公路水泥穩定碎石基層抗裂性分析

宋鵬飛

摘 要：作為一種半剛性基層，水泥穩定碎石基層因其良好的強度、穩固性、密實性、抗凍性以及經濟性等優勢廣泛應用于我國各等級公路建設中。隨著現代交通量與行車荷載的日益增加，致使公路水泥穩定碎石基層開裂病害層出不斷，嚴重影響了交通行車安全與服務水平。鑒于此，本文筆者基于對理論知識的學習與實踐經驗的應用，以水泥穩定碎石基層開裂機理、配合比設計及控制措施三方面實施專業論述。

關鍵詞：公路基層；水泥穩定碎石；抗裂性能

1 水泥穩定碎石基層開裂機理

疲勞荷載作用、溫度收縮與干燥收縮為水泥穩定碎石基層產生開裂的主要因素，其中以溫度收縮與干燥收縮為主，疲勞荷載作用對其影響一般較小。而干燥失水、溫度影響水泥穩定碎石基層的規律，與材料微觀組成以及結構關系密切。

1.1 干縮機理

1.1.1 吸附水及分子間作用力

在混合料完成毛細管張力（干縮機理之一）作用后，隨著水分的持續蒸發，半剛性基層材料逐漸開始蒸發吸附水，使顆粒與顆粒間距離因材料顆粒表面水膜的逐漸變薄而減小，進而導致顆粒宏觀體積因顆粒分子力的增大而進一步收縮。對于吸附水蒸發引起的收縮而言，由于材料顆粒間不同程度排斥力的存在，使其在影響趨勢上擁有一定的上限。

除此之外，由于顆粒表面正常水溶液離子濃度低于顆粒間中央處結合水離子濃度，在此影響下產生的滲透壓力使混合料中水分子滲透向材料顆粒間，致使材料顆粒間距因顆粒互相排斥的發生而進一步減小，進而在吸附水分子間作用力達到最大值后開始逐漸減弱，此時層間水作用逐漸明顯，但是隨著晶胞間距的不斷變小，致使顆粒間斥力逐漸增強，進而在宏觀上對材料產生收縮的影響也越來越弱，在達到一定程度后，材料收縮量不斷減小直至終止。

水泥穩定碎石混合料中存在的一些膠結物（如C-A-H 結晶、C-S-H凝膠、CaCO3與Ca（OH）2），其作用過程不同于吸附水、分子間力及非粘土礦物。各類凝膠、礦物顆粒表面以及結晶均以“最小表面能原理”為遵循，固體顆粒因表面水分子作平行于表面方向的運動所引起“尖劈”作用力而發生膨脹，“尖劈”作用力在水脫附后消失，致使材料發生整體性收縮。

1.1.2 層間水作用

水泥穩定碎石基層材料中存在一些猶如C-A-H 結晶、粘土礦物、C-S-H凝膠等層狀結構物晶體或非晶體，一定程度上有水化離子和層間水“夾”于層間，但在層間水的持續蒸發作用下，基層結構會因材料晶格間距的逐漸減小而發生整體性收縮。特別是對含有豐富火山灰反應生成物與蒙脫石的半剛性基層材料而言，其因層間水作用明顯而表現出較大的干縮特性，而含粘土較多的材料比含水化物較多的材料層間水作用更強烈。

1.1.3 碳化脫水作用

根據碳化作用反應過程可知，CO2與Ca（OH）2反應會生成H2O和結晶體CaCO3，生成水H2O一旦散失，則會引起體積收縮。水泥穩定碎石基層鋪筑完成后，由于干縮特性的影響，隨著基層材料水分的散失，干縮應變與干縮應力則會產生，水分散失越快、程度越大，其所產生的干縮應力就越大，反之亦然，此時如果沒有采取合理的養生措施或養生條件不足，基層結構則在養生初期便會產生較大程度干縮應力，同時由于此時基層結構形成抗拉強度較小，因此極易造成開裂。除此之外，水泥穩定碎石基層（屬半剛性基層）在完成養生后如面層不及時鋪筑，長期暴露于大氣中受自然因素（如暴曬）的持續影響，同樣會發生開裂。開裂初期裂縫較為細小，但是隨著水分的不斷喪失，裂縫則會增大至3mm以上。水泥穩定碎石基層裂縫一般以橫向為主，同時也有少量縱向及不規則塊狀形式存在。

1.2 溫縮機理

水泥穩定碎石基層外觀脹縮的形成，主要是由其組成中固、液、氣三相在不同溫度條件下發生收縮的綜合效應所引起，在該效應作用下，基層材料的體積會發生一定程度的收縮，即為形成溫縮。一般情況下，外界大氣與水泥穩定碎石基層材料中絕大部分氣相相貫通，因此在綜合效應中氣相影響程度較小；而對固相礦物顆粒而言，原材料中砂料以上顆粒一般擁有較小的溫縮系數，而粉粒以下顆粒（特別是粘土礦物）則溫縮系數一般較大。

除此之外，水泥穩定碎石基層材料固相顆粒一般由結晶體與部分非結晶體組成，而在空間排序上組成晶體的質點分布較有規律，其所產生的分子鍵及化學鍵結合力相互約束著該晶體質點，此種約束通常以質點運動軌跡為體現，其熱振運動只能在原位置做。故此，質點間鍵性與質點熱運動共同決定了材料熱學性質。

由于范德華鍵與化學建等相互作用力存在于材料中晶體質點間，因此質點間平衡距離會因質點總內能中勢能及動能變化的發生而變化，使晶體空間體積得到了進一步影響。而通常情況下組成晶體質點間的鍵性較強，質點熱振運動的實施只能在其平衡位置進行，因此晶體勢能曲線呈現出右緩左陡的趨勢，晶體質點在一定溫度條件下擁有一定的動能，質點振動在r1與r2間運動時，其平均間距可由式[r0=r1+r22]計算。

