公路工程水泥穩定碎石基層裂縫病害分析及防治措施探討

◎張亞軍 李永法

水泥穩定碎石基層是我國公路工程路面基層的主要形式之一。由于公路交通量承載量遠大于一般城市道路，特別是在國省道干線，交通極為繁忙，對道路交通通行的需求巨大。

我國公路工程建設近年來突飛猛進，隨著我國經濟的不斷發展，公路工程的技術標準也在不斷的提高。從原先的土路面、石材路面、泥灰結碎石路面，到后來的瀝青碎石路面，水泥混凝土路面，再發展到現在的瀝青混凝土路面、瀝青瑪蹄脂路面、“海綿”路面等等，路面等級越來越高，路面寬度不斷拓展，道路線形越來越美觀，行車舒適性越來越好，行車噪音也得到了不斷的控制。

作為目前主流公路道路的結構形式，一般采用2 至3 層瀝青混凝土路面，加上2 至3 層不同水泥含量的水泥穩定碎石路面基層，再配以石灰穩定土路面底基層，路基則一般采用碾壓密實的石灰土路基。在提供足夠的道路承載能力的同時，通過逐層提高技術等級，確保了工程質量，也降低了對資源的消耗。

由于使用環境不同，公路道路的質量控制方向，和養護項目也不盡相同。公路養護主要面對的是，因長時間承受車輪的磨損和沖擊，受到暴雨、洪水、風沙、冰雪、日曬、冰融等自然力的侵蝕和風化，以及人為的破壞和修建時遺留的某些缺陷造成的公路使用質量問題。

在公路道路養護作業中，經常會發現瀝青混凝土路面出現的縱向、橫向裂縫問題。對于橫向裂縫，經過判定，大部分是由于路面基層水泥穩定碎石開裂造成的。由于水泥穩定碎石半剛性基層具有強度高、造價低、整體性及水泥穩定碎石定性好等優點，在我國公路建設中都有廣泛的運用，但半剛性基層在運營期間易產生干縮裂縫和低溫收縮裂縫，水泥穩定碎石路面基層的裂縫隨著時間發展和道路交通的不斷增長，在車輛啟動、剎車、轉向、正常行駛等綜合作用下，裂縫不斷發展，長度、寬度、深度不斷增長，通過路面結構層的層間摩擦阻力，傳導到瀝青混凝土路面上，最終造成路面橫向開裂，這種開裂現象，由于是路面基層發生開裂，傳導到路面面層，所以與面層本身的施工質量無關，稱為“反射裂縫”。

反射裂縫一旦產生，不僅影響路面的美觀和行車舒適性，更重要的是大大的縮短了路面的使用壽命。關于瀝青路面斷裂分析的理論及抗裂，國內外已開展了大量的研究工作。

對水泥穩定碎石路面基層開裂的原因進行進一步研究發現，反射裂縫因其成因的不同，還可以進行細分。反射裂縫是水泥穩定碎石上裂縫處應力集中作用的直接結果，集中的應力使得裂縫直接擴展進入路面結構層。水泥穩定碎石上裂縫主要來源于溫度變化、濕度變化、行駛車輛及多因素的綜合作用。由溫度變化引起的反射裂縫常常稱之為溫度型反射裂縫，由濕度變化引起的反射裂縫常常稱之為干縮型反射裂縫，相應地由行車荷載引起的反射裂縫稱之為荷載型反射裂縫

斷裂力學認為，裂縫的擴展有三種位移模式：張開模式、剪切模式和撕開模式。其中溫度應力和濕度應力對反射裂縫影響的模式為張開模式，行車荷載對反射裂縫影響的主要模式是張開模式和剪切模式。當車輪駛經裂縫的正上方時，以張開模式來引起反射裂縫，當車輪駛在裂縫之前和之后的位置時，以剪切模式影響反射裂縫。撕開模式在罩面層中不常出現。與張開模式相對應的溫度型反射裂縫通常產生于罩面層的底部，而后向上逐漸擴展到罩面層頂面。對于正荷載作用下的張拉位移模式所對應的反射裂縫，一般產生于罩面層的底面，在周期性荷載的作用下垂直向上擴展。

