水穩碎石基層材料微裂損傷程度控制方法研究

吳全州

摘要 早期養護期間，水泥穩定碎石基層材料易出現收縮裂縫病害，且反射至面層而影響路面質量。文章以工程實踐為依托，提出了用于預防瀝青路面反射裂縫的微裂技術?；诖?，重點論述了水穩碎石基層材料微裂技術應用特點和作用原理，分析了影響該技術應用的因素，并借助微裂損傷程度控制試驗，明確了水穩碎石試件微裂程度與振動時間之間的內在關聯。

關鍵詞 公路工程項目；水穩碎石基層；微裂損傷；損傷程度控制

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0078-03

0 引言

微裂技術多應用于水泥穩定類基層，多于水泥穩定碎石基層材料完成1～3 d養護后，借助振動壓路機進行碾壓而產生微小裂縫網絡的方式，以防止基層材料收縮引發的有害裂縫。水穩碎石基層材料微裂后基層部分力學強度暫時流失，且后續可恢復，其混合料結構類型、微裂損失程度、微裂時間、水泥用量等因素均會對基層力學指標恢復情況產生影響。該文重點對基層材料微裂損傷程度的控制措施，進行了詳細分析。

1 微裂技術及作用機理

微裂技術即完成水泥穩定碎石基層攤鋪與碾壓工序后，在1～3 d的養生齡期內借助振動壓路機進行碾壓以產生微小裂縫網絡，對抗水泥穩定材料自身收縮產生的收縮應力，以降低由此產生裂縫的概率，實現對基層路面的保護，減少反射裂縫損害面層[1]。

水泥穩定碎石基層材料微裂后，材料表面出現較小的微細裂縫，由于裂縫處于早期階段，在水泥的水化作用下裂縫會逐漸自愈，且隨著齡期增加水泥穩定材料的強度逐步恢復，微裂縫的存在并不會對路基材料的承載力產生明顯影響[2]。

2 微裂技術主要影響因素

對水泥穩定碎石基層材料的強度變化情況進行分析可知，基層材料微裂損傷后，其力學強度指標變化處于動態變化的過程中。從工程實踐的角度分析，水穩基層材料的微裂作用的力學強度與微裂縫自愈合能力關系密切，而對此產生影響的因素包括混合料結構類型、微裂損失程度、微裂時間、水泥用量、微裂縫荷載等[3]。

2.1 混合料結構類型

水泥穩定基層材料多由水泥、粗集料、細集料等按照不同配比混合而成，材料類型不同其化學特性有所差異，級配、顆粒大小、形狀、強度等有所改變，均會對混合料性能產生影響。

2.2 水泥劑量

養生階段早期水泥穩定基層材料易變性干縮，其與水泥內部水泥顆粒水化不徹底關系密切，水化反應過程中水泥內部水分被消耗，引發材料干裂固縮。

2.3 微裂實施時間

養生齡期1～3 d內，水泥穩定碎石基層強度、收縮特性出現明顯變化，隨著水泥材料特性的變化，微裂的風險增加。

2.4 微裂程度

微損程度過小產生的網狀微裂紋小，無法充分抵消早期收縮應力值，同時會增加施工難度，而如果微損程度過大則會導致裂縫過長或者過寬，降低基層結構強度。

2.5 微裂荷載

振動壓路機噸位過大會導致基層材料微裂程度增加，裂縫難于自行愈合；壓路機噸位過小則會降低微裂程度，需多次碾壓改善微裂效果[4]。

3 微裂損傷程度控制試驗分析

室內試驗，通過制備損傷程度各異的試件，探究振動參數不同情況下，水泥穩定碎石材料在不同影響因素條件下的微損程度與振動時間的關系。

3.1 微裂損傷程度控制試驗振動參數選擇

以現行《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的試驗標準為基礎進行振動試驗操作，并以廠家推薦的試驗方法為參考進行微裂損傷控制試驗。此次試驗中振動壓實儀型號為DZY-09，詳細參數如下：振幅25 mm，靜壓力1 900 N，振動頻率30 Hz。工程上通過控制振動壓實儀的振動時間來對水泥穩定碎石試件微裂損傷程度進行控制[5]。

