水泥穩定性碎石公路基層中的裂縫成因與控制

■肖 繁 ■中交第四公路工程局有限公司，北京 100022

隨著我國交通運輸事業的不斷發展，其對道路路面質量的要求也越來越高，半剛性基層結構的應用范圍相對也越來越廣闊，而水泥穩定性碎石作為一種較為常見的半剛性路面基層材料，其結構特性和力學性能恰好符合當前時期我國公路路面工程建設的發展需要。本文對水泥穩定性碎石公路基層中的裂縫類型、來源及成因進行分析，探討水泥穩定性碎石公路基層中裂縫的預防與控制措施。

1 裂縫產生的表現及危害

作為一種半剛性的基本結構，水泥穩定性碎石基層在施工中一旦處理不當就會出現裂縫問題，且裂縫一般情況下出現在基層的頂面，并沿著裂口橫向延伸，最終形成路面裂縫。裂縫一般成等距分布，且其裂縫寬度通常情況下在1．5～3．5mm之間。

裂縫現象最早出現在水泥穩定性碎石基層的養生過程中，另外一些裂縫現象則產生在路面通車之后，并且隨著行車載荷作用的影響而越來越嚴重。水泥穩定性碎石公路基層的裂縫現象不僅削弱了路面的結構強度，還容易引發各種路面病害，比如坑洞、松散、碎裂等病害。在破壞了路面施工結構的同時，也嚴重影響了道路的正常使用，給交通運輸帶來了不便。其危害主要表現在以下方面:(1)水泥穩定性碎石公路基層保養過程中出現的反射裂縫較為容易受到行車載荷作用的影響，并在外界溫度、降水以及日光暴曬作用下使裂縫范圍不斷擴大，對水泥穩定性碎石基層的機構造成了嚴重破壞，大大降低了其承載能力，最終造成路面強度下降。(2)由于路面通車后的行車載荷作用，原有的裂縫長度及寬度都隨之增加，出現了反射裂縫。其路面結構在雙重裂縫病害的共同影響下，將裂縫引入了水泥穩定性碎石基層結構中，基層的細集料在行車作用力的影響下被甩出路面，從而造成路面空洞等現象，降低了公路的使用壽命，也給行車安全帶來了一定的威脅。

2 裂縫的來源及影響因素

2．1 自身裂縫

自身裂縫是指水泥穩定性碎石基層自身溫縮和干縮變形而引起的裂縫問題，主要是由于選用的級配機構以及施工工藝不合理造成的，致使沒有將溫縮和干縮變形量控制在最小范圍內，從而出現較為明顯的裂縫。影響水泥穩定性碎石基層溫縮和干縮變行量大小的主要因素有以下幾個方面:(1)施工工藝不合理。主要表現在碾壓設備噸位不夠、配置不夠齊全、碾壓過程中基料推移相對較大、碾壓次數相對較少、施工工序不恰當等，以上因素都會導致碾壓密實度不夠，從而誘發裂縫現象。其裂縫產生的程度與碾壓養生的干密度是有直接關系的，干密度越大，裂縫越少，反之裂縫就會越嚴重;(2)集料級配不合理。在水泥穩定性碎石公路基層抗壓強度都相同的情況下，影響裂縫成因的主要因素有材料空隙、水泥使用量、骨架用料等。歷史經驗表明，在選用骨架密實型級配的水穩層時，其產生的裂縫現象要比選用骨架空隙結構或者懸浮密實結構級配的水泥穩定性碎石基層輕微的多;(3)施工溫度。水泥穩定性碎石公路施工的最佳溫度為5～25℃，若在夏季28℃以上進行公路施工，會使水泥初凝時間和終凝時間相對縮短，加快了水泥中的水分蒸發，容易導致水泥穩定性碎石公路基層密實度降低，從而產生裂縫。同樣的如果在冬季5℃氣溫以下進行施工，會使碾壓的壓實度和干密度得不到保障，從而增大溫縮和干縮變形，引發裂縫。

2．2 反射裂縫

反射裂縫主要是指由下基層裂縫向上反射從而形成的水泥穩定性碎石基層裂縫，水泥穩定性碎石公路基層中的很大一部分裂縫都是由于下基層裂縫的反射作用引起的，其下基層裂縫的產生及影響主要受制于施工質量和施工原材料:(1)施工質量。相關實踐經驗表明，裂縫程度與路基及下層的壓實度和芯樣7天無側限抗壓強度成非直線反比關系，即下基層的壓實度越高，其穩定性和強度就越好，越不容易產生裂縫;(2)原材料影響。施工過程中所采用的原材料類型對下基層裂縫的影響程度相對較大，例如:下基層采用石灰穩定土、水泥穩定土或者石灰水泥二灰穩定土，由于其干縮變形較為明顯，所以很容易產生較大的干縮裂縫。