通過對反射裂縫力學機理的研究，可以發現，為了防治瀝青混凝土路面反射裂縫，最根本的途徑，是通過在水泥穩定碎石路面基層施工過程中的精細化管理，避免出現因溫度和濕度變化產生的收縮裂縫，從源頭上減少水泥穩定碎石路面基層的開裂現象。這個過程，是從理論研究過渡到工程實際應用的過程，要考慮到水泥穩定碎石路面基層施工過程中的各種不利因素，通過采取不同的處置方案和應對措施，達到預想的效果。

為了發現施工過程中的各種影響因素，需要水泥穩定碎石路面基層的施工流程進行系統和細致的梳理，找出主要影響因素，采取措施，優先解決主要矛盾。我們通過工程中的實際應用案例來進行探討和研究。

一、工程概況

界首市S255（界首市牛行街至X010 段）改擴建工程是安徽省國省干線路網的重要組成部分，北起沙潁河，終點位于段寨村，010 鄉道交口處。道路全長約7.5km，紅線寬度50 米。路面結構形式為采用80cm 厚6%石灰穩定土路面底基層，56cm 厚水泥穩定碎石路面基層（分兩層施工）回填，路面結構形式為4cm細粒式瀝青混凝上（AC-13）+6cm 中粒式瀝青混凝土（AC-20）+8cm 粗粒式瀝青混凝土（AC-25）。

該道路水泥穩定碎石路面基層分三層施工施工，分別為18+18+20，先施工20cm 低劑量水穩，再進行兩層18cm5%水泥劑量的水泥穩定碎石施工。現場全封閉，路面基層采用半幅全斷面施工。施工試驗段約200m，確定了各項施工參數，首先實施了4.5km。

開始進行第二層水泥穩定碎石施工前，對第一層基層表面進行了檢查，現場采集水泥穩定碎石路面基層裂縫情況，經檢查，共采集到橫向裂縫20 道，經研判，裂縫深度約0.8mm，最大寬度約11.2mm，均為一般裂縫。

項目建設單位、設計單位、施工單位、監理單位召開了專題會議，對第一層水泥穩定碎石施工的過程進行了溯源，對裂縫形成的原因進行了核查，對裂縫的解決和預防措施進行了探討。

對裂縫形成的原因溯源過程：

1.水泥用量。

當混合料顆粒組成相同的情況下，水泥穩定碎石的強度，主要受水泥種類和用量的影響。經試驗證明，在集料組成相同的情況下，水泥劑量越高，7d 無側限抗壓強度越大，水泥穩定碎石路面基層的強度相應也越高。但過高的強度，會造成路面基層內部收縮應力過大，當因為溫度、濕度等原因收縮時，過高的收縮應力會破壞整體結構，造成裂縫。實踐證明，當水泥劑量超過6%，出現干縮裂縫明顯增多。多次試驗后發現水泥劑量在4～5%時，收縮系數最小。通過配合比設計和驗證，本工程第一層水泥穩定碎石所采用的水泥，是32.5 號礦渣硅酸鹽水泥，水泥用量為3.8%，在試驗室制取的7 天無側限抗壓強度試件，實測抗壓強度代表值為5.3MPa，符合設計要求（3.5MPa），從水泥用量的方面，不存在印發裂縫的原因。

2.水泥質量。

水泥質量的不穩定，安定性不符合要求，也會導致水泥穩定碎石出現裂縫。

本工程所用水泥品牌為蚌埠海螺水泥，水泥品牌過硬，水泥生產廠家工藝成熟，所產水泥質量穩定。在工程施工前，為防止采用不合格水泥，項目監理單位對水泥進行了見證取樣，取樣15kg，送至有見證取樣檢測資格的第三方試驗檢測機構進行檢測。經檢測，該批次水泥指標如下：