3.2 微裂損傷程度控制試驗過程

水泥穩定碎石基層微裂損傷程度控制試驗流程如下：

（1）結合水穩碎石混合料性能確定最佳含水量和最大干密度，借助振動壓實儀調整壓實度為98%，將試件制備為150 mm×150 mm的圓柱形，分別于養生齡第1 d、第2 d、第3 d取出，并將成型的試件置于15 mm的圓形套筒內進行微裂。

（2）制備微損程度各異的水泥穩定碎石試件應用于微裂損傷控制試驗中，并對不同試件的結構強度水平進行測量。測量微裂損傷后試樣抗壓回彈模量的操作較為繁瑣，且影響測量結果的因素眾多，為簡化操作，該文試驗中選用抗壓強度降低百分率指標評估試樣的微損情況[6]。

（3）根據微裂損傷試驗結果，試件抗壓強度隨著振動壓實儀振動時間增加呈現先降低后增大的趨勢，微裂損傷主要集中在180 s以內，選取養生第1 d試樣按照0 s、15 s、30 s、45 s、60 s 、75 s、90 s進行振動，選取養生第2 d和第3 d試樣按照0 s、30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s進行振動，分別測定不同振動時間條件下試樣的無側限抗壓強度，并記錄無側限抗壓強度降低百分率為20%、30%和40%時的振動時間。

（4）為減少重復工作量，同一水平的試件數量為6個，制備不同微裂程度試件并檢測不同無側限抗壓強度降低百分率值情況下對應的微裂損傷情況[7]。

3.3 微裂損傷程度控制試驗結果分析

養生1 d、2 d、3 d分別對試樣進行微裂損傷程度與振動時間關系的分析，將試驗結論數據繪制成直觀的統計圖，詳情如圖1～3所示。

分析不同養生齡期水泥穩定碎石基層微裂程度控制試驗結果可知：水泥穩定碎石試件微裂程度隨振動時間增加表現為先增大后降低，微損達到最大值后，隨著振動時間增加微裂損傷值不再變化，試件抗壓強度也不再增大，基層粗料受損，試件結構改變。由此可見，過長時間的振動，會導致水泥穩定碎石基層表面破壞，影響其結構質量[8]。

分析圖1～3可知：

（1）養生1 d后水穩碎石基層微裂損傷程度可達15%～20%，振動時間約30～45 s，隨著振動時間增加，試件的抗壓強度水平增大。

（2）利用振動壓實儀對試件進行微裂時，混合料受損主要表現為水泥穩定碎石試件集料間裂隙或表面破壞，試件結構強度值降低，振動時間增加，混合料的均勻度改變，壓實度增加后試件強度值有所回升。故振動時間一定的情況下，隨著振動時間的增加試件抗壓強度值呈現先降低后增加的趨勢，且最大微裂破損程度在15%～20%范圍內。

（3）微裂損傷程度控制試驗結果顯示，養生2 d和3 d后，試樣的微裂程度隨著振動時間的增加呈現先增大后減小的趨勢，最大微裂損傷程度在35%～45%范圍內，其振動時間約150～180 s，隨后持續振動將導致試件上部結構受損[9]。

結合大量國內外研究結果，水穩碎石基層強度損失控制在30%～50%范圍內效果最佳，微裂損傷強度過小難以達到理想的微裂效果，損傷過大則可能導致基層收縮裂縫影響結構質量。該研究結果顯示，養生1 d后的微裂試樣微裂損傷程度為15%～20%，結合實驗設計需將微裂損失程度控制在20%～40%，故后續研究主要集中在水穩碎石基層養生2 d和3 d后的力學性能指標恢復情況。檢測結果顯示，養生2 d和3 d后，水穩碎石試樣的損傷程度與振動時間關系如表1所示。

