水泥穩定碎石層膨脹性及路面拱起防治措施研究

摘 要：針對某道路水泥穩定碎石層基層膨脹變形引發瀝青路面拱起開裂的現象，本文設計了基于溫度變化的水泥穩定碎石混合料膨脹性試驗，結果說明，水泥含量、水泥級配和養護時間都會顯著影響水泥穩定碎石混合料的膨脹性。混合料對溫度變化敏感，當溫度為40℃～50℃時，其區段膨脹變形量和區段膨脹系數均達到最大值。因此研究提出在溫度適宜的春秋季節施工，并采取脹縫和柔性基層等防治措施，并通過現場檢測調研證明了這些方法的有效性。

關鍵詞：路面拱起開裂；水泥穩定碎石混合物；膨脹變形

中圖分類號：U 41" " 文獻標志碼：A

公路在長期受到車輛荷載和外界環境等因素的作用下，常出現拱起和開裂等病害[1]。其中，半剛性基層拱起開裂是導致瀝青路面出現上述病害的主要原因[2]。基于此，大量學者進行了深入研究，譚晶晶等[3]針對新疆地區特殊的大溫差環境及交通條件，利用有限元軟件深入分析了半剛性基層開裂工況、超載工況及極端低溫工況下，瀝青路面的裂縫發展趨勢及力學響應能力。楊美坤等[4]采用ABAQUS軟件建立不同形態半剛性基層反射裂縫的瀝青路面三維模型，深入研究了不同荷載作用下，路面的承載力響應特性，并與現場實測結果進行對比，驗證了數值仿真計算的有效性。房娜仁等[5-6]以水泥穩定碎石層為研究對象，通過一系列試驗對其強度形成機理進行了深入研究，并提出相應的反射裂縫防治對策和瀝青路面疲勞壽命預估方法。山東地區某一級道路存在明顯的拱起開裂病害，且面層修復處理始終無法徹底解決問題。本研究結合工程經驗，判斷病害原因是水泥穩定碎石層受環境溫度影響，產生膨脹變形所致。基于此，本文設計了基于溫度變化的水泥穩定碎石混合料膨脹性試驗，并提出了相應的防治措施。

1 工程概況

本文基于山東某一級道路，結合室內試驗進行系統研究。通過現場實地調研可知，該道路所在區域夏季溫度較高，路面最高溫度可達到80℃，使結構層受到較大的溫度應力作用，導致水泥碎石基層在高溫下產生較大的膨脹變形，形成傾斜裂縫。持續的高溫作用使基層不斷膨脹，最終導致瀝青路面出現拱起和開裂現象。

2 水泥穩定碎石層膨脹性研究

2.1 試驗設計

基于道路工程的水泥穩定碎石混合料原材料包括粗集料、細集料、P?C 32.5號水泥以及普通自來水。根據相關要求對上述原材料進行檢測，結果表明，粗集料的壓碎值為15%、針片狀顆粒含量為13.2%、0.075mm以下粉塵含量為0.6%、軟石含量為2.5%。細集料塑性指數為11.2%、有機質含量為1.1%、硫酸鹽含量為0.10%。水泥的初凝時間為3.5h，終凝時間為7h。所有原材料技術指標均符合《公路路面基層施工技術細則》要求。

選用上述材料配置水泥穩定碎石混合料，通過控制變量法研究水泥含量、水泥級配、養護時間等因素對混合料膨脹性的影響。

根據實際情況可知，該一級道路路面最高溫度為80℃，此時水泥穩定碎石層的溫度約為58℃，而在施工過程中，其溫度約為10℃。基于此，設定溫縮試驗的溫度，如圖1所示。

2.2 水泥含量

為研究水泥含量對水泥穩定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥級配為C-B-3、養護時間為7d的前提下，分別對水泥含量為4.0%、4.5%、5.0%和5.5%工況進行膨脹性試驗。

