水泥穩定碎石基層裂縫成因分析與防治措施

李雅潔 劉朝陽 劉珊珊 王 波 李 晨

（長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

我國公路交通事業在近幾年來飛速發展，如表1所示。預計到2030年，實現首都輻射省會，1000km以內的省會之間當日即可抵達。我國公路建設的迅速發展、整體水平的大幅度改善離不開基層的高水平。由于基層主要用于承載，因此它的強弱和好壞必然決定著道路的質量和壽命。

表1 近幾年公路里程發展情況

調查發現，我國水泥穩定碎石基層已占到瀝青路面基層用量的75%（各級公路）～90%（高速公路）。但是，其脆性大、溫濕敏感性強，容易產生收縮裂縫，在車輛載荷和溫度、濕度條件的循環作用下，會使基層裂縫向上反射到瀝青面層產生反射裂縫且這一比例通常超過50%。同時，瀝青面層在溫度和行車載荷綜合作用下也會產生表面裂縫，并隨時間的推移逐漸往下層結構中發展形成對應裂縫。半剛性路面基層裂縫（見圖1）嚴重影響著路面的使用性能并危害交通安全[1-2]。因此，深入開展水泥穩定碎石基層裂縫成因及防裂措施的研究，提出合理而實用的預防和解決路面裂縫的措施，有效地提高半剛性基層的抗裂能力，使其發揮更好的使用性能以適應我國公路事業迅速發展的需要，意義重大。

圖1 路面裂縫及危害

1 裂縫成因分析

水泥穩定碎石基層裂縫的產生原因和裂縫形式是多方面的，且各影響因素之間相互關聯。

1.1 水泥劑量大

水泥用量的多少決定著水穩碎石材料的強度、彈性模量、溫縮及干縮系數。水泥劑量越高，其強度和彈性模量相應增加，但是收縮系數也隨之增加，致使水泥穩定碎石在使用中很容易產生裂紋。水泥劑量增加時，收縮應力的增長速率遠大于材料強度的增長速率，因此水泥劑量高的基層更易產生收縮裂縫[3]。

水泥劑量大的原因包括：成型方式不匹配，施工單位擔心壓實度過百而減少壓實遍數造成壓實度不足，為增加強度便加大水泥劑量；室內靜壓成型方式與室外振動施工不匹配，調整級配對強度增加效果不大，于是就通過加大水泥劑量解決；連續式攪拌裝置的攪拌時間一般在10s以內，短時間內很難攪拌均勻，為了保證使用強度，水泥用量普遍取高限值。

1.2 混合料不均勻

水泥等粉料及細料不能充分地均勻彌散和包裹粗骨料，經常出現粗骨料表面出現干燥露白現象，且拌和物各組分之間的黏聚力不足，混合料的攪拌不均勻，導致在裝卸、運輸、攤鋪過程中出現離析，形成基層裂縫。

1.3 材料類型和細料用量

水泥穩定碎石的結構強度主要取決于集料顆粒間的摩阻力和嵌擠力、水泥與集料之間的黏結力。懸浮密實結構的水泥穩定碎石混合料中含有大量細料，粗集料少且沒有接觸（見圖2（a）），因此不能形成骨架，這種水泥穩定碎石表現為黏聚力較高，但是摩阻力較小且穩定性差，容易導致基層開裂；骨架密實結構（見圖2（b））中既有粗骨料形成嵌擠骨架，又有細集料填充間隙，細集料相對用量減少且密實度較高。此外，細集料比表面積大，遇水膨脹，具有較大的干縮系數，失水后干縮變形大。因此，細集料用量太大會導致干縮變形較大，更易產生基層收縮裂縫。