又因在最低點處勢能曲線呈不對稱特征，且熱振動移動趨向于勢能增加較小的方向，當材料組成系統熱能從外界環境獲取時，r0則會發生右移，隨著溫度的升高，質點間距也會增大。

除此之外，對水泥穩定碎石半剛性材料溫縮的影響，其主要是在混合料內部一些膠凝孔、毛細孔以及大空隙中的水在“表面張力”、“冰凍”以及“擴張”三種作用形式下形成。在飽水與干燥狀態下，水泥穩定碎石半剛性材料溫度收縮值較小，而在一般含水量下則溫度收縮值較大。

2 考慮抗裂性的水泥穩定碎石配合比設計

設計過程操作步驟：

（1）原材料的選取和試驗。從沿線料場或計劃使用的遠運料場選取有代表性的試樣，并進行碎石的壓碎值試驗；對所用的水泥，應試驗其標號和終凝時間；

（2）級配確定和水泥劑量的選擇。在抗裂性和抗壓強度俱佳的級配范圍內選擇一種具體的集料級配，并采用4%、5%、6%、7%四種水泥劑量；

（3）確定混合料的最佳含水量和最大干密度。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中的擊實試驗方法，確定各種混合料的最佳含水量和最大干密度（用重型擊實試驗法）；

（4）按規定達到的壓實度，分別計算不同混合料試件應有的干密度；

（5）試件制備。在最佳含水量和計算得的干密度條件下，同時制備抗壓強度、抗彎拉強度、抗彎拉模量以及溫縮、干縮試件。進行強度試驗時，作為平行試驗的試件數量應符合表8的規定。溫縮、干縮試件制備時，每組平行試驗的試件數量至少為3個。溫縮、干縮試驗的試件為梁式試件，其尺寸為100×100×400mm；

（6）試件養生。規定的保濕養生溫度為：冰凍地區：20℃±2℃；非冰凍地區：25℃±2℃；

配合比篩選時，無側限抗壓強度試驗的養生齡期為7d；鑒于溫度抗裂性后期較低，抗彎拉強度、抗彎拉模量以及溫縮性試件的養生齡期均采用傳統的設計齡期即90d；考慮到干縮性破壞總是產生在早期，故干縮性試驗的試件養生齡期為7d；

（7）抗壓強度、抗彎拉強度、抗彎拉模量和收縮性的試驗測定；

（8）混合料配合比的確定。

a）每一種水泥劑量的水泥穩定碎石材料，分別計算以下2個指標：

a=平均溫縮系數×基層所在地區的最大日夜溫差+總干縮應變；

b=抗彎拉強度/抗彎拉模量。

注：在計算a值時，平均溫縮系數和總干縮應變的齡期不一致，所計算的總收縮應變必然比采用單一齡期時偏大，卻增大了不同的水泥劑量的a值差異，有利于后序工作的展開。

b）計算a/b，最小的a/b值對應的水泥劑量即為最佳水泥劑量；

c）核定由b）確定的最佳水泥劑量的抗壓強度是否滿足規范要求。如果不滿足，可適當提升水泥劑量。

3 水泥穩定碎石基層施工抗裂措施

3.1 控制水泥用量

作為影響水泥穩定碎石基層抗裂性能的直接因素，水泥劑量直接關系著混合料強度、“溫、干”縮系數、彈性模量及綜合性干縮抗裂系數的大小。工程實際應用過程中，水泥劑量的確定應在確保基層結構強度以及其他性能指標的基礎上采用最小劑量，同時控制用量誤差在±0.5%，如若出現較大波動，則應及時調整以保混合料中水泥劑量偏差在規范允許范圍內。

3.2 設置預切縫

受外界溫度條件的影響，水泥穩定碎石基層必然性會出現干縮與溫縮現象，基層結構內部應力隨著時間的推移不斷增大，最終導致開裂，更為嚴重時反射到瀝青面層對道路整體功能造成影響。預切縫施工手段的實施，可對基層內部積累的應力效應實現有效降低。與此同時，為確保水泥穩定碎石基層實現抗裂性能的同時保證其他結構性功能，預切縫應對間距、深度以及寬度等參數進行綜合考慮與分析。宜采用大功率設備實施切縫，切縫口應保持整齊美觀，同時采用適當措施實施填縫處理，填縫料一般以橡膠改性瀝青為首選，因其具有良好的膨脹性與自愈能力，因此表現出優越的荷載傳遞效果。

3.3 碾壓與養生

水泥穩定碎石基層施工應合理選擇碾壓機械設備，重點控制壓路機的形成速度、碾壓遍數和碾壓方式。由于振動壓實法較重型擊實法有多方面的優點，基層施工碾壓采用振動壓實法。只有保證基層的壓實度達到了技術要求，才能使基層材料之間形成一個有效的支撐體系，骨料之間具有足夠的嵌鎖力，抗裂性能也會得到提高。

水泥穩定碎石基層養生也是一項重要的工作，保證水泥穩定碎石的后期強度發展，為后期路面的其他性能檢測提供可信的數據。一般采用防水土工布覆蓋保濕養護，養生時間不少于7d，且必須經常保持結構層表面濕潤，最終形成有效的強度，達到足夠的抗裂性能。

4 結語

基于以上論述，公路水泥穩定碎石基層抗裂性能的研究是為一項精細而復雜的任務，本文以開裂機理入手，對其影響因素通過宏觀論述，進而基于抗裂性能的考慮，分析了水泥穩定碎石配合比設計過程，最后回歸于現場施工，以開裂機理與配合比設計為依據，提出了抗開裂措施，以此指導施工過程。

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