巖土工程師輔導(dǎo)：水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫探討

　　一、概述

　　用水泥穩(wěn)定粗粒土(顆料的最大粒徑小于50mm且其中小于40mm的顆粒含量不少于85%)和中粒土(顆粒的最大粒徑小于30mm且其中小于20mm的顆粒含量不少于85%)得到的混合料，視所用原材料為碎石或礫石，簡稱為水泥碎石或水泥礫石。

　　水泥穩(wěn)定碎石有良好的力學(xué)性能和板體性，其初期強度高并且強度隨齡期增長，其力學(xué)強度還可視工程需要進行調(diào)整。其特點是：強度高，水穩(wěn)性好，抗凍性好，耐沖刷，溫縮性和干縮性均較小，是一種優(yōu)良的路面基層材料。然而水泥穩(wěn)定碎石料也有其與生俱來的缺點：主要是脆性大，從而導(dǎo)致對溫度和濕度敏感性強，易因溫度變化和濕度變化產(chǎn)生裂縫并反射到路面，導(dǎo)致路面強度和使用性能大大降低，產(chǎn)生沖刷和唧唧漿現(xiàn)象，這也是路面工程不可忽視的病害。

　　二、產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象

　　水泥穩(wěn)定集料基層是將一定級配的集料與水泥和水一起拌和后，在最佳含水量狀態(tài)下碾壓成型，經(jīng)過養(yǎng)生達到一定強度的路面基層結(jié)構(gòu)，此基層是一種半剛性結(jié)構(gòu)。水泥穩(wěn)定基層容易產(chǎn)生裂縫的同時已是影響瀝青混凝土面層破壞的關(guān)鍵因素。這種裂縫，一般在基層頂面沿橫向開裂多為等間距，成直線型，縫長不等，縫寬在0.5～3.5mm左右。較早出現(xiàn)裂縫是在水穩(wěn)層養(yǎng)生過程中開始出現(xiàn)，有的是在瀝青混凝土路面通車后在荷載的作用下出現(xiàn)，這是由于水穩(wěn)層出現(xiàn)裂縫并引起瀝青混凝土面層產(chǎn)生相對的反射裂縫

　　三、裂縫的危害

　　基層裂縫的危害有二個方面：一是降低基層的整體強度，二是發(fā)展后會形成反射裂縫，使瀝青混凝土路面相應(yīng)出現(xiàn)有規(guī)則的橫向裂縫、起拱。出現(xiàn)第二種情況，若不及時處理，雨水從裂縫內(nèi)向下滲透，瀝青混凝土和基層裂縫縫隙處充滿自由水，在車輛荷載反復(fù)沖擊下，就會使瀝青混凝土中粘附在碎石表面的瀝青剝離，基層的細集料形成泥漿被擠壓出路面，瀝青混凝土路面出現(xiàn)坑洞、碎裂、松散，造成瀝青混凝土路面早期破損，影響其使用壽命。基層裂縫的危害較為常見，直接影響到了路面行車的速度和安全

　　四、裂縫產(chǎn)生的原因

　　對于道路上的半剛性基層，要求其具有較小的收縮性。半剛性材料的收縮包括二個方面，一是由于水分子減少而產(chǎn)生的干縮，二是由于溫度降低而產(chǎn)生的溫度收縮。

　　基層材料的干縮和溫度收縮是引起基層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向裂縫的主要原因。對瀝青面層的開縫特別是反射裂縫的發(fā)生有很大影響，另外一個原因是在車輛荷載作用下產(chǎn)生的裂縫。

　　1、干縮性裂縫：干縮性裂縫的情況有兩種，一是水泥穩(wěn)定碎石壓實成型到正常養(yǎng)護期(一般為7 d)的干縮;二是養(yǎng)護期滿后到施工瀝青封層或透層、攤鋪瀝青混凝土面層這段時間的干縮。其機理基本上是一樣的，只是其損害的程度有所不同。

