水泥穩定碎石基層抗裂的研究

曹德金

(無錫市公共工程建設中心，江蘇無錫 214031)

0 引言

目前，我國高等級公路建設中普遍采用水泥穩定類的半剛性基層。半剛性材料作為道路基層主要原因有:1)半剛性材料能滿足現代高速公路高承載力的要求;2)半剛性材料對材料的要求不高，可以就地取材，避免大量遠運優質石料;3)半剛性基層具有很大的靈活性和適應性。雖然半剛性基層材料具有明顯的優點和廣闊的使用前景，但是在道路的實際使用過程中還是出現了不少問題，主要是水損害和裂縫的出現。在交通荷載和環境的雙重作用下，半剛性路基和路面都出現了不同程度的收縮和開裂，并且由干縮和溫縮共同作用所生成的基層裂縫還會反射到路面，破壞路面整體結構。裂縫的存在不僅使車輛行駛質量下降，而且也破壞了路面結構整體性和連續性，并在一定程度上導致結構強度的削弱(如裂縫出現處彎矩增大，路面回彈模量降低等)。

抗裂嵌擠型水泥穩定碎石基層是江蘇省交通科學研究院依據寧靖鹽高速公路鹽城北段連接線現場試驗研究提出的一種新型抗裂基層，這種基層不僅繼承了傳統半剛性基層承載力高、取材方便、應用靈活的優點，同時也大大克服了半剛性基層在抗裂和抗收縮等方面的不足。

1 水泥穩定碎石基層抗裂性能研究現狀

造成水泥穩定碎石基層裂縫的原因主要有溫度收縮、干燥收縮和疲勞荷載作用。由于基層的開裂很有可能引起瀝青面層的反射裂縫從而影響公路的使用，因此抗裂性對公路設計很重要。實踐表明，即使是使用干縮性小的水泥穩定粒料鋪筑的基層，如果設計時考慮不周全，施工時處理不當或施工完成后沒有進行及時的養生，也會產生一般間距為5 m～10 m的橫向收縮裂縫。瀝青路面投入使用后，裂縫會逐漸向上擴展并通過瀝青面層出現在表面，形成反射裂縫。另外，水泥穩定類基層內部溫度變化產生的溫度應力與行車荷載應力相結合，也會使基層開裂，這種開裂也很可能引起路面的反射裂縫。因此，在進行水泥穩定碎石基層時必須考慮材料的配合比、溫度、濕度等，從一定程度上消除或減少反射裂縫。

在國外，應用半剛性基層最為廣泛的地區是南非和法國。美國和澳大利亞的學者認為，水泥穩定土干縮與結合料的類型和劑量、被穩定土的類別、粒料的含量、小于0.5 mm的細土含量和塑性指數、小于0.002 mm的粘粒含量和礦物成分、室內試件含水量和齡期等有關。為減少水泥穩定碎石基層的收縮裂縫，澳大利亞的水泥用量一般在3%以內;日本水泥穩定碎石基層混合料水泥用量一般僅為2%左右;德國冬季寒冷，水泥用量也較低，一般控制在2%～3%左右;南非是應用水泥穩定碎石基層較多的國家，其水泥用量也在較低的水平。

1.1 水泥劑量對水泥穩定碎石基層抗裂的影響

根據收縮的原因，半剛性基層材料的收縮主要可以分為兩類:干燥收縮和溫度收縮。干燥收縮就是半剛性材料內部水分損失導致材料的體積收縮現象;溫度收縮是材料在較大溫差和溫差反復作用下產生的體積收縮現象。水泥穩定類材料的干縮性能的大小與水泥含量、被穩定材料的類別、粒料含量、直徑小于0.5 mm的細顆粒含量、試件含水量以及齡期都有關系。減少干燥收縮應變的措施有:用塑性指數較低的土、摻加一定的集料和降低含水量等。

