水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能探討

張新平

(福建省第一公路工程公司)

1 水泥穩(wěn)定碎石基層硬化收縮

1.1 原材料選擇

(1)在實際工程施工中，路面基層集料要求較為寬松，承包商普遍存在選用材質(zhì)較差的石料問題，而水泥劑量又是由水泥穩(wěn)定碎石試件7 d 無側(cè)限抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)決定的。如此施工單位只能增加混合料中水泥劑量，以滿足設(shè)計要求。而高水泥劑量必產(chǎn)生高水化熱，增加因此產(chǎn)生的收縮形變。因此必須提高集料標(biāo)準(zhǔn)，以減低水泥用量，達到提高強度減緩開裂的目的。本項目采用的碎石的最大粒徑為31.5 mm，按粒徑19～31.5 mm，13.2～19 mm，4.75～13.2 mm 和0～2.36 mm 四種規(guī)格備料。對于粗集料，制定了嚴(yán)格的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，要求進行級配檢驗±10;針片狀含量≯13%和壓碎值檢驗≯28%。

(2)細集料采用石料廠加工的水洗砂，且進行液限和塑性指數(shù)試驗，要求液限小于28%，塑性小于6%，有機質(zhì)行列不宜超過2%。細集料含量偏多或石粉中性指數(shù)偏大，含泥量高均能導(dǎo)致收縮應(yīng)變大，容易開裂。因此必須確保細集料潔凈且含泥量少。

(3)本工程使用的是32.5 普通硅酸鹽水泥，選用初凝時間3 h 以上，終凝時間不小于6 h，不得用快硬水泥、早強水泥、以及受潮變質(zhì)的水泥。夏季施工時，散裝水泥入罐溫度不得高于50°，否則應(yīng)采取降溫措施。

(4)粉煤灰作為一種工程材料加入水泥穩(wěn)定級配碎石中，能夠起到節(jié)約水泥、改善拌和物的和易性、減少干縮率，提高后期強度、降低模量、提高極限拉伸應(yīng)變，增強抗?jié)B性、耐久性等功效。粉煤灰選用符合規(guī)范要求，本項目采用公司過往成功經(jīng)驗，在配置粉煤灰摻量時依據(jù)5%進行比例進行摻配。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石配合比比選

本項目在進行配合比設(shè)計時參照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTJD50－2006 中規(guī)定的懸浮密實級配和骨架密實結(jié)構(gòu)這兩種類型級配，水泥劑量二者級配表如表1 所示。

表1 水穩(wěn)碎石混合料的級配范圍

1.3 抗裂水泥穩(wěn)定碎石強度驗證

由于本項目是國道改造項目，交通量大，軸載較重，而水泥穩(wěn)定碎石中水泥劑量又是影響其開裂的重要因素，因此本項目采用優(yōu)質(zhì)花崗巖碎石材料，確保7 d 無側(cè)限抗壓強度不小于3.5 MPa，根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》JTJ034－2000 要求，本次水泥劑量分別按3%，3.5%，4%，4.5%四種配比進行試驗，兩種級配7 d 無側(cè)限抗壓強度對比試驗結(jié)果如表2。

表2 兩種級配7 d 無側(cè)限抗壓強度對比表

根據(jù)初始目標(biāo)7 d 不小于3.5 MPa，并考慮到施工過程中實際使用效果，存在較大的不定性，又能盡可能降低混合料中水泥比例，則以上方案中水泥含量4.0%骨架密實結(jié)構(gòu)級配方案較優(yōu)。從材料組成來看，骨架密實型的材料溫縮系數(shù)也比懸浮型較小。

2 水泥穩(wěn)定碎石基層干燥收縮

經(jīng)本項目水泥穩(wěn)定碎石鋪筑試驗段總結(jié)中得出，水泥穩(wěn)定碎石在施工完成后后，由于材料直接暴露在空氣中，均不同程度的發(fā)生材料表面水分散失產(chǎn)生的塑性收縮以及材料中水分向外擴散的干燥收縮。當(dāng)變形在土基的約束下，產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料本身強度，則材料將逐漸產(chǎn)生開裂。

水泥穩(wěn)定碎石基層強度在形成過程中，需要大量的水分，若養(yǎng)護不及時，很容易發(fā)生干縮裂縫。在本工程項目中，水泥穩(wěn)定碎石基層施工后均采用土工布覆蓋灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生時間盡可能達到7 d，以保持基層表面始終潮濕，基層材料先由其空隙中存在的自由水率先蒸發(fā)，而后材料中的毛細水、結(jié)合水才開始逐漸散失，至失水速度慢慢趨于穩(wěn)定，其早期強度基本形成，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)因交通特殊情況相比提前結(jié)束養(yǎng)生的基層施工路段，養(yǎng)生飽水時間達到一周時間的，其未產(chǎn)生一條干縮裂縫，僅發(fā)現(xiàn)1 條細微裂縫，而提前結(jié)束養(yǎng)生的發(fā)現(xiàn)7 條裂縫。