以后續試驗研究為基礎，要制備特定損傷程度的水穩碎石材料，需對振動參數指標進行嚴格控制并注意振動時間符合規范。完成養生2 d和3 d后，水泥穩定碎石試件抗壓強度損失20%、30%、40%時，試件劈裂強度與抗壓回彈模量之間的關系如表2所示。

對表2分析可知：

（1）養生2 d后水泥劑量控制為3%～5%范圍內時，時間劈裂強度值與抗壓回彈模量損傷程度值高出抗壓強度損失值15%～25%。

（2）養生3 d后劈裂強度與抗壓回彈模量損傷程度比抗壓強度損傷程度高出10%～20%。

（3）水穩碎石材料抗壓強度損失在20%～40%時，劈裂強度損傷程度約35%～65%，抗壓回彈模量損失程度約30%～60%[10]。

4 結論

綜上所述，該文對微裂技術特點及其應用原理進行了介紹，并分析了影響微裂技術應用效果的因素，結合微裂損傷程度控制試驗結果可知：

（1）養生期1～3 d范圍內，水泥穩定碎石基層的抗壓強度損失程度隨振動時間的增大而降低：①養生1 d后水穩碎石基層微裂損傷程度可達15%～20%，振動時間約30～45 s；②養生2 d和3 d后，最大微裂損傷程度在35%～45%范圍內，振動時間約150～180 s；③振動壓實儀振動參數一定的條件下，控制水泥劑量為3%～5%，水泥穩定碎石養生2 d和3 d后，不同微裂損傷程度需要的振動時間有所差異，為后續相關研究提供了理論基礎；

（2）水泥穩定碎石材料微裂后，劈裂強度、抗壓回彈模量損傷程度比抗壓強度損傷程度高。水泥劑量為3%～5%的水泥穩定碎石材料，養生2 d和3 d后微裂，抗壓強度損傷為20%～40%條件下，劈裂強度損傷程度與抗壓回彈模量的損傷程度分別為35%～65%和30%～60%。

參考文獻

[1]趙源. 骨料界面弱化水泥穩定碎石破壞行為研究[D]. 天津：河北工業大學， 2021.

[2]田波， 權磊， 張艷聰. 半剛性基層損傷開裂機制與微裂技術研究綜述[J]. 山西交通科技， 2022（5）： 1-8.

[3]趙謨涵. 落錘沖擊作用下的水泥路面微裂均質化機理[D]. 西安：長安大學， 2021.

[4]劉子龍， 馬士賓， 賀苗， 等. 基于離散元法的水泥穩定碎石微裂細觀機理研究[J/OL]. 土木與環境工程學報（中英文）： 1-10[2023-05-14].

[5]樊旺生. 微裂水泥穩定碎石基層材料抗凍性能研究[J]. 黑龍江交通科技， 2022（1）： 55-57.

[6]劉勇. 水穩碎石基層施工技術及質量控制分析[J]. 黑龍江交通科技， 2021（10）： 12-13.

[7]張繼春. 道路水穩碎石基層配合比設計及施工探討[J]. 工程建設與設計， 2021（18）： 94-95+111.

[8]劉洋. 公路改造項目水穩碎石基層施工質量控制要點研究[J]. 運輸經理世界， 2020（13）： 100-101.

[9]張明， 李實成， 吳紅輝， 等. 填充式大粒徑水穩碎石基層在重載密集山區國省干線上的應用——以富源公路分局G320滬瑞線、S204升長線為例[C]//中國公路學會養護與管理分會. 中國公路學會養護與管理分會第十二屆學術年會論文集， 2022： 264-270.

[10]謝勇波. 探索水穩碎石基層雙層連鋪施工關鍵技術[J]. 中國公路， 2021（15）： 102-104.