水泥穩(wěn)定碎石層膨脹性及路面拱起防治措施研究

摘 要：針對(duì)某道路水泥穩(wěn)定碎石層基層膨脹變形引發(fā)瀝青路面拱起開(kāi)裂的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了基于溫度變化的水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性試驗(yàn)，結(jié)果說(shuō)明，水泥含量、水泥級(jí)配和養(yǎng)護(hù)時(shí)間都會(huì)顯著影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的膨脹性?；旌狭蠈?duì)溫度變化敏感，當(dāng)溫度為40℃～50℃時(shí)，其區(qū)段膨脹變形量和區(qū)段膨脹系數(shù)均達(dá)到最大值。因此研究提出在溫度適宜的春秋季節(jié)施工，并采取脹縫和柔性基層等防治措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)調(diào)研證明了這些方法的有效性。

關(guān)鍵詞：路面拱起開(kāi)裂；水泥穩(wěn)定碎石混合物；膨脹變形

中圖分類號(hào)：U 41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

公路在長(zhǎng)期受到車輛荷載和外界環(huán)境等因素的作用下，常出現(xiàn)拱起和開(kāi)裂等病害[1]。其中，半剛性基層拱起開(kāi)裂是導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)上述病害的主要原因[2]?；诖?，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究，譚晶晶等[3]針對(duì)新疆地區(qū)特殊的大溫差環(huán)境及交通條件，利用有限元軟件深入分析了半剛性基層開(kāi)裂工況、超載工況及極端低溫工況下，瀝青路面的裂縫發(fā)展趨勢(shì)及力學(xué)響應(yīng)能力。楊美坤等[4]采用ABAQUS軟件建立不同形態(tài)半剛性基層反射裂縫的瀝青路面三維模型，深入研究了不同荷載作用下，路面的承載力響應(yīng)特性，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真計(jì)算的有效性。房娜仁等[5-6]以水泥穩(wěn)定碎石層為研究對(duì)象，通過(guò)一系列試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并提出相應(yīng)的反射裂縫防治對(duì)策和瀝青路面疲勞壽命預(yù)估方法。山東地區(qū)某一級(jí)道路存在明顯的拱起開(kāi)裂病害，且面層修復(fù)處理始終無(wú)法徹底解決問(wèn)題。本研究結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，判斷病害原因是水泥穩(wěn)定碎石層受環(huán)境溫度影響，產(chǎn)生膨脹變形所致?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了基于溫度變化的水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性試驗(yàn)，并提出了相應(yīng)的防治措施。

1 工程概況

本文基于山東某一級(jí)道路，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研可知，該道路所在區(qū)域夏季溫度較高，路面最高溫度可達(dá)到80℃，使結(jié)構(gòu)層受到較大的溫度應(yīng)力作用，導(dǎo)致水泥碎石基層在高溫下產(chǎn)生較大的膨脹變形，形成傾斜裂縫。持續(xù)的高溫作用使基層不斷膨脹，最終導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)拱起和開(kāi)裂現(xiàn)象。

2 水泥穩(wěn)定碎石層膨脹性研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于道路工程的水泥穩(wěn)定碎石混合料原材料包括粗集料、細(xì)集料、P?C 32.5號(hào)水泥以及普通自來(lái)水。根據(jù)相關(guān)要求對(duì)上述原材料進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，粗集料的壓碎值為15%、針片狀顆粒含量為13.2%、0.075mm以下粉塵含量為0.6%、軟石含量為2.5%。細(xì)集料塑性指數(shù)為11.2%、有機(jī)質(zhì)含量為1.1%、硫酸鹽含量為0.10%。水泥的初凝時(shí)間為3.5h，終凝時(shí)間為7h。所有原材料技術(shù)指標(biāo)均符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求。

選用上述材料配置水泥穩(wěn)定碎石混合料，通過(guò)控制變量法研究水泥含量、水泥級(jí)配、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素對(duì)混合料膨脹性的影響。

根據(jù)實(shí)際情況可知，該一級(jí)道路路面最高溫度為80℃，此時(shí)水泥穩(wěn)定碎石層的溫度約為58℃，而在施工過(guò)程中，其溫度約為10℃?；诖?，設(shè)定溫縮試驗(yàn)的溫度，如圖1所示。

2.2 水泥含量

為研究水泥含量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥級(jí)配為C-B-3、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d的前提下，分別對(duì)水泥含量為4.0%、4.5%、5.0%和5.5%工況進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)。