張登良等[1]研究了用不同劑量(3%～7%)水泥穩定同一種河灘砂礫，并對其進行溫縮特性的對比試驗，結果表明當水泥砂礫的含量為5%時，溫縮系數隨溫度的變化最小;當水泥砂礫的含量為4%時，溫縮系數隨溫度的變化最大。長安大學張嘎吱[2]研究了不同劑量水泥穩定土的溫度收縮效應，結果表明水泥穩定碎石混合料的抵抗收縮能力與0.075 mm以下的細集料含量有關，相同級配的水泥穩定碎石混合料當水泥含量為6%時其溫縮系數最小。叢林和郭忠印[3]分別采用 4.5%，5.0%，5.5% 的水泥劑量制作試件進行干縮系數的試驗，試驗結果表明，水泥穩定碎石基層的干縮系數受水泥劑量的影響比較大，溫縮系數在較低溫度下影響不大，隨著溫度的升高，溫縮系數增加不大，但對干縮系數的影響遠遠大于溫度收縮系數。長安大學李美江[4]通過使用自行研制加工的振動成型壓實機在室內對水泥穩定碎石進行振動壓實試驗，得出了各振動參數水泥穩定碎石振動壓實效果的影響規律及最佳壓實效果相應的振動壓實條件。王首緒、張拓[5]試驗研究了不同級配水泥穩定碎石的干縮特性和溫縮特性，其研究表明中值級配的失水率對干縮性能影響較小;不同級配水泥穩定碎石溫縮性能隨著溫度的變化有一定的變化規律;當齡期增長到一定程度時，中值級配溫縮性能最優。

一般來說，當水泥穩定類砂礫材料中水泥含量在一定范圍內，其收縮系數最小，但當水泥劑量超過6%時，干縮和溫縮系數大幅度增長。很多研究試驗表明，當水泥劑量在3%～6%時，其收縮性能沒有明顯的差異。當用粉煤灰代替部分水泥時，可以抑制半剛性材料體積的部分收縮。

1.2 集料級配對水泥穩定碎石基層抗裂的影響

半剛性基層的集料級配和含量對半剛性基層的防裂有很大的影響。

楊錫武、梁富權[6]研究了粒料對混合料強度和收縮特性的影響。混合料中如果粒料比例過大，那么施工中易出現離析現象，粒料比例太低則容易產生收縮裂縫，對水泥(石灰)粉煤灰混合料粒料來說，最佳比例范圍是70%左右。在此比例下，混合料既具有足夠強度，又具有良好的抗收縮能力，減少收縮裂縫。王哲人[7]提出了二灰碎石混合料的緊密骨架結構模型。戴經梁、蔣應軍等[8]通過大量試驗得出，骨架密實結構能顯著減小半剛性基層的收縮量，增大其抗裂系數50%左右。該種方法不會增加公路建設費用，抗裂效果顯著。不同級配對混合料的收縮性能具有較大的影響，在滿足基層強度要求的前提下，控制細集料用量可以明顯改善基層抗收縮性能[9]。周衛峰等[10]通過試驗研究了混合料配合比對水泥穩定碎石的強度和收縮性的影響。研究表明，現場經振動壓實的水泥穩定碎石混合料強度、抗裂特性與室內振動成型的混合料特性趨于一致，用振動法優化的級配配比可顯著提高半剛性基層的抗裂能力。胡力群等[11]研究了骨架孔隙水泥穩定碎石基層材料粗、細集料級配范圍，混合料各組成部分配比計算方法以及計算中所需相關參數測試方法，并試驗研究了不同配合比對水泥穩定碎石混合料的性能，研究結果表明骨架孔隙結構水泥穩定碎石在保證一定孔隙率的前提下能夠滿足目前規范對基層材料的要求。

集料的級配對水泥穩定碎石基層的抗裂有很大的影響，合適的配合比不僅易于振動壓實，而且能夠使基層具有良好的抗收縮能力，減少收縮裂縫。

2 抗裂嵌擠型水泥穩定碎石基層

與傳統設計方法相比較，抗裂嵌擠水泥穩定碎石的配合比設計不僅是采用振動成型即能得到的，而且還進行一系列設計優化，通過篩選使基層的強度性能與抗裂性能達到最佳。抗裂嵌擠型水泥穩定碎石基層通過合理的級配設計，使骨料多級嵌擠，從而形成具有較高的密度，較小的含水量，較高強度的基層，屬于骨架密實型的結構。這種基層和傳統的懸浮密實型水泥穩定碎石相比，能夠更有效地抵抗干縮和溫縮引起的裂縫。

