半剛性基層材料體積脹縮特性及縮裂防止

洪學群

摘 要：文章針對半剛性基層材料常出現的收縮裂縫病害，現有的評價指標有干縮系數、溫縮系數、干縮抗裂系數、溫縮抗裂系數，這些系數都只限于應變，沒有涉及應力。提出了干縮能抗裂系數、溫縮能抗裂系數，從能量的觀點把應力和應變結合起來有效地評價半剛性基層材料抗裂性。

關鍵詞：半剛性基層；縮裂；原因分析；防止措施

1 非荷載裂縫產生原因及其影響因素

1.1 溫度脹縮原因及其影響因素

半剛性材料產生體積干縮的程度與下述一些因素有關：結合料的類型和劑量、被穩定土的類別（細粒土、中粒土和粗粒土）、粒料的含量和含水量及齡期等。一般而言，無機結合料穩定細粒土的干縮系數大于穩定中粒土和粗粒土的干縮系數。在無機結合料穩定細粒土中，穩定塑性指數大的粘性土混合料的干縮系數大于穩定塑性指數小的粉性土或砂性土混合料的干縮系數。石灰粉煤灰穩定土的干縮系數小于石灰穩定土和水泥穩定土的干縮系數。影響半剛性材料溫度收縮性質的主要因素是含水量、集料環境溫度和齡期等。半剛性材料的溫縮系數大致與干縮系數有如上相同的規律。通常情況下，穩定細粒土基層在養生過程中或在養生后能較及時地鋪筑瀝青面層，在正常溫度下不至于產生溫縮裂縫。

1.2 干燥收縮及影響因素

混合料中的液態水分包括自由水、毛細水、吸附水。無機結合料穩定材料經拌合壓實后，由于水分蒸發和混合料內部的水化作用，混合料中的水分不斷減少。由此發生毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等。

隨著水分蒸發，致使毛細管壓力增大，從而產生收縮。毛細水蒸發完后隨著相對濕度繼續變小，材料中的吸附水開始蒸發，石顆粒表面水膜變薄，顆粒間距變小，分子力增強，導致其宏觀體積進一步收縮。此外結合料中含有大量層狀結構的晶體和非晶體，如粘土礦物、水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化膠凝物，期間有大量層間水。隨著相對濕度的進一步下降，層間水在水化膠凝物中遷移或蒸發，致使晶格間距減小，從而引起整體材料收縮。

2 溫縮裂縫控制措施

2.1 減小材料溫縮系數

基層混合料組成是影響溫度收縮變形的主要因素。穩定粒料土的Tt明顯小于穩定細粒土的Tt，如二灰碎石在-20℃時的Tt=11.4×10-6～15.3×10-6，而二灰土的Tt=30×10-6～53.3×10-6。影響穩定粒料土Tt的主要因素有粒料中粒料或土的質量分數、結合料的種類等。對于二灰碎石混合料，碎石質量分數增加，Tt減少，見表1。

對某一固定粒料含量的混合料，二灰比中粉煤灰含量增加，有利于Tt減小，例如，石灰∶粉煤灰∶碎石=3.5∶11∶85.5與6.5∶8∶85.5在-15℃時的Tt分別為8.9×10-6、9.5×10-6。二灰碎石中5mm以下砂粒質量分數增加，Tt增大。例如，砂粒質量分數為18%和28%的二灰碎石在-10℃時的Tt分別為14.0×10-6和21.8×10-6。因此，在保證混合料抗壓強度的前提下，盡可能地減少二灰及集料中細料的質量分數，以最大限度地提高二灰碎石的抗裂性能。對于水泥穩定粒料，摻加5%水泥劑量，Tt隨溫度的變化最小（8.03×10-6～10.53×10-6）。Tt隨粒料中含土量增加而增大，在采用水泥或二灰穩定粒料（土）做瀝青面層的基層時，應盡量采用不含塑性細土的級配粒料。

2.2 提高半剛性材料的極限拉應變

在工程實踐中，可近似地采用材料的抗彎拉強度與抗彎拉回彈模量之比作為極限拉應變，即Xmax=SE，在同樣強度情況下，剛度愈小，極限拉應變愈大。取不同粒料含量和不同二灰比的二灰砂礫材料進行試驗。砂礫質量分數為50%的二灰砂礫材料的抗彎拉強度低，抗彎拉模量也低，極限拉應變卻大。砂礫質量分數為80%的二灰砂礫材料的S低，而E降幅不大，Xmax也小。通過分析，在砂礫質量分數為60%～70%時，二灰砂礫材料的抗裂性較好，強度和剛度值最高。

3 改善粒料土的種類選擇適宜的無機結合料

當采用無機混合料穩定細粒土（如：砂土、亞粘土）基層時，在細粒土采集過程中，不得人工過多摻入塑性指數較大的土，覆蓋層上的不適宜土必須清除。倘若必須摻土，應選用均勻系數不小于10，塑性指數不大于12的土。對于塑性指數大于12的粘土，必須過15mm的方孔篩，以提高底基層單質材料質量和整體強度。當采用無機混合料穩定粒料（如：級配碎石、級配礫石）基層時，混合料中粒料的比例應大于80%，同時粒料需具有良好的級配，且粒料中不宜含有塑性指數的土。對于塑性指數小于12的輕亞粘土和亞砂土，用水泥穩定比較合適；對于塑性指數大于18的重粘土，用石灰穩定或用石灰和水泥綜合穩定比較適合；對于塑性指數在15左右的輕亞粘土，則用各種方法都能達到規定的強度要求，差別僅在抗拉強度的大小。在施工過程中，要了解和掌握更多的可用料源，從而可以更經濟地實施路面工程。嚴禁用設計階段的指導性配合比代替施工階段的實施性配合比。

4 施工溫度控制

半剛性基層溫縮的最不利季節為溫度在0-10℃時，也就是春初和秋末，施工溫度應控制在10℃以上。施工時溫度的控制是有效避免半剛性基層產生裂縫的有效措施。平均溫度低的低溫施工，半剛性材料以溫縮為主。平均溫度高的高溫季節施工，半剛性材料以干縮為主。半剛性材料基層一般在高溫季節修建，成型初期基層內部含水量大，且尚未被瀝青面層封閉，基層內部水分必然要蒸發，從而發生由表及里的干燥收縮。同時，環境溫度也存在晝夜溫度差，因此，修建初期的半剛性基層同時受到干燥收縮和溫度收縮的綜合作用，必須控制修建時的最低溫度，以強度的增長抵抗干縮和溫縮的影響來減少或避免裂縫，同時還必須注意養生保護。

5 結語

半剛性基層瀝青路面在車輛荷載和自然因素的作用下，盡管開裂現象十分普遍，但是只要認真分析裂縫的形成機理和產生裂縫的原因，從工程設計到施工過程中的每一個環節，實事求是，因地制宜，做到設計合理，施工規范，質量過硬，就能避免或減少裂縫的產生，并使其具有足夠的強度、剛度、穩定性、耐久性和表面性，從而延長路面的使用期限。

參考文獻

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