半剛性基層裂縫成因分析及防治措施

摘要：半剛性基層作為瀝青路面結構的主要承重層，在目前高速公路及高等級路面中普遍應用。而半剛性基層的裂縫成為瀝青路面早期破壞的主要原因，因此分析半剛性基層開裂原因及尋求有效防治措施十分必要。

關鍵詞：半剛性基層 收縮裂縫 成因分析 防治措施

半剛性基層具有結構強度高、穩定性好、剛度大、荷載分布均勻、水穩性可靠及施工成本低等優點，因此，廣泛用于修建高等級路面的基層。但半剛性基層瀝青路面最大的缺陷之一，是隨溫度和濕度的變化容易產生收縮裂縫，然后自基層向上擴展到瀝青表面形成反射裂縫。反射裂縫是由于受拉疲勞、受拉屈服與剪切屈服單獨或聯合作用的結果。在荷載作用特別是重車的反復作用下，使瀝青結構層產生拉應力超過材料的疲勞強度，底面先裂并逐漸向上擴展到路表面，當行車通過時，基層裂縫兩端之間產生豎向位移，在面層中引起面層剪切搓動和剪切疲勞破壞而導致開裂，隨著大面積的使用，人們逐漸發現半剛性基層在強度形成過程中及運營期間容易產生干縮和溫縮裂縫進而使瀝青面層過早開裂，并引起路面早期破壞。

1 實例分析

某路面工程，水穩碎石基層設計厚度20cm，設計強度3.0MPa（7d無側限抗壓強度），水泥計量4.0%，攤鋪機攤鋪，重型振動壓路機+大噸位膠輪壓路機組合碾壓。當天施工溫度為16～20℃，采用薄膜養生；一周后施工透層和改性乳化瀝青稀漿封層，封層厚5mm，做滲水試驗，滿足規范要求；二周后溫度下降10℃，低溫天氣持續一個星期。裂縫調查：1道/30米（封層施工前），1道/20米（封層施工兩周后），所有裂縫均為橫向裂縫。相關參數如下表：

■

上述實例表明：水穩碎石基層在施工后一周內已出現了收縮裂縫，主要表現形式是基層頂面出現規則的橫向裂縫；封層施工后，隨著氣溫驟降，裂縫數量增多，并繼續發展，已反射到封層上。

2 半剛性基層裂縫成因機理分析

半剛性基層形成裂縫的直接原因是：材料收縮產生收縮應力，當收縮應力大于材料的抗拉強度時出現裂縫。主要表現為兩個方面：①半剛性基層鋪筑后，由于其材料固有的干燥收縮性，在強度形成過程中，隨著混合料中的水分的減少而產生干縮和干縮應力。干縮應力的大小與水分損失的多少快慢成正比。在初期，由于基層混合料的抗拉強度還不大，如若養生不利，就會在較短的時間內形成較大的干縮應力，所以此時很容易引起開裂，初期裂縫一般較細；在強度形成后及運營過程中，隨著水分的繼續減少，干縮應力增大，加上運營時產生的附加應力，裂縫會繼續發展，增長增寬直至完全斷開。②任何材料都存在溫度收縮的性能，半剛性基層材料也是如此。基層鋪筑后，如未采取很好的保溫措施，或遇到大幅降溫天氣，如上述工程實例所述，基層材料中的拉應力和拉應變會急劇增大。當拉應力或拉應變增大到超過材料本身所能承受的極限值時，就會產生裂縫。通常，基層材料所受的橫向約束大大小于縱向約束，因此較容易產生橫向裂縫。

2.1 干縮特性及影響因素 半剛性基層材料在碾壓成型后，由于其內部的水化作用和蒸發損失，水分減少，引起體積變化到一定程度產生裂縫。其干縮性主要影響因素有：含水量、水泥劑量、細料中土的含量及塑性指數和集料的失水率。

①含水量對半剛性基層材料的干縮應變明顯，含水量越大，失水后引起的體積變化越大，干縮應變也越大。②水泥劑量越大，水化反應所需水量越大，引起的干縮變形也越大，對于級配較細型材料的影響尤為明顯。③水泥穩定粒料的干縮應變小于水泥穩定土的干縮應變，水泥穩定粒料中土的含量越大干縮應變越大。④塑性指數越大，吸水性越強，失水后引起的變形越大，即干縮應變越大。⑤失水率越大，水分損失越快，定期內失水量也越大，越早產生干縮應變。

2.2 溫縮特性及影響因素 任何材料都有溫縮的性能，半剛性材料組成中的集料（固相）、水（液相）、空隙中的氣體（氣相）在溫度降低時，發生不同程度的收縮變形，從而相互作用，使混合料發生溫縮。溫縮系數從大到小依次為氣相、液相、固相。其中固相（礦物集料）中，粉粒以下的顆粒溫縮性較大。因此溫縮性主要影響因素有：含水量、水泥劑量、集料中土的含量、環境因素等。