通過計算得到不同水泥含量工況下，水泥穩定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數，如圖2所示。由圖2可知，當其他條件保持不變時，隨著水泥含量增加，混合料的總膨脹變形量、膨脹系數均隨之增加。出現該現象的原因是隨著水泥含量增加，粗細集料之間的膠結能力會增強，從而形成穩定的骨架結構，使集料在內部自由移動的可能性變小。而隨著溫度升高，部分集料對某個方向產生位移，從而帶動整個骨架移動，水泥含量越高，骨架移動越明顯，混合料的總膨脹變形量和膨脹系數也就越大。因此，為減少該區域路面膨脹帶來的病害威脅，應在滿足強度要求的前提下，將水泥含量控制在較小的范圍內。

不同水泥含量的混合料在不同溫度區段時的膨脹變形量如圖3所示。由圖可知，在不同的溫度區段內，混合料的膨脹變形量并不完全相同。在前4個區段內，區段膨脹變形量均隨著溫度升高而增加，當溫度為40℃～50℃時，區段膨脹變形量最大，而當溫度升至50℃～60℃時，區段膨脹變形量反而有所減少。出現該現象的主要原因是前期溫度相對較低，混合料內部溫度應力相對較小，受到內力約束作用，其膨脹變形量不明顯。而后續隨著溫度不斷升高，溫度應力不斷增加，其膨脹變形量大幅增加。而在溫度進一步上升后，雖然溫度應力依舊保持增長趨勢，但是內部約束力作用限制了混合料的膨脹變形，從而導致膨脹變形量減少。由此可見，該水泥穩定碎石混合料對溫度變化較為敏感，其膨脹性受溫度影響較大。

2.3 水泥級配的影響

為研究水泥級配對水泥穩定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥含量為4.5%、養護時間為7d不變的前提下，分別對水泥級配為C-B-1、C-B-2、C-B-3以及OGFC工況進行膨脹性試驗。其中，C-B-1型屬于懸浮密實型，最大粒徑為19.0mm，C-B-2型屬于懸浮密實型，最大粒徑為16.0mm，C-B-3型屬于密實型，最大粒徑為26.5mm，OGFC型為常用瀝青級配，屬于空隙型，最大粒徑為16.0mm。

通過分析計算，得到不同水泥級配工況下，水泥穩定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數，如圖4所示。由圖4可知，不同級配的混合料膨脹性差別較大，在4種級配中，C-B-2型混合料總膨脹量和膨脹系數最大，其次為C-B-1型混合料，而C-B-3型混合料最小。因此在實際工程中，為減少水泥穩定碎石層的膨脹變形，建議使用C-B-3型混合料。不同水泥級配的混合料在不同溫度區段的膨脹變形量與上文類似。在前4個區段內，混合料區段膨脹變形量隨溫度升高而增加，當溫度為40℃～50℃時，區段膨脹變形量最大，當溫度升至50℃～60℃時，區段膨脹變形量反而有所減少。

2.4 養護時間的影響

為研究水泥含量對水泥穩定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥含量為4.5%、水泥級配為C-B-3的前提下，分別對養護時間為7d、28d和90d工況進行膨脹性試驗。

通過計算統計不同養護時間工況下，水泥穩定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數。結果表明，當其他條件保持不變時，隨著養護時間增加，混合料的總膨脹變形量、膨脹系數均隨之增加。出現該現象的原因主要是養護時間越長，混合料中水泥和水相互作用越充分，混合料集料間的膠結能力越強。而當混合料集料間的膠結能力增強后，其在溫度變化作用下的膨脹變形趨勢與高水泥含量時的變化類似。此外，養護時間28d時的膨脹系數為1.77×10-5，養護時間90d時的膨脹系數為1.87×10-5，兩者差值較小，由此可見，隨著養護時間增加，水泥與水不斷進行相互作用，直至完全水泥水化后，繼續增加養護時間也不會使混合料膨脹性提高。而不同養護時間的混合料在不同溫度區段時的膨脹變形量與上文類似，當溫度為40℃～50℃時，混合料區段膨脹變形量最大。