1.4 環境溫度變化

在基層鋪筑后，寒冷地區溫度驟降使基層材料收縮，若瀝青面層較薄則會產生溫度收縮，導致基層材料的拉應變或拉應力急劇增大，超過基層材料的抗拉強度或極限抗拉應變后就會引起基層的開裂。半剛性基層一般選擇在高溫季節進行鋪筑，成形初期未封閉，晝夜溫差反復作用在基層上，產生溫度應力，隨使用年限增長，最終產生疲勞裂縫。

圖2 兩種基層結構類型

2 裂縫的預防與防治

2.1 材料方面

2.1.1 嚴控原材料質量

原材料的質量是提高基層抗裂的先決條件，因此為了減少原材料組成的變異性，各地區必須根據當地情況制定統一的規范要求。此外，在混合料拌和前，原材料的所有檢測指標都必須符合《公路路面基層施工技術細則》（JTGT F20-2015）要求[4]。

缺點：上述規范規定的混合料級配范圍太寬，不同級配的混合料抗裂能力卻有很大差異，因此不同級配的水泥穩定碎石混合料各種力學指標即使全部滿足規范要求，也很難說這些混合料具有良好的抗裂能力。

2.1.2 調整水泥組分及細度

降低水化熱及水化熱產生速率來保證水化熱有足夠的時間散發出去，降低早期的溫度應力。水化熱是水泥礦物成分與細度的函數，要降低水泥的水化熱，選擇合適的礦物組成和調整水泥細度非常重要[5]。

適當提高水泥中的C2s和C4AF含量可以提高水泥的韌性，降低其脆性。C2s早期強度很低，不宜增加太多，否則影響水泥強度發展。因此，盡可能降低C3A的含量，相應提高C4AF的含量對水泥性能的發揮有好處。

水泥細度主要影響水化放熱速率。水泥越細，水化放熱速率越快，由水化熱集中產生的早期溫度應力也就越大，早期開裂可能性變大。因此，選用粗磨水泥，降低水泥的比表面積，可以有效地降低水泥早期的水化放熱速率，從而改善其抗裂性。

缺點：提高C2s和C4AF有必要控制用量；粗水泥的使用會使早期強度降低，影響拆模時間和施工進度，對活性發揮也有一定的影響。

2.1.3 摻入其他材料

由于水泥產生的水化熱遠大于粉煤灰與水反應產生水化熱且粉煤灰具有減水作用，可以減少裂縫危險。此外，粉煤灰中含有大量玻璃體球形顆粒，內部結構致密，幾乎沒有裂隙，可以有效填充集料間隙，且內比表面積較小，吸附水的能力較低，因而使其干縮性減小，抗裂性提高。摻入一定量的粉煤灰，也可以減少細集料（4.75mm以下）的使用，從而減少收縮裂縫的形成[6]。

摻加合成纖維等可以增強基層材料的抗裂性能[7-8]。摻入纖維材料可減少水泥穩定碎石材料的失水面積，減少水分蒸發，從而減少了由于含水量損失而產生的毛細管張力，減少裂紋的產生。同時，纖維材料抗拉強度大，增強了水泥穩定碎石材料抵抗干縮開裂的強度。此外，纖維材料的熱膨脹系數小，對水泥穩定碎石的收縮或膨脹有一定的抵制作用，纖維材料起到支撐集料的作用，從而阻止粗、細骨料因沉降而產生的離析。發生開裂時纖維又起到橋接作用，阻止了裂縫的繼續擴展。

缺點：摻粉煤灰后早期強度隨之降低，從而影響拆模時間和施工進度；添加的纖維種類與基層強度有關，受物理性質、纖維長度和摻量等因素制約，需要控制合理；纖維摻量較少且一般為束狀，將纖維添加到水泥穩定碎石混合料中一起進行拌和時，更不易達到均勻性要求，使其使用價值具有一定的折扣，且施工性能也變差。