2．3 行車荷載裂縫

荷載裂縫主要是由于路面承受的荷載超過了道路的抗彎拉強度，從而引起的基層變形斷裂產生的道路裂縫，這種裂縫往往具有一定的不規則性且相對較為稠密。

3 裂縫的類型及其成因

3．1 干縮性裂縫

是指在空氣相對干燥下，水泥穩定碎石硬化過程中水分消失、體積收縮變形引起的裂縫。其主要影響因素有水泥含量、水分的消耗速度、集料的自身吸水效果等。

3．2 溫縮性裂縫

在溫度變化下，混合料受到來自內外膨脹因素的影響，產生大量應力，當應力超出路面抗彎拉強度后則會產生橫向方式的溫縮性裂縫。其主要受水泥自身熱脹冷縮以及外界氣溫驟變等影響。

3．3 網狀裂縫

網狀裂縫即我們平常所說的龜裂現象，主要是由于局部彎沉逐漸增大，結構性遭到破壞而成的裂紋，在初期往往以網狀細裂縫的形式產生。這種裂縫的破壞性相對不大，但是隨著時間的發展，細裂縫內的水分會隨之不斷蒸發，從而在外力作用下容易造成坍塌。

4 防治措施

4．1 提高材料抗裂性能

可以使用骨架密實結構礦料級配，此種結構中的粗顆粒能夠互相嵌擠形成骨架，并能有效承擔外力。另一方面，細集料和無機結合料的水化生物能對粗集料起約束作用，使得中間的空隙較小，能有效的減少材料收縮。

由于細集料的比面較大，假如水泥穩定性碎石基層中的細料越多，其材料內部空隙也越來越多，所以在水作用下的收縮也就越來越大。因此要對粒料中的細粒含量和塑性指數進行控制，細土的塑性指數應控制的最小范圍內，做多不超過4，細料含量應控制在5%——7%以內。

4．2 設計施工方面

依據目前水泥穩定性碎石公路基層中的裂縫成因來看，在設計施工方面應注意以下幾點:(1)在進行水泥穩定性碎石公路基層瀝青路面設計時，首先應選用抗沖刷能力較強且溫縮干縮系數較小、抗拉強度較高的水穩材料作為基層;(2)在施工季節的選擇方面，應盡量避開夏季和冬季，確保施工溫度適宜;(3)對水泥穩定性碎石公路基層碾壓時的水分含量進行有效控制;(4)在水泥穩定性碎石公路基層碾壓完畢后，加強其養生保護并在養生結束后選用合適的液體瀝青做透層或者封層;(5)注意做好水泥穩定性碎石公路基層養生和瀝青面層鋪筑之間的有效銜接。除了以上施工過程中的注意事項，加強施工質量、提升工程施工質量管理也是絕對重要的。相關實踐經驗已經證明，水穩基層材料的強度不均勻、碾壓時含水量過高等都會在不同程度上導致基層裂縫的增多。

5 水泥穩定性基層材料性能改善

通常情況下由于水溫材料所固有的熱脹冷縮效應，裂縫現象在所難免。所以目前階段的裂縫預防控制應主要從添加外加劑來降低水穩基層的剛性，通過柔韌性的增加使基層材料的抗變形能力得到提升，從而提高材料抗裂性能。我國目前對水泥穩定性碎石的性能改善已經做了大量的研究工作，其中常用的外加劑主要有幾下集中:(1)粉煤灰:在混合料中加入適量的粉煤灰能有效改善水泥穩定性碎石的收縮性，通過水泥用量的減少避免了水泥用量過多產生的較大收縮作用;(2)膨脹劑:主要是利用其膨脹性能使水泥穩定性碎石結構產生變化，減少了水泥穩定碎石中的毛細管數，使之變得更致密，從而減少干燥收縮;(3)縮減劑:縮減劑的主要作用是降低基層材料中的早期收縮量，并且對材料的抗壓強度和彈性模量不會產生較大影響，有利于提升基層材料的綜合性能。