2.5 溫縮性分析

以水泥含量為4.5%、水泥級配為C-B-3、養護時間7d的混合料為例，對比分析水泥穩定碎石混合料的膨脹性和溫縮性，試驗時的混合料變形隨溫度的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，當溫度發生變化時，混合料就會產生明顯變形，即水泥穩定碎石混合料對溫度變化十分敏感。當溫度區段相同時，溫度降低導致的混合料收縮變形，比溫度升高導致的膨脹變形更為明顯。而當時間為14.5h～15h，試驗溫度從60℃降至50℃時，混合料變形先突增，后迅速減少。出現該現象的原因可能是溫度突然降低，導致混合料產生了較大的疲勞損傷。

3 防治措施和處治效果

3.1 防治措施

水泥穩定碎石混合料屬于溫度敏感型材料，其膨脹和收縮變形受溫度影響較大。因此，應選擇在春秋季節進行施工，盡量避開夏季和冬季，避免因溫差過大導致路面拱起和開裂。

設置脹縫是預防水泥穩定碎石層拱起開裂的常用手段。結合區域氣候條件及實際工程情況，為預防水泥穩定碎石層開裂，每隔150m設置一條脹縫是合理的。綜合考慮經濟性和施工難度，建議工程采用土工格柵式脹縫。

為減少水泥穩定碎石層拱起開裂對瀝青路面的影響，可以在兩者之間增設一層柔性基層。柔性基層不僅可以分散內部應力，還可以阻礙溫度傳遞，為水泥穩定碎石層保溫，減少外界溫度變化對其的影響，避免拱起和開裂現象，有效提高路面的整體穩定性和耐久性。

3.2 處治效果

工程路面拱起開裂現象嚴重，對行車安全會造成嚴重的威脅，養護部門根據上述防治措施對該道路進行處置，具體步驟如下。1）施工時間選擇：在秋季進行道路修復施工，避免夏季和冬季極端溫度對施工質量的影響。2）鏟除受損層：鏟除拱起和開裂區域的瀝青面層和水泥穩定層，清除所有受損材料，暴露出完好的基層。3）填充和設置脹縫：在水泥穩定碎石層和瀝青面層之間填充級配碎石，提高層間的柔性。根據設計要求設置脹縫，保證每隔150m設置一條，以此吸收溫度變化引起的應力，防止再次拱起和開裂。4）鋪設瀝青面層：重新鋪設瀝青面層，保證材料均勻分布，并進行充分碾壓，保持路面的平整度和壓實度，恢復其行車性能和舒適性。

施工結束一年后，在道路路面脹縫和非脹縫處各選5個測點，對其進行彎沉值檢測，脹縫測點的平均彎沉值為0.158mm，非脹縫測點的平均彎沉值為0.136mm，所有檢測結果均滿足小于0.2mm的要求。由此可見，上述防治方法可有效處理水泥穩定碎石層膨脹變形引發路面拱起開裂。

4 結論

針對水泥穩定碎石層基層膨脹變形引發瀝青路面拱起開裂的現象，本文設計了相應的基于溫度變化的水泥穩定碎石混合料膨脹性試驗，并得到以下結論。1）水泥含量、水泥級配和養護時間都會對水泥穩定碎石混合料的膨脹性產生較大的影響。試驗表明，水泥含量為4.5%、水泥級配為C-B-3、養護時間為7天的混合料的總膨脹變形量和膨脹系數均較小。2）水泥穩定碎石混合料對溫度變化較為敏感。在10℃～20℃、20℃～30℃、30℃～40℃、40℃～50℃這4個溫度區段中，混合料區段膨脹變形量均隨著溫度升高而增加。而在50℃～60℃溫度區段，混合料區段膨脹變形有所減少。3）根據室內試驗結果和工程經驗，研究提出在溫度適宜的春秋季節開始施工和設置脹縫、柔性基層等措施，并通過現場檢測調研證明上述方法的有效性。

參考文獻

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