總結(jié)得知，隨著暴露時間的增加，其失水率也逐漸增加，特別是頭幾天，失水率增長特快，而正是由于材料中毛細水結(jié)合水散失后導(dǎo)致材料收縮變形加速，造成干縮裂縫(干縮應(yīng)變與失水率關(guān)系圖見圖1)，此時若能養(yǎng)護到位，飽水及時，將保證基層材料的早期強度，從而減少裂縫的形成。另外由于拌和不確定性因素產(chǎn)生含水量個別不同路段，相比施工時含水量高的基層路面，含水量低的路面其裂縫少，干燥收縮少，所以在保證材料其他性能滿足規(guī)范要求的情況下，盡可能減少初始含水量也是有利于材料產(chǎn)生的干燥收縮的。而懸浮密實結(jié)構(gòu)級配相比骨架密實級配其細集料含量偏大，致使其含水量偏大，也較容易產(chǎn)生干縮，故采用骨架密實級配優(yōu)于懸浮密實級配。

圖1 干縮應(yīng)變與失水率關(guān)系(千分尺法)

3 水泥穩(wěn)定碎石基層溫度收縮

水泥穩(wěn)定碎石在水泥水化過程中，需要大量水分且產(chǎn)生熱量，因此水泥穩(wěn)定碎石施工后在養(yǎng)生期間，表面迅速干燥，即使遭受強冷空氣，也會迅速吸收表面水分，使表面迅速干燥，只需加強灑水養(yǎng)生即可。因此在夏季時溫度高，材料又處于膨脹狀態(tài)，成型初期內(nèi)部含水量大，且尚未被瀝青面層封閉，此時水分散失較快，從而發(fā)生由表及里的收縮，容易導(dǎo)致路面基層產(chǎn)生干燥收縮裂縫，而在冬季低溫下施工水泥穩(wěn)定碎石不但沒有損害質(zhì)量，而且還能減少裂縫的產(chǎn)生。

根據(jù)本項目的施工組織需要須在夏季施工臨時便道和年底時施工永久水泥穩(wěn)定碎石基層，在施工期間，均有組織相關(guān)施工人員進行質(zhì)檢，并從夏季在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度(25 ±2 ℃)和冬季標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度(10 ±2 ℃)進行對比，得出高溫和一定的濕度對水泥穩(wěn)定碎石強度的形成時有利的，而在10 ℃低溫養(yǎng)生條件下是其最大干縮應(yīng)變，又明顯低于高溫時，說明低溫是有利于減小基層的溫縮變形的。另外前后兩次對比，向水泥穩(wěn)定碎石中添加適量的粉煤灰后，不僅有利于補充材料的后期強度不足問題，而且能夠避免材料在溫度變化條件下產(chǎn)生的劇烈形變，可以明顯的減小材料的溫縮系數(shù)。而現(xiàn)場實際兩次施工進行對比后也發(fā)現(xiàn)夏季施工水穩(wěn)層所產(chǎn)生的裂縫遠多余冬季施工。綜上所述，在低溫條件下施工基層有利于減少產(chǎn)生收縮裂縫。

4 結(jié) 論

(1)從材料本身角度來說，為滿足強度標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)提高石料標(biāo)準(zhǔn)，降低針片狀含量，控制細集料含量，盡可能減少含泥量。

(2)水泥劑量對硬化開裂和干縮開裂的影響是非常顯著的，水泥劑量的增加將導(dǎo)致基層裂縫數(shù)量大大增加，因此只要在滿足足夠的設(shè)計強度前提下，應(yīng)盡可能減少水泥劑量。

(3)降低初始含水量，養(yǎng)生要及時，特別是第一周，保證材料濕度，以減緩因材料中毛細水結(jié)晶體等水分散失時引起的材料收縮變形。

(4)低溫條件下養(yǎng)生、施工有利于改善水泥穩(wěn)定碎石基層材料的抗裂性能。

［1］沙愛民.半剛性路面材料結(jié)構(gòu)與性能［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［2］覃勉，原杰斌.抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層施工的質(zhì)量控制［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010.

［3］交通部公路科學(xué)研究所.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTJF40－2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.