3 防治措施

基于半剛性基層材料自身的特性，裂縫的出現難以完全避免。但針對基層裂縫形成機理，可采取以下措施減少裂縫生成的幾率。

3.1 控制好水泥質量及用量 宜采用緩凝型強度等級較低的水泥，水泥各齡期強度、穩定性應符合相應指標要求。水泥劑量的多少與水泥穩定材料的強度、彈性模量、干縮系數和溫縮系數大小有直接關系。隨著強度和彈性模量的增加，收縮系數也隨之增加，因此在滿足要求的情況下，盡可能的采用較低的水泥劑量，以減少混合料的收縮性。

3.2 控制好細集料用量及集料中土的含量 細集料特別是顆粒在0.075mm以下的有較大的收縮系數，比表面積大，遇水膨脹，失水后干縮變形大，因而半剛性基層材料中細集料含量越多，其內部空隙就越多，從而在水作用下其收縮也就越大；集料中含土量越大，塑性指數越高，材料抗收縮性能就越差。所以要嚴格控制細集料用量及其土的含量。

3.3 拌和要均勻，攤鋪要及時 為避免粗細集料集中或局部水泥劑量過大而產生收縮裂縫，必須采用集中廠拌法，并采取電子控制計量裝置，以保證拌和的均勻性和計量的準確性。對拌和對的水穩混和料應盡快運到施工現場，運到現場的混合料要及時攤鋪，避免混合料的水分過多蒸發而產生干縮裂縫，為消除攤鋪過程中發生粗集料集中的現象，保證水穩基層的平整度，施工時應采用大型攤鋪機攤鋪。

3.4 嚴格控制含水量 為滿足混合料的壓實要求和混合料中水泥水化作用，混合料中必須有足夠的水分，這樣水穩基層才能達到設計強度，但含水量過大易產生車轍、彈簧、平整度降低，增大混合料的干縮性，易產生裂縫。含水量小，不易壓實，且影響水泥的水化反應，混合料易松散，不易碾壓成型，從而影響強度的形成，因此，水穩基層混合料的含水量必須通過試驗來確定，并根據氣溫調節含水量，含水量控制不宜超過最佳含水量的1%。

3.5 做好配合比設計 在各項指標都滿足要求的條件下，盡可能采用偏粗的級配，較低的水泥含量。

3.6 控制好碾壓工藝 混合料攤鋪成型后，應該進行碾壓，碾壓段的長度要根據天氣情況進行確定，如果氣溫比較高，水分蒸發快，就縮短碾壓段長度，反之，可適當延長碾壓段長度，防止混合料表面干燥而產生裂縫。碾壓最好在水泥初凝前完成，碾壓的壓實度越高，混合料固相體積越大，體積收縮越小，抵抗收縮的能力越強，但過振碾壓容易造成水穩基層表面水泥漿產生收縮裂縫，為此，在施工前應鋪試驗段確定出最佳碾壓遍數，堅決避免過振碾壓。基層壓實度不足，混合料的干縮應變就越大。水穩混合料的壓實需要干柔并濟，既要有振動壓路機的垂直振動壓實，又要有膠輪壓路機的揉搓壓實，以便于骨架結構及板體結構強度的形成。在含水量較低的情況下，過多的采用振動壓路機進行強震碾壓，易產生微裂縫。

3.7 養生保溫措施 水穩基層碾壓完成后，即刻開始進行養生。養生要在混合料上覆蓋草簾子，使混合料保持潮濕狀態，養生時間不應小于7d，每天灑水不少于3遍，以免水穩基層因曝曬開裂，如果養生期水分充足，則各種水化反應和結晶作用越充分，強度越高，變形也越小，同時也可減少收縮裂縫的產生。此外，水穩基層施工完畢，不宜長期暴曬，應早日進行面層施工，這是防止水穩基層產生裂縫不可忽略的因素。7天養生期間，要使基層表面保持濕潤，以減小混合料因失水而干縮的幾率。早期強度形成后，應立即進行下封層或面層施工，以起到封水和保溫作用，減少溫縮的機率。

3.8 添加外加劑 必要時可添加外加劑來減少裂縫生成的機率。①參入一定量的早強劑，可使混合料在彎拉模量變化不大的情況下，提高早期強度，從而提高早期抗拉裂的能力。②采用收縮補償措施，摻加適量膨脹劑，以減小混合料因溫縮和干縮帶來的體積變化。

4 結語

半剛性基層材料的開裂主要由干燥收縮和溫度收縮產生，因此采取措施減小這兩種收縮是防治半剛性基層開裂的根本。做好配合比設計、控制好細集料用量和土的含量、采用較小的水泥劑量、做好施工過程控制及后期養生保溫措施，是減少半剛性基層開裂的一系列行之有效的辦法。

參考文獻:

[1]公路路面基層施工技術規范.JTJ034—2000.

[2]公路瀝青路面施工技術規范.JTG F40-200.4

[3]史俊林.淺談市政工程中水泥穩定碎石的應用.【J】價值工程2010-01-08.