（1）初凝時間為 1 小時 15 分，終凝時間為 6 小時 30 分，符合現行水泥國標（GB 175）要求；

（2）雷氏夾法試件經沸煮試驗安定性合格；

（3）標準稠度用水量為28.0%；

（4）水泥膠砂強度檢測結果：28 天抗壓強度為37.4MPa，28 天抗折強度為6.3MPa，強度結果符合現行水泥國標（GB 175）要求；

（5）水泥細度檢測，采用45 微米負壓篩法，檢測結果5.2%，符合現行水泥國標（GB 175）要求。

經檢驗，該批次水泥質量合格，安定性符合要求，不是造成裂縫的原因。

3.骨料的質量。

水泥穩定碎石所用的骨料，對其質量也有重要的影響。強度、針片狀顆粒不符合要求的碎石，會影響路面基層的整體強度，造成強度的不均勻，引發裂縫。骨料中含泥量過高，影響水泥凝結，造成路面基層強度偏低，也會引發裂縫。工程施工前，經對施工單位所用碎石的質量檢測，壓碎值、針片狀顆粒含量、含泥量等指標均符合要求。

所以，工程所用骨料也不是造成裂縫的原因。

4.施工配合比。

各種骨料的配合比設計不合理，是導致裂縫產生的一個重要原因。實際施工中，試驗部門往往根據以往經驗來設計配合比，而材料自身特性，現場實際情況，環境、天氣等因素未納入考量范圍。級配不佳的集料，不僅會使彎沉值的變異系數增大，還會導致集料均勻性較差。粗集料集中的地方強度較高，細集料集中的地方強度較低，內應力不平衡，從而導致裂縫的產生。

水泥穩定碎石中如果采用大量的細集料（顆粒粒徑小于2.36mm 的骨料），細集料的含水率變化，會對水泥穩定碎石的穩定性造成影響。細集料的吸水性較粗集料強，對環境濕度變化也較為敏感。如果施工時，采用了較多的細集料，細集料對濕度敏感的特性會影響整個水泥穩定碎石結構層。施工后如果環境干燥，細集料中的水分大量蒸發，會使整個結構層產生干縮，反映到水泥穩定碎石表面，就會產生裂縫。

本工程施工配合比所用骨料共分為4 檔，分別是10～20mm 碎石、10～15mm 碎石、5～10mm 碎石、0～5mm 石屑，在混合料中的質量百分比為20：25：28：27，施工前進行了級配檢驗，總體符合級配范圍要求，但曲線位置偏下，細集料篩孔通過率較高，混合料整體偏細。

施工時段為7 月初，正值夏季，氣溫較高，蒸發量較大。初步分析，可能是由于混合料中細集料整體含量偏高，含水率受夏季氣候影響大，碾壓完成后，水泥穩定碎石中的水分大量快速蒸發，引發較明顯的干縮，從而導致了裂縫。

5.施工過程中的影響。

施工現場的管理對水泥穩定碎石的成型質量有著至關重要的影響，主要體現在以下幾個方面。首先拌合站水泥摻量較小，水泥穩定碎石層達不到設計強度，結構松散，取芯檢測不能合格。第二種情況是拌合不均勻，導致局部某種集料過于集中或稀少，形成反射裂縫。第三種是含水量控制不佳，含水量過大，碾壓時容易出現波浪，彈簧現象。含水量過低，攤鋪后形成干縮裂縫。第四種情況是運輸距離過長，運達現場后集料產生離析現場，或者運輸過程中未加蓋防護，導致水分蒸發過多，這種情況也或導致或水量過低，從而導致裂縫產生。

施工后的養護也至關重要，養護期不足或者養護不到位，導致水分流失過快，不僅會影響水泥水化反應，影響后期強度增長，還會導致干縮裂縫的產生。

首先，對施工中的水泥用量控制情況進行了追溯。通過對拌合站控制臺各項生產參數的記錄進行了查看，水泥用量設置在3.8%，通過對施工過程中的水泥劑量滴定試驗結果進行了查閱，確定水泥用量范圍在3.7%至4.0%范圍內，施工中實際水泥用量符合要求，不是裂縫產生的原因。

接著，對拌合情況和運輸情況進行了追溯。調查發現，通過對拌合站控制臺中拌合時間的查看，確定拌合時間符合要求。通過對施工現場機械手、施工人員的走訪，確認混合料拌合較為均勻，未發現明顯的離析現象。但由于拌合站距離施工現場有一定距離，并非所有運輸車輛都嚴格采取了覆蓋措施，據施工人員反映，個別運輸車輛覆蓋帆布沒有固定好，車輛到場時，局部的水泥穩定碎石混合料有發干、發白現象。

