淺述高溫高寒氣候水穩(wěn)基層收縮裂縫控制措施

文玉巖 李志鵬 陸土勤 中交四航局第二工程有限公司

1.前言

水泥穩(wěn)定碎石穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、剛度大，能提高路面承載力，是修建高等級(jí)公路常用的路面基層材料。但其是半剛性屬性，容易受到溫度和濕度變化影響而產(chǎn)生溫度收縮和干燥收縮，從而導(dǎo)致基層產(chǎn)生裂縫,尤其是在高溫高寒氣候條件下水，收縮開裂行為表現(xiàn)得更為嚴(yán)重。基層裂縫不僅會(huì)明顯降低基層耐久性和強(qiáng)度,而且會(huì)反射到瀝青面層，使路面出現(xiàn)裂縫破壞,降低道路的使用年限。

新疆35 團(tuán)至若羌高速公路工程位于巴音郭楞蒙古自治州若羌縣轄區(qū)，全長(zhǎng)約100k m，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，瀝青混凝土路面，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h。若羌縣城屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，以干旱少雨、風(fēng)沙大、蒸發(fā)強(qiáng)烈、冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱、溫差大為主要特點(diǎn)。若羌縣年平均溫度約12℃,極端最高溫度44℃，極端最低溫度-27.2℃；平均年降水量不足30mm；年最小降水量不足4mm；年平均日照時(shí)數(shù)最大為3338.8hr，最小為2940.0hr；年平均8級(jí)風(fēng)以上天數(shù)23天，多年平均沙暴24.5天，浮塵天氣194天。

2.高溫高寒氣候環(huán)境水穩(wěn)基層收縮類型及收縮原理

溫度和濕度的變化對(duì)水穩(wěn)的影響較大，經(jīng)碾壓成型后，其體積會(huì)因溫度變化和水分蒸發(fā)而收縮。水穩(wěn)基層材料的收縮分為三種類型：干燥收縮，溫度收縮與化學(xué)收縮。

2.1 干燥收縮

水穩(wěn)材料的收縮性是由于其基體氣相、固相和液相的三相熱脹性質(zhì)不同，三相相互作用，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，相互嵌擠作用就會(huì)在水穩(wěn)材料固體顆粒之間發(fā)生，材料體積因此發(fā)生收縮，即干燥收縮。

水穩(wěn)材料由固相、氣相和水組成。水以結(jié)合水、毛細(xì)管水和結(jié)構(gòu)水的形式存在水穩(wěn)材料內(nèi)部。發(fā)生干燥收縮時(shí)，材料內(nèi)部水分會(huì)發(fā)生分子間力的作用、吸附作用、材料礦物晶體或膠體間層間水毛細(xì)作用，導(dǎo)致整體的體積收縮表現(xiàn)出宏觀作用。

2.2 溫度收縮

溫度是描述物體內(nèi)部大量微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的雜亂無(wú)章程度的物理量。溫度升高意味著熱運(yùn)動(dòng)雜亂程度的加劇，物體內(nèi)部質(zhì)子的熱振幅和物體的內(nèi)能也跟著升高，宏觀行為就表現(xiàn)出來(lái)，即體積膨脹；溫度下降則相反，即微觀粒子雜亂程度變?nèi)酰矬w的內(nèi)部質(zhì)子的熱振幅和內(nèi)能降低，從而出現(xiàn)體積收縮。

2.3 化學(xué)收縮

化學(xué)收縮是指水穩(wěn)材料內(nèi)部以及其與土之間的化學(xué)成分，在沒(méi)有與外界發(fā)生水分交換的情況下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)的體積減小。

在高溫高寒地區(qū)，水穩(wěn)基層施工一般安排在高溫季節(jié)，高溫環(huán)境極易發(fā)生干燥收縮。前期的收縮多表現(xiàn)為干縮，也伴隨著溫縮。經(jīng)過(guò)養(yǎng)生后，此后的收縮主要是溫度收縮。已經(jīng)出現(xiàn)的微觀損傷隨著溫度應(yīng)力和路面承受荷載的交替作用會(huì)顯得越來(lái)越明顯。

3.收縮裂縫控制措施

3.1 配合比及材料方面

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定水穩(wěn)結(jié)構(gòu)類型為骨架密實(shí)型，粒徑不超過(guò)31.5mm，集料級(jí)配范圍應(yīng)符合表1。

表1 骨架密實(shí)級(jí)配范圍

骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)最佳含水率較低、干縮應(yīng)變小，可明顯降低收縮系數(shù)和抗裂指數(shù)，適合高溫高寒的環(huán)境特點(diǎn)。

