高等級公路半剛性基層瀝青路面裂縫形成機理及防治措施

河南省公路工程局集團有限公司 杜冬峽

高等級公路半剛性基層瀝青路面裂縫形成機理及防治措施

河南省公路工程局集團有限公司 杜冬峽

由于半剛性基層具有強度高、水穩性和冰凍穩定性好、剛性較大、材料板體性好、利于機械化施工且工程造價低、能適應重交通發展的需要等優點，因而，我國高等級公路建設中越來越多地采用了半剛性材料基層。目前，我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層采用了半剛性材料，并且在我國今后高等級公路建設中，半剛性基層材料仍將成為路面基層的主要材料。

然而，隨著半剛性基層瀝青路面的大量應用，國內已建成高速公路使用調查表明，通車后一年或兩年均出現了大量裂縫。就目前的研究現狀來看，引起路面開裂的原因有很多，有面層材料方面的、基層材料方面的、設計方面的、施工方面的以及環境方面的，對路面裂縫所采取的防治措施也是分別針對上述幾方面的。深入系統地研究和探討半剛性基層裂縫產生的具體原因并采取相應有效的防治措施，將有益于延長路面的使用壽命，使半剛性基層路面發揮其更好的使用性能。

一、半剛性基層瀝青路面裂縫的主要類型

瀝青路面開裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的，影響裂縫的主要因素有：瀝青和瀝青混合料的性質、基層材料的性質、氣候條件、交通量和車輛類型以及施工因素等。按路面開裂的形式路面裂縫可分為：橫向裂縫、縱向裂縫和網狀裂縫。但就瀝青路面開裂的主要原因而論，主要分為兩大類，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。非荷載型裂縫又可分為瀝青面層自身的溫縮裂縫和由基層溫縮、干縮、疲勞引起的面層開裂。瀝青面層自身的溫縮裂縫包括低溫收縮裂縫和由于溫度反復升降導致的溫度應力疲勞裂縫。由基層溫縮、干縮和疲勞引起的面層開裂形式主要是反射裂縫和對應裂縫。在上述諸多類型的裂縫中，非荷載型裂縫是最主要的，尤其是由半剛性基層材料溫縮和干縮引起的裂縫問題最為嚴重。

二、半剛性基層瀝青路面裂縫形成機理

半剛性基層的裂縫是由其溫度收縮、干燥收縮和疲勞荷載作用產生的，而疲勞荷載作用是次要的，主要因素是溫度收縮和干燥收縮。因而，半剛性基層材料的溫度收縮機理和干燥收縮機理便構成了半剛性基層裂縫形成的主要機理。

1.溫度收縮機理。半剛性基層材料的基本結構是由固相、液相、氣相組成。因而，半剛性基層材料的外觀脹縮性是固、液、氣三相不同溫度收縮性的綜合效應，使得基層材料產生體積收縮即溫度收縮。

由于半剛性基層材料存在著上述的溫度收縮特性，基層鋪筑后，到了冬季隨著溫度的降低，基層材料便產生收縮，即使是鋪了瀝青面層后，如果面層較薄也會產生溫度收縮。當氣溫大幅度下降時，基層材料中拉應力或拉應變會急劇增大，一旦超過基層材料的極限抗拉強度或極限抗拉應變就會引起基層的開裂。半剛性基層一般是在高溫季節中鋪筑而成，成形初期未被瀝青面層封閉，由于環境溫度存在著晝夜溫差，在基層中產生較大溫度應力，這種溫度應力日復一日地反復作用在基層中，就會使基層產生裂縫。

2.干燥收縮機理。半剛性基層的干燥收縮是指基層材料因內部含水量變化而引起的體積收縮現象。其基本原理是由于水的蒸發而發生的毛細管張力作用、吸附水及分子間力作用、干燥收縮的層間水作用以及碳化脫水作用而引起的整體宏觀體積變化。

（1）毛細管張力作用。半剛性基層材料毛細管中水的彎液面存在內外壓力差，即毛細管張力，以壓力的形式作用于毛細管壁。

（2）吸附水及分子間力作用。毛細管水蒸發完結后，隨著相對濕度的繼續減小，半剛性基層材料中的吸附水開始蒸發，使顆粒表面水膜變薄，其間距變小、分子力增大，導致其宏觀體積進一步收縮。

（3）干燥收縮的層間水作用。半剛性基層材料中的一些層狀結構物晶體或非晶體，如黏土礦物、C-S-H凝膠、C-A-H結晶等，層間“夾”有大量層間水及水化離子，隨著層間水的蒸發，使晶格間距減小，也會引起整體收縮。

（4）碳化脫水作用。所謂碳化收縮也就是由于碳化反應引起的收縮，即在碳化反應中，Ca（OH）2和CO2反應生產水和CaCO3結晶體，所生成的水散失后所引起的體積收縮。

