水泥穩定碎石基層瀝青路面開裂成因及防治措施淺析

彭小兵,劉維鋒

(1.湖南省湘西州交通建設質量安全監督管理處;2.湖南省湘西自治州交通規劃勘察設計院)

瀝青路面因其平整與舒適性,廣泛用于公路路面的鋪筑。瀝青路面結構組合設計中,由于水泥穩定碎石基層有其良好的力學性能和板體性等優勢,且料源廣泛,可就地取材,便于原材料的采集加工和混合料的拌制,水泥穩定碎石半剛性基層瀝青路面目前已成為國內公路的主要路面類型。

據對湘西境內部分已建的通鄉油路和省道S229局部路段的調查表明,水泥穩定碎石基層易開裂,裂縫間距一般為70～90cm,病害嚴重路段為 15～25cm,裂縫寬度約在 1～10mm間。基層的開裂反射至面層,繼而影響路面的使用壽命。在工程實踐中,如何發揮水穩半剛性基層的優勢,克服其抗變形能力低的弱點,提高瀝青路面的整體質量水平和服務水平,在此就自己的認識對其開裂成因進行淺顯的分析,探討宜采取的防治措施。

1 水泥穩定碎石基層的特點

水泥穩定碎石基層是指以水泥作為主要的膠結材料,以碎石為骨料,加入適量的水,經拌和而形成混合料,再經攤鋪、碾壓成型的一種道路基層,是一種半剛性基層。由于有骨料,有膠結材料,碾壓成型后的水泥穩定碎石基層具板塊性,具有強度高、早期強度形成快、承載力大的特點,是路面結構的主要承重層。

因其水泥含量一般在 5%左右,水泥含量低,集料以碎石為主,級配差,所形成的基層抗折強度低,抵抗變形的能力弱小,易產生剪切變形。

同時水泥的品質、水泥含量、集料的含水量、摻入的水量、骨料的材料與質量、拌和的時間與均勻性、碾壓工藝、攤鋪的厚度、施工時的天氣情況、開放交通的時間等因素,均對其混合料形成的強度的高低有其直接的影響。

2 開裂成因分析

根據對發生裂縫病害路段的相關檢測與調查,較早出現裂縫是在水穩層養生過程中開始出現,一般在基層頂面沿橫向開裂且多為等間距,成直線型,縫長不等,主要是由于基層材料的干縮和溫度收縮而引起,這對瀝青路面面層的裂縫的形成特別是反射裂縫的發生有很大影響;開放交通后在車輛荷載作用下也不同程度地存在開裂現象。究其機理,一般為收縮裂縫、溫度裂縫與荷載裂縫三類。

2.1 收縮裂縫

水泥與碎石和水經拌和、壓實后,由于水分的蒸發和混合料內部的水化作用,混合料的水分會不斷的減少。由于水分的減少,混合料進一步發生一系列的物理化學反應,使半剛性材料產生體積收縮,從而導致基層裂縫的產生。

如果施工期間氣溫沒有太大變化,混合料從最佳含水量到較干燥的干縮過程為一次性的干縮,其產生的裂縫是有限的,裂縫較少,裂縫也較細。如果這段時間間隔較長,基層混合料多次經歷風吹雨淋日曬,多次重復干縮過程,必然會使基層出現較嚴重的拉裂現象,這種破壞在多雨的季節和路段特別明顯。

2.2 溫度裂縫

水泥穩定碎石基層屬半剛性體,同樣具有熱脹冷縮的特性。水泥無機結合料內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生熱脹冷縮的體積變化,從而引起溫縮性裂縫。

水泥穩定碎石生成的新膠結礦物和碎石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。自由水、毛細水、結構水、結晶水存在于混合料內部的孔隙中和膠體中,當溫度升高時,可以產生相當大的擴張力使顆粒間距增大而產生膨脹。混合料中的毛細孔、內部孔隙充盈著氣體,溫度升高時水穩層內部結構氣體體積受熱充分膨脹,結構內的顆粒相應充滿擴張力;溫度下降時原膨脹的氣體體積收縮,顆粒內的結構應力減小,產生收縮力,體積變小。當擴張力超過臨界值時,水穩層就會產生起拱;當收縮力超過結構拉應力時,便產生橫向裂縫。

2.3 荷載裂縫

對于路基土組,由于土基強度低,在重復荷載作用下土基易產生再壓實的剪切變形,土基的剪切變形需要底基層和基層來予以抵抗。水泥穩定碎石混合料固有的抗折強度低的劣勢,易導致基層產生剪切變形而出現開裂。荷載性的裂縫一般發生在基層的底部,由于車輛荷載的反復作用,裂縫逐漸向上擴展至表面。

