到干燥、再從干燥到飽水狀態(tài)的循環(huán)過程，在過程中混合料中的水分也在經歷反復的蒸發(fā)到補充、再到蒸發(fā)、再被補充的狀態(tài)，如此循環(huán)往復后，加速了水泥的水化過程，水泥的水化及混合料中水蒸發(fā)的過程都在使水泥碎石混合料產生收縮彎曲，反復的收縮彎曲必然會使壓實成型早期的水穩(wěn)基層產生嚴重的拉裂現(xiàn)象，最嚴重的地方則演變?yōu)榱芽p。

1.2 影響開裂的因素

從水泥穩(wěn)定碎石基層的主要開裂機理出發(fā)，得知影響水穩(wěn)基層裂縫產生的因素即為影響基層混合料干縮程度和溫縮程度的因素，歸結起來主要有以下幾個方面：

1.2.1 水泥穩(wěn)定碎石的級配

通過大量實驗研究探尋水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的級配對干縮變形特性的影響，可得知在失水率相同的情況下，偏細級配混合料的干縮應變與平均干縮系數(shù)較偏粗級配的更大，但當其他條件相同時，由于偏粗級配混合料的孔隙率相對較大，加速了水分蒸發(fā)的速度，偏粗級配混合料的保水率實際要差于偏細級配[1]。實際運用中應結合不同級配方案集料的抗干縮應變能力與保水能力綜合考慮，選取最優(yōu)方案。

1.2.2 水泥穩(wěn)定碎石混合料的水泥劑量

水穩(wěn)基層成型過程中，水化反應強烈，而混合料中結合水的蒸發(fā)，將加快水泥水化反應，加劇混合料膠結產物的收縮。在一定范圍內，水泥劑量越大，成型的水穩(wěn)基層的強度及剛性就越大，但成型過程中水化反應就越強烈，引起混合料的干縮應變增大，從而導致基層開裂。

1.2.3 施工工藝及養(yǎng)護工藝

主要表現(xiàn)為施工工藝及養(yǎng)護過程中對水穩(wěn)基層失水程度的控制。水穩(wěn)基層壓實成型后，若上部表面失水過多，將會造成基層表面干縮性裂縫，嚴重時將波及基層內部結構。同時水穩(wěn)基層完成養(yǎng)生后是否鋪設封層也會影響干縮性裂縫的出現(xiàn)。

1.2.4 含水量

基層混合料拌和過程中用水量的不精確，導致每一鍋混合料水灰比不一致，混合料存在性能上的不穩(wěn)定，將導致基層強度存在差異，增大裂縫產生的機率。此外，水泥穩(wěn)定碎石基層施工過程中由于運輸、攤鋪、碾壓等工序的質量、工效等的偏差，加上在高溫作用下，集料含水量更難保持在最佳含水量附近，混合料過早地失水是導致開裂的主要原因之一。

2裂縫造成的病害

本案例公路工程在發(fā)現(xiàn)路面出現(xiàn)反射裂縫后，立即進行路面調查及測試，在研究裂縫成因的同時，也重點關注反射裂縫對整個公路質量帶來的影響，尋求恰當?shù)奶幚泶胧?。為量化反射裂縫對路面結構及質量帶來的影響，項目部進行了彎沉測試、DCP（動力錐貫入儀）測試等道路載重能力測試。

為適應當?shù)氐缆饭こ趟捎脴藴?，彎沉測試中項目部主要采用落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，簡稱FWD）測定路面的動態(tài)彎沉，其測試精度遠高于貝克曼梁法，且兩種方法存在著良好的相關性。測試結果顯示，95%以上路段的最大彎沉值（D1）低于參考值，參考值依據(jù)質量最優(yōu)路段反向分析獲得的結果定義，僅在終點路段3至4公里的路段中取得了偏高的最大彎沉值，并證實了在各路段均看到了基層的膠結作用。需要注意的是，在最受關注的出現(xiàn)反射裂縫的段落，其測得的最大彎沉值并未高于平均水平。

DCP測試按照每1000m的間隔在該公路上進行，該測試主要是為確定標準桿的穿透深度與貫入數(shù)之間的聯(lián)系，結果用DN（毫米/貫入數(shù)）表示。DN是通過測量標準桿在用錘擊五次后達到的深度來確定的，直到達到測試區(qū)域的最大深度或不可穿透的深度。測試結果顯示，90%以上路段的初試貫入DN值在2.5以下，并隨著貫入次數(shù)的增加而遞減，最終DN值趨于1以下，最終因水穩(wěn)基層的膠結而難以推進繼續(xù)貫入。

在 DCP 測試中獲得的 DN 值與幾個巖土工程參數(shù)息息相關。CBR指數(shù)是其中比較重要的用于研究構成道路路基的材料的參數(shù)，對研究公路支撐能力有重要意義，下列公式顯示了 CBR 與DN之間的關系[2]，該方程適用于除塑性粘性土之外的所有土壤。