　　水泥穩(wěn)定碎石壓實成型到正常養(yǎng)護期(一般為7d )期間，由于混合料本身的水份和養(yǎng)護灑水的水分蒸發(fā)以及混合料內(nèi)部水化作用發(fā)生的毛細管作用、分子間吸附作用力和碳化收縮作用等，引起基層混合料體積在一定程度趨于減小而收縮，出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象。如果這段時間天氣正常，氣溫沒有太大變化，混合料(基層)從最佳含水量到較干燥的干縮過程可稱之為一次性的干縮，其產(chǎn)生的裂縫是有限的。

　　從基層養(yǎng)護期滿后到施工瀝青封層或透層油、攤鋪瀝青混凝土面層之間，如果這段時間間隔較長，自然天氣從睛到雨，從雨到睛，風(fēng)吹日曬雨淋，基層料從“較干燥→飽水狀態(tài)→較干燥→飽水狀態(tài)”反復(fù)循環(huán)作用，水分反復(fù)的“蒸發(fā)、飽和、蒸發(fā)、飽和”，多次重復(fù)干縮過程，必然會使基層出現(xiàn)較嚴(yán)重的拉裂現(xiàn)象，在薄弱地方就表現(xiàn)為裂縫，這種破壞在多雨的地區(qū)特別明顯。養(yǎng)生結(jié)束后，如其上為瀝青面層，應(yīng)先清掃基層，立即噴灑透層或粘層瀝青、在清掃干凈的基層上，也可先做下封層，以防止基層干縮開裂

　　2、溫縮性裂縫：也就是熱脹冷縮產(chǎn)生的裂縫。萬物都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，水泥穩(wěn)定碎石基層屬半剛性體，也不會例外。在水泥路面設(shè)計和施工中，設(shè)置伸縮縫的做法規(guī)范中已有明確的規(guī)定，并且在施工和實際中得到廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的成效。但長期以來，在水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計規(guī)范或施工技術(shù)規(guī)范中卻沒有提出來，這有待于進一步探索。

　　水泥無機結(jié)合料內(nèi)部的不同礦物顆粒組成的固相、液相和氣相體，在溫差作用中必然會使其產(chǎn)生熱脹冷縮的體積變化，從而引起溫縮性裂縫。

　　(1)固相礦物不同的脹縮性：碎石原材料礦物(主要為SiO2、AI2O3)組成的熱脹冷縮系數(shù)為810-6/℃，水泥穩(wěn)定碎石生成的新膠結(jié)礦物主要成分為C-S-H凝膠體，熱脹冷縮系數(shù)一般為10～2010-6/℃。由于兩者組成的固相復(fù)合穩(wěn)定材料的礦物具有不同的熱脹冷縮性，在溫度變化時其脹縮值是不相同的

　　(2)液相(水)的熱脹縮性：自由水、毛細水、結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水存在于混合料內(nèi)部的孔隙中和膠體中，水的熱脹縮系數(shù)為7010-6/℃。當(dāng)溫度升高時，可以產(chǎn)生相當(dāng)大的擴張力使顆粒間距增大而產(chǎn)生膨脹。

　　(3)氣相的熱脹縮性：混合料毛細孔、內(nèi)部孔隙充盈著氣體。夏天時水穩(wěn)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣體體積受熱充分膨脹，結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒相應(yīng)充滿擴張力。冬季時，原膨脹的氣體體積收縮，顆粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小，產(chǎn)生收縮力，體積變小。當(dāng)擴張力超過臨界值時，水穩(wěn)層就會產(chǎn)生起拱;當(dāng)收縮力超過結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力時，便產(chǎn)生橫向裂縫。

　　3、荷載性裂縫

　　荷載性裂縫一般發(fā)生在基層的底部，由于車輛荷載的反復(fù)作用，裂縫逐漸向上擴展至表面，車輪荷載作用下產(chǎn)生的裂縫反映在面層，往往不是單獨的、稀疏的或較有規(guī)則的裂縫，而是稠密的，有時是相互聯(lián)系的。