三、針對半剛性基層裂縫的措施

由以上分析可知，高等級公路半剛性基層路面產生裂縫的種類比較多，產生的機理也較復雜，因而裂縫的防治也是一項復雜的工作，必須根據相關因素做出全面考慮。控制基層的開裂是半剛性基層瀝青路面防裂的關鍵。半剛性基層開裂原因是由于基層內部的最大收縮應力超過了半剛性材料的抗拉強度，因而，防治半剛性基層裂縫的措施就是減小基層內部最大收縮應力和增大半剛性材料抗拉強度的措施，可針對半剛性基層最大溫縮、干縮應力的影響因素采取相應的措施。

1.針對半剛性基層材料的措施。為減少半剛性基層的開裂，應盡量提高基層材料的抗拉強度，降低材料的彈性模量、溫縮系數和干縮系數，減小基層內部的最大收縮應力。二灰穩定類基層和水泥穩定類基層必要時可加入早強劑，以提高半剛性基層早期強度，使其抗彎拉強度增大而彎拉模量變化不大，溫濕效應減弱，耐用性提高，抗裂性增強。

水泥劑量的多少與水泥穩定材料的強度、彈性模量、溫縮系數和干縮系數大小有直接關系。隨著水泥用量增加，其強度和彈性模量增加，但是收縮系數也隨之增加，因而，在滿足要求的情況下，宜采用最小的水泥用量以降低彈性模量和收縮系數。盡量使用骨架密實結構礦料級配，骨架密實型半剛性材料比規范推薦級配中值的懸浮結構半剛性材料在干縮系數方面可降低31%，在溫縮系數方面可以降低18%左右。由于細骨料特別是粒徑為0.075mm左右的細骨料有較大的干縮系數，比表面積大，遇水膨脹，失水后干縮變形大，因而，半剛性基層材料中細料含量越多，其內部孔隙也就越多，從而在水作用下其收縮也就越大，所以要嚴格控制粒料中細料的含量和塑性指數，做到連續級配，避免間斷級配，必要時采取摻配等手段優化級配。

2.針對施工過程的措施。實踐表明，相當數量的基層裂縫是由施工質量引起的，因而一定要確保半剛性基層的施工質量。盡量減小基層內部溫度變化量和含水量損失量。基層混合料要盡量采用廠拌法施工，保證混合料拌和均勻，并嚴格控制基層碾壓含水量，含水量不能超過壓實需要的最佳含水量或控制在施工規范容許范圍內，含水量不宜過小，否則會影響水泥的水化，影響基層的強度形成，但含水量也不宜超過最佳含水量的1%，因水分過多會引起干縮裂縫。在基層碾壓完成后要及時進行養生，使混合料的含水量不受損失，決不能讓基層暴曬變干裂。養生結束后，應立即噴灑稀釋的高黏度瀝青，做成透層或封層，在其上撒布3～8mm的石屑。

3.設置預切縫的措施。在基層設置預切縫也可減少基層裂縫的產生。在鋪筑瀝青面層前，通過對基層采用預切縫處理的措施來減小基層的“相對長度”，以此來減小基層內部累積的溫縮、干縮應力效應，并可削弱基層的約束條件。但應注意預切縫的間距、深度等尺寸參數，應通過試驗和實際情況確定。預切縫間距越小，接縫越多，不僅增加施工的復雜性，而且影響路面的整體強度。但是，預切縫過長也會帶來一些問題，如溫度翹曲應力增大，干縮、溫縮引起基層的伸縮量大，增加基層開裂的可能性等。由于在荷載和環境因素作用下的基層預切縫縫隙處的瀝青面層易產生應力集中，因此還要對預切縫處預先處理（如用乳化瀝青填縫、在切縫處鋪設一定寬度的防水油氈或土工織物等），這樣可使預切縫“停留”在基層而不會反射到面層，即使產生反射裂縫，也比基層自由開裂而產生的反射裂縫規則。

四、結論

高等級公路半剛性基層瀝青路面開裂的成因，既有行車荷載方面的因素又有瀝青面層和半剛性基層材料方面的因素，既有設計方面的因素又有施工方面的因素。對于較厚面層路面，瀝青面層自身的溫縮裂縫是主要的，考慮到工程造價的因素，我國高等級公路目前瀝青面層都較薄，因而，怎樣減少由半剛性基層溫度收縮和干燥收縮產生的反射裂縫和對應裂縫便成為減少整個路面裂縫的關鍵。實踐表明：采用優質的瀝青混合料和抗拉強度高且干縮系數、溫縮系數小的半剛性基層材料，必要時在半剛性基層與面層之間設置合適的應力吸收中間層，同時保證施工質量對預防高等級公路半剛性基層瀝青路面裂縫的產生有較好的效果。