CBR=292*（DN-1.12）

結果已測得的DN值轉換后的CBR指數(shù)顯示，92.3%以上路段原位CBR代表值均在95%以上，且所有測試點位CBR數(shù)值均高于設計要求（80%）。DCP測試證實該道路90%以上的水穩(wěn)基層存在膠結，且經對比，DN值較高的點位與裂縫出現(xiàn)的區(qū)域并不存在吻合的關系。

盡管目前的實驗證明路面的結構及強度暫時不受水穩(wěn)基層反射裂縫的影響，但如果出現(xiàn)的裂縫不及時處理，裂縫內會滲透進入雨水導致自由水充滿基層裂縫縫隙和瀝青混凝土面層中，在車輛荷載的反復作用下瀝青面層會被剝離，路面會變得碎裂、松散，同時基層的細集料形成泥漿被擠出路面，造成瀝青混凝土路面破損，將對工程的質量、形象帶來極為嚴重的影響。

3反射裂縫的控制

盡管實驗證明水穩(wěn)碎石基層反射裂縫并不會對道路工程的強度及結構帶來直接的影響，但反射裂縫的產生對瀝青路面的視覺效果帶來的直接破壞，加之若處置不當其后續(xù)對路面結構帶來的種種隱患，因此降低反射裂縫的影響，使其減少或不發(fā)生，對確保路面使用功能及延長使用壽命有重要意義。對應水穩(wěn)基層開裂的幾點因素，總結了以下幾點控制措施。

3.1 嚴控集料級配

水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮特性，受其混合料的級配類型及其細集料的相對含量的重要影響，綜合不同級配方案集料的抗干縮應變能力與保水能力的考慮，應優(yōu)先選取骨架密實型級配方案，同時為提高抗干縮應變能力，建議適當對細集料的含量進行降低。

3.2嚴格控制水泥劑量

根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)及設計指導，水穩(wěn)碎石基層的水泥劑量在4%至6%時強度基本符合要求，且相對收縮量最小。此外，在滿足上述劑量范圍的情況下，還應控制基層強度，在下限滿足設計要求的情況下，其強度上限以不高于4Mpa為佳，一次控制基層回彈模量與面層剛度相匹配，否則即使基層未產生裂縫，面層也會由于與基層的剛度差別過大，自身產生過大拉應力而導致的開裂破壞。

3.3 尋求合適的施工工藝及養(yǎng)生措施

為使水穩(wěn)基層混合料趨于均勻，減少路面不同部位混合料性能上的不穩(wěn)定，建議采用一次攤鋪成型的施工方案，以此減少二次攤鋪施工過程中運輸、攤鋪和振搗壓實而導致的偏差。此外，應注意混合料在拌和過程中由于裝料失誤而導致的骨料不均勻現(xiàn)象。

水穩(wěn)基層攤鋪壓實成型后，應及時灑水進行養(yǎng)生，在非洲國家進行的公路工程要特別注意這點，從而避免在高強度太陽直射下導致的高溫、干燥造成基層混合料中水分過早蒸發(fā)而出現(xiàn)收縮應力的情況。若工程所在地區(qū)氣溫過高，灑水量掌握不好，灑水養(yǎng)生也有可能造成混合料干濕交替過于頻繁、養(yǎng)生過程不連續(xù)，反而造成反效果，使裂縫出現(xiàn)的時間提前。更好的辦法是通過撒布透層油進行養(yǎng)生，在基層碾壓成型后且尚未初凝之前，通過撒布乳化瀝青將基層內部水分鎖住，既可以起到養(yǎng)生作用、防止混合料早期收縮裂縫進一步擴展，又有效增強基層和面層間的粘結。

3.4 嚴格控制混合料含水量，減少水分散失

含水量與基層裂縫的產生息息相關，對基層強度的控制也起到重要作用，從水泥穩(wěn)定碎石基層的強度形成原理入手，可以看到其強度的形成就是由骨料與水泥經過水泥水化作用后膠結形成的、具備高強度與高承載力的硬化結構。由于水穩(wěn)基層混合料在拌和、運輸、攤鋪、碾壓等工序過程中水分將通過不同方式流失，因此建議在混合料拌和過程中對混合料含水量進行實時監(jiān)測，及時對拌和用水量進行調整，考慮在非洲所實施項目所在地普遍較其他地區(qū)存在干燥、高溫、紫外線強度大等特點，應保證出料時含水量較最佳含水量大，以保證在后續(xù)運輸、攤鋪及碾壓等過程中達到最優(yōu)壓實效果，保證壓實度并預防早期裂縫的產生。

