高速公路水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝问题的探究
2015-07-15
一、前言
我国高速公路增长迅速，目前仅次于美国已跃居世界第二位.特别是近年来，每年建成的高速公路达几千千米。我国高速公路仅用了10多年时间，走过了发达国家一般需要40年才能完成的进程。2002年基本建成“两纵两横三个重要路段”，2010年“五纵七横”国道主干线基本建成通车，到2015年国道主干线和公路主枢纽系统全部建成，构筑以高速公路为主体的公路运输主骨架。交通量迅速增加和重载车辆日益增多是我国公路交通具有的两个明显特点。因此，对路面结构使用性能的要求也越来越高。据统计，我国90%以上的高等级公路沥青路面基层及底基层都是采用半刚性材料。但半刚性基层材料的缺点是抗变形能力低、脆性大，在温度或湿度变化时易产生开裂，形成路面反射裂缝，这已成为高速公路沥青路面早期损坏的重要原因之一。
水泥稳定级配集料是当今国内外使用最普遍的一种半刚性基层材料，其中又以水泥稳定碎石性能最为优异。然而水泥稳定碎石基层并没有消除半刚性材料的缺点，因此如何进一步减少其反射裂缝的产生，依然是充分发挥路面结构整体性能的关键之一。考虑到我国作为水泥生产大国，原材料来源广泛且价格低廉，水泥胶结类材料在今后很长一段时间内仍将作为主要的道路建筑材料，因此有必要对水泥稳定碎石基层进行研究，以便能为将来更为广泛的应用提供经验。
二、裂缝形成探究
2.1 裂缝产生原因分析
半刚性基层沥青路面的裂缝形式多种多样，但形成的主要原因可以分为两大类，即荷载型结构性破坏裂缝和非荷载型裂缝，包括反射裂缝和对应裂缝。荷载型结构性破坏裂缝是由汽车动态荷载产生的垂直或水平应力，在基层内部产生超过材料的容许抗拉极限应力的拉应力所造成；非荷载型裂缝则是环境作用的结果，主要是湿度和温度的影响，由干缩、温缩和疲劳作用导致，个别情况下也可能是由于路基不均匀沉陷造成。此外，在冰冻地区的沥青路面上，还可能发现由路基冻胀引起的裂缝。
我国已建高速公路的半刚性路面、刚性路面和刚性组合式路面的承载能力从设计角度看是足够的，然而调查表明，裂缝在我国各个地区的沥青路面上十分普遍，不论南方还是北方，通车后1年最迟第2年均出现大量裂缝。因此，单纯由荷载作用不足以引起面层破坏，沥青路面的开裂应当是多种因素共同作用的结果。
半刚性基层沥青路面裂缝出现的原因有三种可能：一是由于基层干缩和温缩开裂而反射到面层产生裂缝，二是由于面层、基层相互作用所引起，三是面层本身性能不良。国外通常认为半刚性基层沥青路面裂缝是由半刚性基层引起的反射裂缝，且这种反射裂缝主要由半刚性基层材料的干缩裂缝引起的。国内则认为半刚性路面的裂缝有荷载型裂缝，有沥青面层的温度收缩裂缝，还有由半刚性基层的温缩裂缝或干缩裂缝引起沥青面层产生的反射裂缝或对应裂缝。
虽然国内外的研究人员对反射裂缝问题已经进行了大量的研究，但至今仍存在不同的认识，包括反射裂缝的产生机理。根本原因在于路面使用性能受环境因素、交通因素、材料组成与结构等多种因素影响，甚至还包括经济因素、采用的研究手段等。
我国地域辽阔，又是多山国家，自然因素千差万别，并且各地区经济水平参差不齐，因此半刚性路面产生反射裂缝的主要原因不可能一致。水泥稳定基层的干缩主要发生在竣工后初期阶段。当基层上铺筑沥青或水泥混凝土面层后，基层的含水量一般变化不大，此时，收缩转化为以温缩为主。而对于温缩，低温收缩在-1℃以上时，其温缩变化不大；当在-10℃以下时，温缩系数才剧增，是-1℃时的几倍甚至几十倍。因此温缩裂缝大多发生在东北等容易形成某一负温度的地区，而就我国南方大部分地区来说，收缩裂缝的产生则主要是由于干缩引起的，可以忽略低温收缩的影响。
2.2 裂缝形成过程分析
对于半刚性基层，裂缝往往不是由交通荷载作用引起的。水泥稳定碎石基层由于水分蒸发及温度变化的影响，很容易产生裂纹，在承受荷载之前，就已经存在大量的微细裂纹和孔洞。因此，实际上它是在带有裂纹的状态下承受交通荷载作用的，基层的温缩和干缩是引起裂缝的内因。
对于反射裂缝的形成，是由于面层底部的拉应力超过沥青混凝土极限强度所致。在基层开裂后，由于基层失去抵抗拉应力的作用，就在开裂位置将应力传递给面层，造成面层在裂缝处的应力集中。如果此时再加上偏荷载主拉应力（或剪应力）的作用，其应力值就有可能超过材料的极限强度，面层随之开裂。偏荷载作用的主拉应力（或剪应力）是促成反射裂缝形成的原因。因此，路面反射裂缝主要是由于基层开裂后的水平与垂直位移引起的。 三、影响路面裂缝的主要因素及解决方法
