水泥穩定級配碎石道路半剛性基層裂縫成因分析與防治研究

陳朝輝

(淮北市公路橋梁建設有限責任公司,安徽淮北 235000)

水泥穩定級配碎石道路半剛性基層裂縫成因分析與防治研究

陳朝輝

(淮北市公路橋梁建設有限責任公司,安徽淮北 235000)

介紹了水泥穩定級配碎石半剛性基層強度的形成原理,并對水泥穩定級配碎石基層裂縫的類型與形成的原因進行系統的分析,并在原材料的選擇與控制、施工控制、配比設計、水泥劑量的控制、含水量的控制、拌和、攤鋪、壓實、養生等施工工藝方面提出了控制裂縫產生的措施。

水泥穩定級配碎石基層強度;裂縫;控制

水泥穩定級配碎石作為高等級道路基層具有整體性好、剛度大、承載力高、水穩性及抗凍性好的特點,但對施工質量的要求較高,若對其材料特性了解不足,施工控制不好,易出現干縮、溫縮裂縫。裂縫一旦形成,-方面會降低基層的整體強度,另一方面進一步發展會形成反射裂縫,使路面出現橫向裂縫、起拱等病害,直接影響路面的使用質量和行車舒適度。

1 水泥穩定級配碎石強度形成機理及其影響因素

1.1 水泥穩定級配碎石強度的形成主要取決于水泥水化硬化、離子交換、火山灰反應過程和碎石顆粒間的嵌擠摩阻作用

1.1.1 水泥硬化反應

水泥顆粒經水化反應以及火山灰反應生成水化硅酸鈣等系列水化物,水泥的各種水化物生成后,有的自行繼續硬化,形成水泥石骨架,有的則與級配碎石中的其它礦物質發生硬凝反應和碳酸化反應,形成水泥穩定碎石的鏈條結構,并封閉碎石之間的孔隙,形成穩定的結構。

1.1.2 嵌擠摩阻作用

水泥穩定碎石中的碎石按照最佳級配原理要求,使用碎石、砂等材料,逐級填充空隙。在外力作用下,級配碎石能緊密地嵌固在一起,顆粒之間的嵌擠和摩阻作用而形成的內摩阻力使結構具有一定的強度和穩定性。

1.2 水泥穩定級配碎石強度的影響因素

1.2.1 組成材料對強度的影響

影響水泥穩定級配碎石強度的主要因素有水泥劑量、碎石強度、級配組成等。強度隨水泥劑量的增加而增長,然而過多的水泥用量,雖獲得了較高的強度,但在經濟上不合理,而且容易開裂。以此在保證結構層達到規定的強度和穩定性的前提下,應盡可減少水泥用量。所用碎石必須具備足夠的強度和堅固性。實驗證明改善級配可以明顯增加水泥穩定碎石的強度。

1.2.2 環境因素對強度的影響

水泥穩定碎石從開始加水拌和到完全壓實的時間要盡可能縮短,-般不超過6h。施工時間越長,其強度和密度的損失就越大。水泥穩定碎石的強度發展需要適當的溫度、濕度。必須保證在潮濕的條件下養護,否則其強度將顯著下降。同時,養生溫度越高,強度增長越快。

2 裂縫類型及成因分析

2.1 溫縮裂縫

組成水泥穩定碎石半剛性基層材料的三相,即不同礦物顆粒組成的固相、液相(水)和氣相在降溫過程中相互作用的結果,使半剛性材料產生體積收縮,即溫縮。

混合料硬化初期,水泥水化放出較多的熱量,但散熱緩慢,內部溫度升高,使內部體積膨脹。而外部如遇氣溫急劇降低則產生冷卻收縮,內脹外縮相互制約,產生較大的自應力。一旦自應力超過結構極限抗拉強度,將產生縱橫交錯的溫縮裂縫。