3 防治措施

通過對水穩基層裂縫產生的原因分析,水穩基層裂縫的產生是難以避免的,但采取一定的措施后,可以減少裂縫的出現和減輕開裂所造成的病害。

(1)嚴格控制級配和壓實度:控制混合料中小于0.075mm以下的顆粒(礦粉、粘土)含量,小于0.075mm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),嚴重影響水穩層的質量。同時,當細集料增加時,混合料的溫縮系數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。對混合料的碾壓,除對混合料的嵌擠致密作用外,對土基也是一種負荷。水泥穩定碎石基層級配和壓實度的好壞,不但影響水泥穩定基層的強度和剛度,而且還影響到水泥穩定基層的干縮性和耐凍性,控制好級配和壓實度可預防裂縫的產生。

(2)優選石料:作為水泥穩定基層用的碎石要求不是很高,規范中只有 4個指標:相對密度、壓碎值、有機質含量、硫酸鹽含量,因此很多巖礦都可作為基層碎石的料礦。碎石原材料采集時可以多選擇幾個石料場進行比對,選擇壓碎值、有機質含量、硫酸鹽含量較低的石料進行軋制,提升混合料的質量。

(3)嚴格控制水泥用量:一般的水泥穩定碎石基層,其設計強度通常為 3～5MPa,設計強度越高,所需水泥用量越大。基層剛性越大,越易產生干縮性裂縫,縫寬也越大。在滿足強度標準的前提下,采用較小的水泥用量,使水泥用量不大于 5.5%。目前湘西州內在建的幾條通鄉油路中,水穩基層水泥用量設計及施工上均采用 5%,對減少收縮裂縫的產生有一定的效果。

(4)掌控好碾壓時的最佳含水量:水泥穩定碎石基層干縮應變隨混合料的含水量增加而增大,施工碾壓時含水量越大,結構層越易產生干縮性裂縫。即使鋪筑了瀝青面層,在旱季或冬季也可能產生干燥裂縫。因此在施工時,應根據天氣情況適當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早、中、晚各不相同,并且,還要根據運距遠近、運輸車輛配置情況進行不斷的調整,確保碾壓時混合料含水量在最佳含水量范圍內。

(5)科學養護:攤鋪完成后,要及時用稻草、麻袋等覆蓋進行灑水養護,防止基層因混合料內部發生水化作用和水分的過分蒸發引起表面的干縮性裂縫現象。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,不一定需要灑水養護。可能的情況下,養護期結束,立即進行瀝青封層或透層油的施工,及時攤鋪瀝青面層,這樣水穩層裸露的時間短,能有效地減少重復干縮產生的裂縫。

(6)選擇有利的季節或時間進行水穩基層的施工:水穩基層施工最好選擇在年平均氣溫時節,此時氣溫變化不大,結構內溫度應力較小,水穩層不易產生熱脹冷縮的現象。施工時的氣溫與一年中最冷或最熱時的溫差越大,越易產生溫縮性裂縫。冬天氣溫低于 5℃時,一般不能進行水穩基層的施工。

(7)適時開放交通:水泥膠結材料的特性使得水穩基層混合料凝結較快,早期強度形成快,達到齡期后強度增長呈衰變趨勢,且早期強度的形成與溫度關系密切,溫度高則早期強度來得快。過早開放交通,對混合料的凝結成板和強度的形成帶來直接影響,這種影響作用不可逆轉;即使有了一定的強度和剛度,但強度及剛度尚未達到使用要求,車輛荷載作用下極易出現開裂。因此,開放交通不宜過早,應在其達到齡期后。

4 結 語

基層的裂縫病害產生后,一是降低了基層的整體強度,二是發展后會形成反射裂縫,使瀝青路面相應地出現裂縫和起拱。如不及時予以處理,雨水從裂縫內向下滲透,瀝青路面的面層和基層裂縫縫隙處充滿自由水,在車輛荷載反復沖擊下,就會使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,從而導致瀝青路面出現坑洞、碎裂、松散,造成瀝青路面的早期破損,影響其使用壽命,影響行車的速度和安全。在水穩基層瀝青路面工程實踐中,如何采取行之有效的措施,減少水穩基層裂縫的產生,減少瀝青路面的大中修,提高道路的服務水平和使用壽命,是一項有意義的探索。

[1] 公路瀝青路面設計規范(JTGD50-2006)[S].

[2] 公路瀝青路面施工技術規范(JTGF40-2004)[S].