4反射裂縫改善措施

盡管大多數(shù)情況下，施工過程中可以通過做好原材料控制、選擇合理施工工藝、養(yǎng)護到位等方式來預防水泥穩(wěn)定碎石基層的開裂，但在部分干濕差別或溫差較大的地區(qū)，水穩(wěn)基層出現(xiàn)裂縫是普遍且較難預防的。為此提出幾種水穩(wěn)基層裂縫的處理方法建議。

4.1 鋪設面層前出現(xiàn)裂縫的處理

若水穩(wěn)基層裂縫由于養(yǎng)護不及時等原因出現(xiàn)較早，于面層鋪設之前發(fā)現(xiàn)，項目部可采用在裂縫處加鋪玻璃纖維格柵的方式防止裂縫發(fā)展。

在鋪設玻璃格柵前，將出現(xiàn)裂縫處基層進行徹底清潔，保證無水漬、砂石、淤泥等雜質影響玻璃格柵與基層的結合，并順著裂縫位置開鑿出適合嵌入格柵位置的凹槽。在凹槽中灌入對應的石油熱瀝青，按照南部非洲公路和橋梁規(guī)范（SATCC）第4907章第iii條，可對不寬于3mm的裂縫灌注乳化瀝青。待熱瀝青凝結，方可鋪設玻璃格柵。通過加鋪玻璃纖維格柵，可有效阻止水穩(wěn)基層裂縫進一步發(fā)展，有效預防鋪設瀝青面層后反射裂縫的出現(xiàn)。

4.2 鋪設面層后出現(xiàn)反射裂縫的處理

如因種種原因，項目在鋪設瀝青混凝土面層過程中或完成面層鋪設后，于瀝青路面中發(fā)現(xiàn)反射裂縫，首先應做好準確的監(jiān)測，確認基層裂縫無繼續(xù)發(fā)展趨勢。其次必須采取措施對裂縫進行有效封閉，在使裂縫保持密封時，可考慮使用瀝青復原劑CAP-70。再次強調必須確保裂縫保持封閉，否則將導致路面上的水滲漏，出現(xiàn)第2節(jié)中所提到的嚴重后果。

在做好裂縫檢測并保證已對基層裂縫做好有效封閉的情況下，可繼續(xù)考慮使用若干種封層措施對瀝青路面進行養(yǎng)護及修復，目前在非洲各國所實施項目中，下述幾種方式較為常用，其有效性也通過大量實踐得到驗證：

●開普封層（Cape Seal，AASHTO M20 e DNIT 035/2018）

●雙層石屑封層（Double Chip Seal）或雙層表面處治（AASHTO M226 and DNIT 147/2012）

●霧封層（Fog Seal）

●稀漿封層（Slurry Seal，ASTM D3910-15）

上述若干種方案原理基本要點都在于合理利用改性乳化瀝青、道路處治劑等乳劑型或油劑型材料，運用材料較大的流動性，滲入到骨料孔隙及裂縫中，利用其較強的粘附性及密封性，使瀝青路面恢復粘附力，同時填補裂縫與孔隙，防止路表自由水繼續(xù)下滲，提升瀝青路面防水能力及抗老化能力，避免由水浸、動水沖刷等造成的面層剝落、唧漿、坑槽等病害，達到保護路面結構、延長使用壽命的目的。

上述幾種方案既可以進行對道路工程的常規(guī)養(yǎng)護，也可以對出現(xiàn)反射裂縫的路段進行修復，在非洲國家所實施工程中有較多成功案例。受高溫天氣、干濕交替等顯著氣候特征影響，部分非洲地區(qū)采用水泥穩(wěn)定半剛性基層方案的項目較容易出現(xiàn)反射裂縫，加上貨車運輸仍是目前非洲大陸普遍的貨運方式，各主干道在貨車重載下更加速了裂縫的產生。使用開普封層等封層修復方案，可在短時間內對裂縫完成灌縫封閉，對未開裂之處加強閉水效果、提前預防，其次能夠起到翻新路面、恢復其原有整潔的亞光黑色外觀效果，對裂縫引發(fā)的不良外觀直接覆蓋，提升項目整體形象。其優(yōu)異性能、持久耐用性與較高的經濟性獲得了眾多業(yè)主及承包商的認可。

5結論

本文所舉案例項目采用水泥穩(wěn)定碎石基層作為項目基層形式，其憑借著一系列優(yōu)點，目前非洲國家道路工程中應用廣泛，但同時反射裂縫作為該種基層結構形式的一種通病，一定程度上限制了該種基層形式的運用。本文通過實際工程經驗整理出反射裂縫初期形成的各影響因素，為合理提出減少水泥穩(wěn)定材料基層反射裂縫相應措施提供依據(jù)，并給出一定的修補措施建議，希望對水泥穩(wěn)定碎石基層結構的推廣應用帶來一定幫助。

參考文獻：

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