隨后，對施工攤鋪、碾壓、養護等工序進行了追溯。調查結果發現，施工攤鋪正常，無缺料、等料停工現象，未發生意外停頓；碾壓較為及時，采用振動壓路機、膠輪壓路機聯合碾壓，碾壓遍數6 至8 遍，碾壓過程中，對碾壓面進行了檢查，局部的軟彈現象進行了換料回填處理，碾壓完成后，壓實度檢測結果符合設計和規范要求。養護工作因路段較短，不存在困難，采用透水土工布覆蓋后，每日灑水3 遍，能夠保證表面始終潮濕。

綜上所述，對該段水泥穩定碎石表面產生反射裂縫的原因初步判斷：

1.混合料配合比未優化，雖然符合規范的級配要求，但整體偏細，細集料整體含量偏高，含水率受夏季氣候影響大，碾壓完成后，水泥穩定碎石中的水分大量快速蒸發，引發較明顯的干縮，從而導致了裂縫。

2.從拌合站到施工現場的運輸過程中，運輸車輛的覆蓋工作未做好，個別運輸車輛覆蓋帆布沒有固定好，車輛到場時，局部的水泥穩定碎石混合料有發干、發白現象，在攤鋪和碾壓過程中，含水率迅速損失，造成水泥穩定碎石結構層局部含水率不均勻的現象，表面干縮，產生裂縫。

二、對改進措施的探討

1.嚴格把控原材質量。

要保證水泥穩定碎石層施工質量達標，首先就要保證原材質量達標。用于施工的原材，必須經過檢測合格后方可使用。檢測的重點應放在水泥質量上，進場使用前首先檢查生產日期、出廠合格證、數量等。應選用初凝三小時以上，終凝六小時以上的硅酸鹽水泥，嚴禁將不同廠家、不同批次、不同型號的水泥混用。集料需通過試驗確定的粒徑、塑性指數和含泥量等指標是否滿足要求，如不符合需重新更換，以保證施工質量。

2.科學設計配比。

配合比設計，不僅要考慮道路等級、承重能力、路基填挖等因素，還要將原材質量、拌合站距離、環境、天氣等因素也納入考量范圍。嚴格按照初步配合比設計、基準配合比設計、試驗室配合比設計和施工配合比設計的步驟來確定配合比。水泥劑量保持在4～5%之間為宜，一般不低于3.5%，不高于6%。調節碎石和細集料的配比，在保證強度的前提下，水泥摻量不宜過大，避免干縮裂縫的產生。

根據實際情況，對本工程水泥穩定碎石的施工配合比進行了優化，通過顆粒分析試驗，各類骨料的用量調整為10～20mm碎石：10～15mm 碎石：5～10mm 碎石：0～5mm 石屑 =26：27：25：22，增加了粗集料的用量，減少了0～5mm 石屑的用量。

3.合理組織施工。

對于水泥穩定碎石在運輸中含水率損失，整體含水率不均勻問題，施工單位對運輸車輛的覆蓋措施進行了加固，每輛運輸車頂部均采用了帆布覆蓋，覆蓋帆布采用繩索固定，運輸至前場時，對其覆蓋情況進行檢查，發現不覆蓋的，施工班組采取處罰措施；攤鋪時加強對混合料的檢查，發現有發白、發干的材料，及時換填。

4.養護及時到位。

施工完畢后，及時采用土工布覆蓋，并用灑水車灑水，保持土工布濕潤。一般情況下，養護時間不低于7d，7d 內保持濕潤狀態，28d 正常養護。夏季施工要根據實際情況增加灑水頻率。養護期結束后，及時檢測，并進行面層施工，防治基層暴露時間過長。

完成上述措施后，開始進行第二層水泥穩定碎石施工，經見證取樣檢測，壓實度符合要求，水泥穩定碎石取芯成形情況良好，7 天無側限抗壓強度結果代表值為7.5MPa，符合設計和規范要求。養護期結束后，對水泥穩定碎石表面進行了系統的排查，本次未發現反射裂縫。

三、結束語

通過對原材、配合比、施工和后期養護每著4 個環節的嚴格把控。顯著減少了裂縫數量，提升了成型效果。最終檢測強度、彎沉值等各項指標均滿足設計要求，技術指標優秀。對后續的施工具有很強的指導意義。