通過(guò)計(jì)算得到不同水泥含量工況下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數(shù)，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，隨著水泥含量增加，混合料的總膨脹變形量、膨脹系數(shù)均隨之增加。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是隨著水泥含量增加，粗細(xì)集料之間的膠結(jié)能力會(huì)增強(qiáng)，從而形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，使集料在內(nèi)部自由移動(dòng)的可能性變小。而隨著溫度升高，部分集料對(duì)某個(gè)方向產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)整個(gè)骨架移動(dòng)，水泥含量越高，骨架移動(dòng)越明顯，混合料的總膨脹變形量和膨脹系數(shù)也就越大。因此，為減少該區(qū)域路面膨脹帶來(lái)的病害威脅，應(yīng)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，將水泥含量控制在較小的范圍內(nèi)。

不同水泥含量的混合料在不同溫度區(qū)段時(shí)的膨脹變形量如圖3所示。由圖可知，在不同的溫度區(qū)段內(nèi)，混合料的膨脹變形量并不完全相同。在前4個(gè)區(qū)段內(nèi)，區(qū)段膨脹變形量均隨著溫度升高而增加，當(dāng)溫度為40℃～50℃時(shí)，區(qū)段膨脹變形量最大，而當(dāng)溫度升至50℃～60℃時(shí)，區(qū)段膨脹變形量反而有所減少。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是前期溫度相對(duì)較低，混合料內(nèi)部溫度應(yīng)力相對(duì)較小，受到內(nèi)力約束作用，其膨脹變形量不明顯。而后續(xù)隨著溫度不斷升高，溫度應(yīng)力不斷增加，其膨脹變形量大幅增加。而在溫度進(jìn)一步上升后，雖然溫度應(yīng)力依舊保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是內(nèi)部約束力作用限制了混合料的膨脹變形，從而導(dǎo)致膨脹變形量減少。由此可見(jiàn)，該水泥穩(wěn)定碎石混合料對(duì)溫度變化較為敏感，其膨脹性受溫度影響較大。

2.3 水泥級(jí)配的影響

為研究水泥級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥含量為4.5%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d不變的前提下，分別對(duì)水泥級(jí)配為C-B-1、C-B-2、C-B-3以及OGFC工況進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)。其中，C-B-1型屬于懸浮密實(shí)型，最大粒徑為19.0mm，C-B-2型屬于懸浮密實(shí)型，最大粒徑為16.0mm，C-B-3型屬于密實(shí)型，最大粒徑為26.5mm，OGFC型為常用瀝青級(jí)配，屬于空隙型，最大粒徑為16.0mm。

通過(guò)分析計(jì)算，得到不同水泥級(jí)配工況下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數(shù)，如圖4所示。由圖4可知，不同級(jí)配的混合料膨脹性差別較大，在4種級(jí)配中，C-B-2型混合料總膨脹量和膨脹系數(shù)最大，其次為C-B-1型混合料，而C-B-3型混合料最小。因此在實(shí)際工程中，為減少水泥穩(wěn)定碎石層的膨脹變形，建議使用C-B-3型混合料。不同水泥級(jí)配的混合料在不同溫度區(qū)段的膨脹變形量與上文類似。在前4個(gè)區(qū)段內(nèi)，混合料區(qū)段膨脹變形量隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度為40℃～50℃時(shí)，區(qū)段膨脹變形量最大，當(dāng)溫度升至50℃～60℃時(shí)，區(qū)段膨脹變形量反而有所減少。

2.4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響

為研究水泥含量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥含量為4.5%、水泥級(jí)配為C-B-3的前提下，分別對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d、28d和90d工況進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)。

通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間工況下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，混合料的總膨脹變形量、膨脹系數(shù)均隨之增加。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，混合料中水泥和水相互作用越充分，混合料集料間的膠結(jié)能力越強(qiáng)。而當(dāng)混合料集料間的膠結(jié)能力增強(qiáng)后，其在溫度變化作用下的膨脹變形趨勢(shì)與高水泥含量時(shí)的變化類似。此外，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28d時(shí)的膨脹系數(shù)為1.77×10-5，養(yǎng)護(hù)時(shí)間90d時(shí)的膨脹系數(shù)為1.87×10-5，兩者差值較小，由此可見(jiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，水泥與水不斷進(jìn)行相互作用，直至完全水泥水化后，繼續(xù)增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間也不會(huì)使混合料膨脹性提高。而不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混合料在不同溫度區(qū)段時(shí)的膨脹變形量與上文類似，當(dāng)溫度為40℃～50℃時(shí)，混合料區(qū)段膨脹變形量最大。