2.2 干縮裂縫

干縮裂縫是由于內部水份減少而引起體積收縮造成的。水泥穩定碎石經拌和壓實后,由于蒸發和混合料內部發生水化作用,水份會不斷減少。由于水的減少而發生的毛細作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體間的水化作用和碳化收縮作用等都會引起水泥穩定碎石基層產生體積干縮,從而產生干縮裂縫。水泥與水發生水化反應消耗大量水分,水泥劑量越高,則消耗的水分越多。碎石集料表面對水有吸附作用,集料中的細料成分越多,其表面吸附的水分越多。基層施工時氣溫太高、含水量太大也會引起表面水分的大量蒸發,以上都可引起干縮裂縫的產生。因此水泥穩定碎石基層施工必須及時進行養生。

2.3 沉縮裂縫

在非接茬部位產生的不規則縱向裂縫(有時伴有基層不均勻沉降變形),多是由于局部路基及底基層壓實度達不到規范要求,在荷載作用下產生的。這種裂縫往往呈網狀和龜背狀的分布,且表面形成一定的高度差。另外在填挖交界處及橋涵搭板處會出現橫向沉陷裂縫,在雨水支管部位會出現不規則順管走向的裂縫,在檢查井周圍出現不規則裂縫。

2.4 局部網狀裂縫

網狀裂縫也叫“龜裂”,是由于局部承載力不足,在外力作用下產生沉降引起結構性破壞而導致的裂縫。它破壞性較大,如遇下雨,易造成雨水下滲,在汽車荷載作用下引起翻漿。

3 裂縫的防治措施

水泥穩定碎石的干縮和溫縮是引起路面基層開裂的主要原因。為減少裂縫的產生,施工時要在原材料的選擇與控制、配合比設計、含水量控制、混合料的拌和、攤鋪與壓實度的控制、接頭處理、養生等方面采取相應的措施。

3.1 原材料的選擇與控制

3.1.1 水泥

不同品種的水泥具有不同的收縮性,如礦渣水泥的收縮性比硅酸鹽的水泥大,標號高水泥比標號低的收縮性大,-般多選擇 P.O32.5級普通硅酸鹽水泥。一般來講,水泥石抗折強度越大,其抗拉強度越大,結構也不易產生溫縮裂縫。因此選擇水泥時應注意以下方面:(1)不要為追求高強度而過分提高水泥標號和用量,應在保證設計要求的前提下,盡可能采用強度等級較低的水泥。(2)應選用終凝時間較長(宜在6h以上)的水泥。必要時加入緩凝減水劑、緩凝阻裂劑等外加劑,以延長水泥的初凝時間,減慢水化反應熱量。

3.1.2 集料

(1)碎石:水泥穩定碎石基層所用碎石的壓碎值、各種料的顆粒篩分、含水量、相對密度、吸水率以及石屑中小于0.075 mm以下的顆粒含量和塑性指數等指標必須滿足規范要求,其級配曲線應在規范要求的范圍內。最好采用級配碎石,且含泥量必須滿足要求。含泥量大則收縮性大,出現裂縫的可能性也就越大。如果不采用級配碎石,則混合料在攤鋪時易出現骨料及細料離析現象而產生縮縫。(2)砂:使用細度模數為2.3～3的中粗砂,砂太細及含泥量超標均會使水泥穩定碎石的干縮性增大,易出現裂縫。(3)外摻劑:在水泥穩定碎石混合料中摻入緩凝阻裂劑補償收縮,可起到減少縮裂的作用。

3.2 配比設計

嚴格控制施工配合比。混合料配合比正確與否是影響水泥穩定碎石基層開裂的一個主要因素。有關資料表明0.5 mm及其以下檔細集料對水泥穩定碎石基層的干、溫縮的影響很大,所以在進行混合料配合比設計時應嚴格控制集料0.5mm和0.075 mm檔的通過率,使之盡量靠低限。為減少基層材料的收縮性和減少基層裂縫,集料中不宜含有縮性指數的土。最近完工的安徽省道101淮北段在施工中采用了液限為19,塑性指數為0,小于0.075 mm的顆粒含量取5.35%。10～30mm碎石:5～10mm碎石: 5mm以下的石屑=45:29:26。從篩分結果組成設計來看滿足規范要求。其中碎石的級配為骨架密實結構,采用上述配合比和級配施工的基層早期強度、7d強度均較高,基本克服了橫向貫穿裂縫現象。