（1）水泥。水泥的選擇尤為重要，需保證水穩(wěn)材料在高溫高寒環(huán)境中不受到凍融破壞。要選擇抗凍性好、終凝時(shí)間≥6.5h且標(biāo)號(hào)32.5以上的硅酸鹽水泥。水泥的用量不是越多越好，只要能滿足水穩(wěn)強(qiáng)度要求，就要盡量降低用量，有利于減少水穩(wěn)收縮裂縫。水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量不能太高、細(xì)度不能太細(xì)，否則會(huì)增加干縮裂縫的產(chǎn)生，盡量少用早強(qiáng)水泥，其會(huì)導(dǎo)致溫縮裂縫增多。水泥用量需按照設(shè)計(jì)要求，一般為3.5%-5.5%，強(qiáng)度較低時(shí)，盡量采用調(diào)整混合料級(jí)配方法，即提高粗集料含量。

（2）碎石。碎石采用連續(xù)級(jí)配能提高水穩(wěn)的密實(shí)性。基層中0.075mm顆粒的含量控制在3%以內(nèi)有利于抗收縮。在水穩(wěn)基層中,細(xì)顆粒的百分比越高,孔隙率越高,受到水的作用，其收縮的變化越大。碎石最大粒徑不宜超過(guò)26.5mm。

（3）早強(qiáng)外加劑。在低溫環(huán)境中，水泥水化較慢，水穩(wěn)的強(qiáng)度上升隨之緩慢，可通過(guò)添加早強(qiáng)外加劑提高水穩(wěn)的早期強(qiáng)度。早強(qiáng)劑的加入除了可以改善力學(xué)性能，還能改善水穩(wěn)的收縮特性。因?yàn)樵鐝?qiáng)劑摻入增強(qiáng)了水穩(wěn)的保水能力，孔隙結(jié)構(gòu)也得到改善，小孔隙比例增加，大孔隙比例減少，孔隙減少則水分蒸發(fā)降低，失水量大大降低從而提高抗干縮性能；早強(qiáng)劑還能改善水泥與集料粘結(jié)界面，因此水穩(wěn)的微觀結(jié)構(gòu)也得到了改善。它提高了抗微裂縫產(chǎn)生的能力，材料收縮應(yīng)變減小，相應(yīng)的材料的抗裂性能得到提高。早強(qiáng)劑的摻量需通過(guò)試驗(yàn)確定。

圖1 伸縮縫設(shè)置圖

3.2 養(yǎng)護(hù)方面

水泥穩(wěn)定基層通常在碾壓完成后立即使用土工布加塑料薄膜等不透水材料進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)。但施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力較大，覆蓋不到位會(huì)導(dǎo)致覆蓋材料被吹開或刮走，水穩(wěn)基層的水分散失加快，局部養(yǎng)護(hù)不充分。通過(guò)補(bǔ)水再養(yǎng)護(hù)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)楦采w材料不透水，水分不足造成水穩(wěn)水化不充分，水穩(wěn)強(qiáng)度無(wú)法提高，導(dǎo)致無(wú)法鉆出芯樣或者芯樣不全，產(chǎn)生質(zhì)量隱患。

另外采用塑料薄膜養(yǎng)護(hù)還會(huì)造成白色污染，因其是不可重復(fù)利用的產(chǎn)品。

土工布能有效防止水分揮發(fā)，但是需要用沙袋或土進(jìn)行壓面，養(yǎng)護(hù)完畢后還須清理沙袋或土，養(yǎng)護(hù)過(guò)程耗費(fèi)大量人工，且效率不高。

因此需要找到一種經(jīng)濟(jì)高效環(huán)保的養(yǎng)護(hù)方式。通過(guò)對(duì)工藝的探索找到了一種有效的方式，即及時(shí)灑布透層油。透層油滲透到水穩(wěn)下面，覆蓋了水穩(wěn)表面，水分就無(wú)法揮發(fā)，保持了水分從而實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)生的效果；其能封閉表面的縫隙，還可以在面層與基層之間發(fā)揮承上啟下的粘結(jié)作用，改善整體受力。

透層油還可以保護(hù)水穩(wěn)材料不因日照高溫而開裂，基層強(qiáng)度因內(nèi)部溫度得到保持而加快增長(zhǎng)。

透層油噴灑時(shí)機(jī)宜在基層碾壓完成后表面稍干但還沒(méi)有形成強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行，透層油采用PC-2型陽(yáng)離子改性乳化瀝青，灑布量為1.2～1.5L/m2。

由于高溫地區(qū)空氣干燥，為了保證基層表面的濕潤(rùn)，碾壓完成需先對(duì)表面進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水方式最好通過(guò)霧化，這樣能使水分均勻并且不會(huì)因沖刷而破壞表面，補(bǔ)水完成馬上灑布乳化瀝青。