　　五、裂縫的預(yù)防

　　1、嚴(yán)格控制級配和壓實度：作為水泥穩(wěn)定基層用的碎石要求不是很高，規(guī)范中只有4個指標(biāo)：相對密度、壓碎值、有機質(zhì)含量、硫酸鹽含量，因此很多巖礦都可作為基層碎石的料礦。高速公路基層碎石用量是很大的，而一般外購的一個石料場的產(chǎn)量卻很小，就必須同時使用幾個料場進料，并且由于儲料場地不足而又混堆儲料，這就產(chǎn)生兩個很嚴(yán)重的問題：一是由于不同礦源篩網(wǎng)不同造成同一檔料內(nèi)各粒料數(shù)量不同，幾檔材料混合后，生產(chǎn)配合比經(jīng)常變化，極易超出上限或下限。二是各料場碎石的密度不同，在確定最大干密度帶來很大的困難――無法在幾種混合礦料中得到一個最具代表性的最大干密度，最終導(dǎo)致現(xiàn)場無法進行正常壓實度檢測和控制，壓實度經(jīng)常超過100%或小于極限值。

　　如果只使用一個巖礦做粗集料的料場，既能保證生產(chǎn)配合比與理論配合比吻合較好，也能保證最大干密度不至于經(jīng)常變化，有利于壓實度的現(xiàn)場控制。事實證明，水泥穩(wěn)定碎石基層級配和壓實度的好壞，不但影響水泥穩(wěn)定基層的干縮性，而且還影響到水泥穩(wěn)定基層的耐凍性。所以，控制好級配和壓實度可預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。

　　2、嚴(yán)格控制混合料中小于0.075以下的顆粒(礦粉、粘土)含量：小于0.075以下的顆粒含量增加時，不但增加了水泥的用量，而且基層表面還容易起皮(起砂)，嚴(yán)重影響水穩(wěn)層的質(zhì)量。同時，當(dāng)細集料增加時，混合料的溫縮系數(shù)隨溫度降低的變化幅度越來越大。溫度越低，細粒料對溫縮的影響也越大。因此，規(guī)范中水穩(wěn)層的顆粒組成范圍規(guī)定：集料中0.5mm以下細粒土有塑性指數(shù)時，小于0.075以下的顆粒含量不應(yīng)超過5%，細粒土無塑性指數(shù)時，小于0.075以下的顆粒含量不應(yīng)超過7%。

　　在實際施工控制中，要減小0.075以下的顆粒(礦粉、粘土)含量采用在儲料場過篩方法除去或用水沖洗是很不現(xiàn)實也很費時的。最好的方法是在破碎現(xiàn)場加裝水洗裝置或者在破碎機的皮帶運輸機最后一環(huán)節(jié)上再加裝一個可360度旋轉(zhuǎn)的滾動篩。經(jīng)過這個工序，小于0.075以下的顆粒含量將會大大減小。施工時，如果能將塑性指數(shù)控制在小于4%，不但可以減小水泥穩(wěn)定粒料的收縮性，而且還可以提高壓力水對基層的抗沖刷能力

　　3、嚴(yán)格控制水泥用量和碾壓時的最佳含水量：一般的水泥穩(wěn)定碎石基層，其設(shè)計強度通常為3～5Mpa。設(shè)計強度越高，所需水泥用量越大?；鶎觿傂栽酱?，越易產(chǎn)生干縮性裂縫，縫寬也越大，所以規(guī)范規(guī)定水泥劑量ㄑ6%(美國和日本也限制在6%，法國限制在5%)。