3.3 含水量控制

水泥穩定碎石是水泥與集料經拌和后水化凝結硬化的產物。含水量的控制直接影響壓實度和基層變形。含水量過小時,基層表層松散,碾壓容易起皮,難以壓實;含水量過大,碾壓時粘輪,表面起拱,而且基層成型后水分散失愈多,形成的裂縫愈多。水泥穩定碎石混合料的用水量必須根據試驗配合比來確定,同時根據氣溫的高低及運距的長短進行適當調整。如運距遠且氣溫高,含水量可比最佳含水量高1%左右;如果氣溫偏低且濕度大或多霧,含水量可比最佳含水量低1%左右,以攤鋪碾壓時能否達到最佳含水量為準。運輸途中,應考慮用土工布覆蓋混合料,以減少水分損失。施工中應根據日照強度和風力大小多次調整含水量。同時,試驗人員應在拌和站和攤鋪現場用酒精燃燒法快速測定含水量。施工操作的前后臺通訊聯系應方便和順暢,當現場的含水量與最佳含水量相差大時及時通知后場調整含水量。

3.4 混合料的拌和

水泥穩定碎石混合料必須按試驗最佳配合比標定后拌和均勻。如果拌和時間不足或拌和不均勻,易出現粗細料離析現象。混合料鋪筑成型后,由于不同地段、上下層之間的干縮、溫縮性不同,易產生裂縫。因此,拌和時間要充分,一般不小于3 min/L,通常采用4 min/L。

3.5 混合料的攤鋪與壓實

施工時宜采用2臺攤鋪機平行聯鋪作業,減少混合料離析現象。混合料攤鋪后,應盡快完成碾壓,縮短從加水拌和到完成碾壓的時間。如不及時碾壓,水泥會產生部分凝結作用,碾壓時,會破壞已形成的水泥膠結作用,消耗壓實功,影響壓實度,混合料的強度和性能會下降,抗裂縫能力下降。水泥穩定碎石基層混合料應在處于或略大于最佳含水量時碾壓。碾壓應一次完成,直至達到按重型實驗法確定的要求壓實度98%。實驗表明重型標準比輕型標準干縮應變小,提高水穩基層的壓實度對減少干縮應變非常有利。

3.6 接頭處理

同時施工的兩工作段的銜接處,應采用搭接。前一段整形后,應留5～8m不碾壓;后一段施工時,前一段留下來未壓部分,應再加部分水泥重新拌和,并與后一段一起碾壓。注意,為使水穩基層混合料的溫度和所能達到的干密度盡可能少受損失,通過試驗應控制從加水拌和到碾壓終了的時間應不大干3h。如果水穩基層采用半幅施工,其縱縫應垂直相接,而不應斜接。前半幅施工時,在路中心一側用方木做支撐,養生結束后,在另半幅施工前拆除支撐木。

3.7 水穩基層養護

水泥穩定碎石基層碾壓終了,應開始灑水養生,每天灑水次數應視氣溫而定,應以整個養生期間水穩基層表面始終保持濕潤為度。如因灑水不勤,造成表層輕度破壞,應立即灑水,并用輕型壓路機壓實。當然,條件許可的話,也可用瀝青乳液養生。

責任編輯:文 月

U418.5

A

1671-8275(2010)03-0022-02

2010-02-12

陳朝輝(1970-),男,安徽蕭縣人,淮北市公路橋梁建設有限責任公司工程師,一級注冊建造師,交通部注冊監理工程師。