3.3 伸縮縫設(shè)置

高溫高寒氣候極易使水穩(wěn)基層出現(xiàn)裂縫,同時(shí)基層裂縫反射到瀝青面層使瀝青路面出現(xiàn)裂縫破壞,導(dǎo)致道路的整體性能降低。通常鋸縫深度只是水穩(wěn)基層的部分厚度，在熱脹冷縮作用下，易產(chǎn)生受力不均，在集中應(yīng)力作用下更容易發(fā)生開裂，水穩(wěn)裂縫容易往上反射破壞面層。

溫度疲勞裂縫：在日照強(qiáng)烈、晝夜溫差大的氣候環(huán)境下，基層因熱脹冷縮產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，這種溫度應(yīng)力反復(fù)作用直接導(dǎo)致基層產(chǎn)生疲勞開裂。

為了改善這種情況，本項(xiàng)目結(jié)合氣候環(huán)境探索了一種有效的伸縮縫設(shè)置方法。

（1）施工放樣：在基層施工完成一周內(nèi)，每100m設(shè)置一道伸縮縫，并做好標(biāo)線。

（2）切縫：使用帶合金鋼片的切割機(jī)對(duì)基層進(jìn)行寬2cm的縫隙切割，縫深為基層厚度。

（3）切縫清理：使用高壓氣泵清理切縫內(nèi)的石子粉塵等雜物，保證縫隙整潔。

（4）灌縫：使用熱瀝青進(jìn)行灌縫并要縫隙飽滿密實(shí)。

（5）玻纖格柵鋪設(shè)：玻纖格柵寬度以伸縮縫為中心，左右各長(zhǎng)1m，使用2英寸鋼釘和50mm×30mm×1mm的鐵皮進(jìn)行固定，從而解決路面反射裂縫和拱脹問(wèn)題。如圖2所示。

3.4 攤鋪工藝

傳統(tǒng)基層施工方法是把水穩(wěn)層分層施工，先攤鋪下基層，至少養(yǎng)生7天滿足強(qiáng)度后，才能施工上基層；上層攤鋪完后，同樣需養(yǎng)護(hù)7天。對(duì)于半剛性材料，分層施工易導(dǎo)致層間粘結(jié)性差，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)單層受力時(shí)就會(huì)發(fā)生開裂，破壞了水穩(wěn)層的整體性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。尤其在低溫高寒氣候下，路面溫度隨著冬季溫度的下降而下降，基層材料開始收縮，由于基層材料的收縮量與面層不同以及基層受到上下約束，當(dāng)氣溫下降到一定極限時(shí)，基層材料的拉應(yīng)變、拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生低溫收縮裂縫，就會(huì)引起基層開裂。

層間含水量不同、或?qū)娱g污染使兩層很難結(jié)成一體,雖然可采取在層間灑水泥漿的措施進(jìn)行層間連接，但撒水泥漿的效果和均勻性不是很理想。如上下層攤鋪間隔時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致膨脹系數(shù)不同、密實(shí)度不同、水穩(wěn)養(yǎng)生不及時(shí)、灑水養(yǎng)生及覆蓋不到位都是水穩(wěn)裂縫出現(xiàn)的重要原因。

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐采用一次性攤鋪碾壓成型工藝可解決以上問(wèn)題。一次性全厚度攤鋪工藝，使水穩(wěn)結(jié)構(gòu)整體性好，抗拉伸能力強(qiáng)。不存在并機(jī)接縫離析，避免了縱向裂縫、含水量損失小。

具體做法為：基層總厚度分為兩層，在水泥初凝之前,使用兩組作業(yè)設(shè)備，同步一前一后連續(xù)上下層攤鋪、碾壓，并采用側(cè)向物料轉(zhuǎn)運(yùn)車給后排的攤鋪機(jī)上料。每組設(shè)備的作業(yè)順序?yàn)榭闺x析攤鋪機(jī)，振動(dòng)壓路機(jī),膠輪式壓路機(jī)。這樣連續(xù)的攤鋪工藝實(shí)現(xiàn)了基層不間斷流水作業(yè)，基層由兩層變成一層，節(jié)省了養(yǎng)生時(shí)間，簡(jiǎn)化了水穩(wěn)的工序，提高了基層結(jié)構(gòu)的整體性和完整性。

4.結(jié)論

引起水穩(wěn)干縮裂縫的因素很多，需要進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量控制，結(jié)合氣候狀況，突出重點(diǎn)。只要在施工過(guò)程中充分考慮各種影響因素，采取多種有效措施預(yù)防，從原材料、配合比設(shè)計(jì)、施工過(guò)程質(zhì)量控制上嚴(yán)格把關(guān)，就能減少水穩(wěn)收縮裂縫的產(chǎn)生，保障基層的施工質(zhì)量。