　　水泥穩(wěn)定碎石基層干縮應(yīng)變隨混合料的含水量增加而增大。施工碾壓時含水量越大，結(jié)構(gòu)層越易產(chǎn)生干縮性裂縫。即使鋪筑了瀝青面層，在旱季或冬季也可能產(chǎn)生干燥裂縫。因此在施工時，應(yīng)根據(jù)天氣情況適當(dāng)增加或減少拌和用水量。例如，在夏天施工氣溫較高，即使在同一天施工，混合料的拌和用水量也應(yīng)早、中、晚各不相同，并且，還要根據(jù)運距遠近、運輸車輛配置情況不斷的調(diào)整，確保碾壓時混合料含水量在最佳含水量范圍內(nèi)。

　　攤鋪完成后，要及時用尼龍布、麻袋布覆蓋進行灑水養(yǎng)護，防止基層因混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用和水分的過分蒸發(fā)引起表面的干縮性裂縫現(xiàn)象。如果在冬天施工溫度較低，則可以用一層塑料薄膜再加上二層土工布覆蓋保溫，不一定需要灑水養(yǎng)護。

　　可能的情況下，養(yǎng)護期結(jié)束，立即進行瀝青封層或透層油的施工，及時攤鋪瀝青混凝土面層，這樣水穩(wěn)層裸露在外面風(fēng)吹日曬雨淋的時間短，能有效地減少“重復(fù)干縮”產(chǎn)生的裂縫。這個措施是非常有效的。

　　4、選擇有利的季節(jié)或時間進行水穩(wěn)基層的施工：水穩(wěn)基層施工最好選擇在年平均氣溫時期施工。由于此時氣溫變化不大，結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度應(yīng)力較小，水穩(wěn)層不易產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。施工時的氣溫與一年中最冷或最熱時的溫差越大，越易產(chǎn)生溫縮性裂縫。

　　如果在夏天酷暑條件下施工，最好能選擇在早晚的時間，盡可能避開中午時間進行攤鋪，并要加強覆蓋灑水養(yǎng)護，保證水穩(wěn)層處于濕潤狀態(tài)。

　　冬天氣溫低于5℃時，一般不能進行水穩(wěn)基層的施工。在有冰凍的地區(qū)，應(yīng)在第一次重冰凍(-3～-5℃)到來之前半個月到一個月內(nèi)完成。

　　六、裂縫的處治

　　1、密封膠封縫技術(shù)

　　水穩(wěn)層出現(xiàn)裂縫，需要進行及時的封填處理，有效阻止水分的滲入，防止病害的進一步擴展和蔓延。密封膠封縫技術(shù)是一種比較成功的途徑，當(dāng)密封膠加熱到180℃以后，粘度變得很低，灌入裂縫后，很快就滲透到裂縫兩側(cè)的混合料中并融合到一起，當(dāng)密封膠冷卻后，在常溫和低溫時均有著較高的彈性，可隨著裂縫的脹縮而發(fā)生彈性變形，始終保持其密封作用，這樣就長期、有效地封閉了水穩(wěn)層的裂縫。在灌縫之前，首先要用切縫機對裂縫進行切縫處理，當(dāng)裂縫寬度超過3mm，都應(yīng)該進行切縫。

　　2、填灌瀝青膠、鋪設(shè)土工布技術(shù)

　　基層頂面出現(xiàn)裂縫后，首先應(yīng)將較大的裂縫進行切縫處理，填灌瀝青膠，對較小的裂紋，直接鋪上土工布。這種土工布多為深色或灰色，具有抗老化、耐高溫、強度高、單面燒毛等特點。施工時橫向搭接寬度為10cm，縱向搭接為5cm。施工前應(yīng)在基層頂上先灑布粘層油，用量約0.7～1.1kg/┫，再鋪土工布，并進行碾壓，注意施工車輛不得在土工布表面轉(zhuǎn)彎。最后再灑布一次粘層油，用量約為0.5～0.6kg/┫，爾后方可攤鋪瀝青混凝土面層。用這種方法處理基層反射裂縫是目前較為有效的解決方法。

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