2.1.4 選用骨架密實結構

骨架密實結構中粗集料含量增加且有效地嵌擠提高了混合料的強度，細集料填充后又能使混合料的密實度提高，提高了半剛性基層的抗沖刷能力，細集料減少也有效降低了縮裂[9]。骨架密實結構0.075mm以下粉料含量低于3%，減少了干縮，減少了裂縫產生率。此外，懸浮結構基層表面光滑，不利于與面層的黏結，而骨架密實結構基層表面粗糙，大料裸露，有利于與面層的黏結。

缺點：骨架密實型在施工中出現離析的危險性較大。相對懸浮結構而言，骨架密實結構的混合料更難壓實。

2.2 施工方面

嚴控各施工環節以及施工步驟，從原材料的選擇到混合料的拌和，再到混合料的運輸以及攤鋪、碾壓、養生等環節，都要嚴格按照施工技術規范的要求執行。這樣才能真正發揮出水穩碎石基層的優勢，保證公路工程的施工質量，延長道路的使用年限[10]。

2.2.1 振動攪拌

采用振動攪拌拌和水泥穩定碎石可以有效地減少水泥用量。試驗表明，水泥用量在4%時，使用振動攪拌可以使其7d無側限抗壓強度平均值達到4.3MPa，滿足公路路面施工技術規范要求，比普通攪拌節約20%水泥用量。振動使難以彌散的水泥、水與細集料充分彌散（見圖3），并包裹在粗骨料表面，混合料的宏觀、微觀均勻性良好。在保證強度不會下降的基礎上減少水泥和水用量，混合料各組分之間具有一定的黏聚性，使其在攤鋪與運輸過程中不易出現離析現象；混合料的均勻性使其具有一定的和易性，比較容易壓實，壓實度提高。

圖3 水泥結團與充分彌散

缺點：水泥劑量低，基層強度薄弱環節出現可能性越大，需要提高施工均勻性來保證足夠的基層強度。

2.2.2 嚴控基層含水量

要保證基層的壓實度，同時要控制基層含水量不能超過壓實所需的最佳含水量。含水量過小會影響水泥的水化，進一步影響基層強度的形成，但含水量也不宜超過最佳含水量的1%，水分過多則更容易引起干縮裂縫，同時需要減少不同層深處壓實度的差異。

2.2.3 基層預開縫加土工布

通過基層預開縫來減少基層內部累計的溫縮、干縮應力效應，可以有效地減輕裂縫的出現。有學者提出了“半剛性基層預鋸縫+土工布”的防裂措施，可以延長基層開裂間距，減少半剛性基層瀝青路面的開裂率[11-12]。此外，在預鋸縫處鋪設土工布可以有效防止或延緩面層反射裂縫的產生，也起到了防滲層的作用，避免基層進一步惡化。

缺點：預切縫間距較小，接縫增多，不僅增加了施工的復雜性，并且會影響路面的整體強度；預切縫過長，溫度翹曲應力增大使開裂可能性增加。

2.2.4 加強先期養護

加強水泥穩定碎石基層的先期養護工作，有利于減少干縮裂縫的產生，對提高水穩基層的抗裂性有很大幫助，需要特別重視。水穩基層施工后應該進行保濕養生且養生期不少于7d，為了保證基層強度正常增長，必須保證基層表面始終保持濕潤，不得忽干忽濕。一般采用覆蓋土工布后灑水，或者覆蓋薄膜防止水分蒸發以及灑透層油或者采用封層等措施，做完封層后要盡快鋪筑瀝青面層。同時，封閉交通防止剛形成的強度被破壞，或行車速度不超過30km/h，并應禁止大型車輛通過。

3 結論

產生裂縫的主要原因是水泥含量大、混合料不均勻導致離析、材料類型選擇不合理及細集料用量過大、環境溫度變化產生等；嚴格控制原材料質量、調整水泥組分細度、摻入其他材料如粉煤灰和纖維及選用骨架密實級配，可以有效減輕瀝青路面裂縫；改善并加強施工質量控制在一定程度上也可以有效地減輕瀝青路面的裂縫。