2.5 溫縮性分析

以水泥含量為4.5%、水泥級(jí)配為C-B-3、養(yǎng)護(hù)時(shí)間7d的混合料為例，對(duì)比分析水泥穩(wěn)定碎石混合料的膨脹性和溫縮性，試驗(yàn)時(shí)的混合料變形隨溫度的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，混合料就會(huì)產(chǎn)生明顯變形，即水泥穩(wěn)定碎石混合料對(duì)溫度變化十分敏感。當(dāng)溫度區(qū)段相同時(shí)，溫度降低導(dǎo)致的混合料收縮變形，比溫度升高導(dǎo)致的膨脹變形更為明顯。而當(dāng)時(shí)間為14.5h～15h，試驗(yàn)溫度從60℃降至50℃時(shí)，混合料變形先突增，后迅速減少。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是溫度突然降低，導(dǎo)致混合料產(chǎn)生了較大的疲勞損傷。

3 防治措施和處治效果

3.1 防治措施

水泥穩(wěn)定碎石混合料屬于溫度敏感型材料，其膨脹和收縮變形受溫度影響較大。因此，應(yīng)選擇在春秋季節(jié)進(jìn)行施工，盡量避開(kāi)夏季和冬季，避免因溫差過(guò)大導(dǎo)致路面拱起和開(kāi)裂。

設(shè)置脹縫是預(yù)防水泥穩(wěn)定碎石層拱起開(kāi)裂的常用手段。結(jié)合區(qū)域氣候條件及實(shí)際工程情況，為預(yù)防水泥穩(wěn)定碎石層開(kāi)裂，每隔150m設(shè)置一條脹縫是合理的。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和施工難度，建議工程采用土工格柵式脹縫。

為減少水泥穩(wěn)定碎石層拱起開(kāi)裂對(duì)瀝青路面的影響，可以在兩者之間增設(shè)一層柔性基層。柔性基層不僅可以分散內(nèi)部應(yīng)力，還可以阻礙溫度傳遞，為水泥穩(wěn)定碎石層保溫，減少外界溫度變化對(duì)其的影響，避免拱起和開(kāi)裂現(xiàn)象，有效提高路面的整體穩(wěn)定性和耐久性。

3.2 處治效果

工程路面拱起開(kāi)裂現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)行車安全會(huì)造成嚴(yán)重的威脅，養(yǎng)護(hù)部門根據(jù)上述防治措施對(duì)該道路進(jìn)行處置，具體步驟如下。1）施工時(shí)間選擇：在秋季進(jìn)行道路修復(fù)施工，避免夏季和冬季極端溫度對(duì)施工質(zhì)量的影響。2）鏟除受損層：鏟除拱起和開(kāi)裂區(qū)域的瀝青面層和水泥穩(wěn)定層，清除所有受損材料，暴露出完好的基層。3）填充和設(shè)置脹縫：在水泥穩(wěn)定碎石層和瀝青面層之間填充級(jí)配碎石，提高層間的柔性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置脹縫，保證每隔150m設(shè)置一條，以此吸收溫度變化引起的應(yīng)力，防止再次拱起和開(kāi)裂。4）鋪設(shè)瀝青面層：重新鋪設(shè)瀝青面層，保證材料均勻分布，并進(jìn)行充分碾壓，保持路面的平整度和壓實(shí)度，恢復(fù)其行車性能和舒適性。

施工結(jié)束一年后，在道路路面脹縫和非脹縫處各選5個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行彎沉值檢測(cè)，脹縫測(cè)點(diǎn)的平均彎沉值為0.158mm，非脹縫測(cè)點(diǎn)的平均彎沉值為0.136mm，所有檢測(cè)結(jié)果均滿足小于0.2mm的要求。由此可見(jiàn)，上述防治方法可有效處理水泥穩(wěn)定碎石層膨脹變形引發(fā)路面拱起開(kāi)裂。

4 結(jié)論

針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石層基層膨脹變形引發(fā)瀝青路面拱起開(kāi)裂的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的基于溫度變化的水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性試驗(yàn)，并得到以下結(jié)論。1）水泥含量、水泥級(jí)配和養(yǎng)護(hù)時(shí)間都會(huì)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的膨脹性產(chǎn)生較大的影響。試驗(yàn)表明，水泥含量為4.5%、水泥級(jí)配為C-B-3、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7天的混合料的總膨脹變形量和膨脹系數(shù)均較小。2）水泥穩(wěn)定碎石混合料對(duì)溫度變化較為敏感。在10℃～20℃、20℃～30℃、30℃～40℃、40℃～50℃這4個(gè)溫度區(qū)段中，混合料區(qū)段膨脹變形量均隨著溫度升高而增加。而在50℃～60℃溫度區(qū)段，混合料區(qū)段膨脹變形有所減少。3）根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，研究提出在溫度適宜的春秋季節(jié)開(kāi)始施工和設(shè)置脹縫、柔性基層等措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)調(diào)研證明上述方法的有效性。

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