抗裂嵌擠型水泥穩定碎石基層的骨架密實，減少了細集料含量，使得結構內部粗集料均勻且有良好的嵌擠。在骨料空隙內部的細混合料存在一定的空隙和微裂縫來克服基層因溫度變化產生的應力和含水量減小產生的干縮應力，使其應力不集中。懸浮結構雖然可以獲得較大的密實度，但各級集料均被次級集料隔開，不能直接聚攏形成骨架，從而集料顆粒相互牽制和約束的能力較弱，在收縮力作用下容易發生微位移，干縮系數較大。

一般來說，懸浮密實結構4.75 mm篩孔通過率范圍為29%～49%，0.075 mm篩孔通過率為0%～5%，骨架密實結構對應的通過率分別為22%～32%和0%～3%，因而骨架密實結構混合料的比表面積較懸浮密實結構要小很多，需要水泥膠漿的含量和最佳含水量均相應減少，而水泥膠漿含量和含水量是影響水穩碎石收縮性最主要的兩個因素。一般懸浮密實結構的水泥劑量為6%左右，骨架密實結構水泥劑量為3.5%～4.5%。粗集料的收縮性很小，細集料和水泥膠漿組成的水泥膠漿具有很大的溫度收縮性。因此，懸浮密實結構的溫縮系數較之更大。骨架密實結構的最佳含水量一般也較懸浮密實結構少1.5%～2%，含水量越多，水泥穩定碎石蒸發散失水分愈多，產生的干縮裂縫愈顯著，所以骨架密實型水泥穩定碎石混合料的干縮系數較傳統懸浮密實型水泥穩定碎石混合料低。

3 結語

提高水泥穩定碎石基層本身的抗裂性能是減少水泥穩定碎石基層瀝青路面反射裂縫的重要途徑，抗裂嵌擠型水泥穩定碎石為骨架密實型結構，和傳統的懸浮密實型水泥穩定碎石相比，具有更優良的抗裂能力。因此，抗裂嵌擠型水泥穩定碎石基層具有廣闊的推廣應用前景。

[1] 張登良，鄭南翔.半剛性基層材料收縮抗裂性能研究[J].中國公路學報，1991(1):16-22.

[2] 張嘎吱.考慮抗裂性能的水泥穩定類材料配合比設計方法研究[D].西安:長安大學，2001.

[3] 叢 林，郭忠印，暨育雄，等.半剛性基層材料性能參數的試驗研究[J].建筑材料學報，2001(6):385-390.

[4] 李美江.道路材料振動壓實特性研究[D].西安:長安大學碩士學位論文，2002:6.

[5] 王首緒，張 拓.骨架密實型穩定碎石基層收縮性能變化規律[J].公路工程，2012(5):119-122.

[6] 楊錫武，梁富權.水泥(石灰)粉煤灰碎石混合料半剛性路面基層設計參數研究[J].中國公路學報，1996，9(1):23-28.

[7] 王哲人.高速公路瀝青路面材料、工藝與結構的一體化[J].中國公路學報，2000，13(sup):116-119.

[8] 戴經梁，蔣應軍.重載交通水泥混凝土路面材料與結構研究[D].西安:長安大學博士學位論文，2000.

[9] 朱夢良，劉 偉.骨架密實型水泥穩定碎石基層的收縮性能[J].長沙理工大學學報(自然科學版)，2009(6):7-12.

[10] 周衛峰，趙 可，王德群.水泥穩定碎石混合料配合比的優化[J].長安大學學報(自然科學版)，2006(1):24-28.

[11] 胡力群，沙愛民，翁優靈.骨架孔隙結構水泥穩定碎石配比設計及路用性能[J].公路交通科技，2006(6):22-26.