影响沥青路面裂缝轻重程度的主要因素包括：沥青和沥青混合料的性质，基层材料的性质，结构类型与组成情况，气候条件（特别是冬季气温及其变化），交通量和车辆类型以及施工因素等。就水泥稳定碎石沥青路面而言，基层材料组成以及施工水平尤为重要。设计合理、施工良好的水泥稳定碎石基层不易在早期出现荷载型裂缝。
自20世纪30年代以来，国内外在防止半刚性基层路面的裂缝方面先后采取了很多措施。抗裂性能和防裂措施的研究可分为三大类：第一类是半刚性基层防裂性能和防裂措施的研究。第二类是面、基层之间作用原理及抗裂性能的研究。第三类为面层本身抗裂性能和防裂措施的研究。目前我国在防治反射裂缝方面主要也分为三大部分：一是设置应力/应变消减中间层，如采用SAMI、土工织物、土工格栅、粘接间断层、级配碎石中间层等；二是针对基层材料本身，选择抗冲刷性好、干缩系数和温缩系数小和抗拉强度高的半刚性材料。三是改善沥青混凝土面层性能，如增加沥青层厚度、加筋罩面层、使用改性沥青等；
概而言之，各种措施的防反射裂缝机理不外乎是增强材料自身的性能和减少外界因素的影响。具体就是增强材料的变化能力，提高其强度特性，消除应力集中（荷载应力集中和温度应力集中）以及防水。而一项优异的技术措施则不仅应该是在理论上和实验室内有效，具体就是增强材料的变化能力，提高其强度特性，消除应力集中（荷载应力集中和温度应力集中）以及防水。而一项优异的技术措施则不仅应该是在理论上和实验室内有效，同时也应该考虑到施工方便、经济合理等因素。
四、水泥稳定碎石基层收缩裂缝的控制
近年来，为改善沥青路面的使用性能，对沥青面层进行了大量研究，采用了许多新技术，如改性沥青、SMA路面等。然而路面结构作为一个整体，单纯提高面层材料的性能难于发挥其应达到的效果，作为主要承重层，基层材料的性质和整体质量对沥青路面的使用性质和使用寿命有十分重要的影响。因此，优质基层不仅有利于反射裂缝的控制，而且还改善了整体性能，是合理而实用的技术途径。
作为优质基层，水泥稳定碎石最大的问题就是如何降低收缩裂缝。减少基层裂缝的产生可从四方面着手：
（1）改善约束条件，如预锯缝、造成许多微细裂缝以及让基层先开裂等。作为膨胀性的化学物质，由于其实际效果受环境条件的影响，在复杂多变的路面自然条件下可能难以采用，而掺加各种加筋材料则增加施工难度、提高工程造价。降低约束则应施工实际效果出发，例如预锯缝。由于在荷载和环境因素作用下基层预切缝缝隙处的沥青面层产生应力集中，因此必须对该缝预加处理。而处理措施如何在面层施工中以及在行车荷载下保持稳定效果却难以控制。因此，笔者认为从材料组成设计、施工以及养护措施入手最为切实可行。
（2）采用补偿收缩措施，如掺加膨胀剂；
（3）降低基层材料的收缩系数，提高基层材料的抗拉强度；
（4）采用限制收缩措施，如掺加纤维、土工织物等；
也有人在总结了大量研究成果后认为应从以下四方面减少裂缝：
（1）控制施工碾压时的含水量，含水量每增加1%对基层干缩应变的影响相当于水泥剂量2-3倍；
（2）控制集料中细料的含量和塑性指数，以减少水稳集料中的粘土含量；
（3）减少半刚性基层的暴晒时间，养生结束后（也可以在养生期间），立即铺筑罩面。确实，水泥稳定碎石基层收缩的内因主要是组分中的水泥与水，外因则是环境的温湿度变化。因此，以上几点是最为重要的。
（4）在保证满足强度要求的前提下，尽可能减小稳定剂掺量；
水泥稳定碎石基层收缩裂缝的防治措施，主要包括以下方面：（1） 施工控制 ：实践证明，水泥稳定碎石基层开裂的几率和程度，显着受现场施工控制的影响，在一定程度上也是施工组织管理、施工工艺水平的反映。只有在良好的施工前提下，减缩措施的效果才能得到反映。施工控制的主要内容是加强集料的组织管理，保证集料级配与实验室配合比相符、水泥剂量准确，保持基层材料强度的均匀性，控制碾压层的厚度和含水量，提高基层的压实度和整体稳定性，并注意合理的养生。实际上，许多收缩裂缝是由于不注意养生造成的。水分蒸发过大，或者时干时湿，甚至长时间暴晒。水泥稳定碎石在强度形成过程中，需要消耗水分，尤其是在强度形成初期，养护不良则收缩性大，同时材料自身的抗拉强度低，极易形成裂缝。因此，在铺筑沥青混凝土下面层前，要随时做好基层的养护工作。（2）材料组成设计：第一是原材料的优选。选用合适的水泥，一般来说，C3A含量大、细度较细、石膏含量不足及S03含量小的水泥收缩较大。选用含泥量小、结构致密、吸水率小、弹性模量较大的骨料。在普通骨料范围内，砂岩骨料的收缩最大，石灰岩和石英岩的干缩都较小。掺用质量好、颗粒细的粉煤灰。加入新型外加剂，如能减少混凝土收缩率的外加剂――减缩剂。混凝土减缩剂的化学组成主要为聚醚或聚醚类衍生物，它几乎不存在水泥适应性问题，且与其它外加剂有良好的相容性。 第二是良好的配合比设计。通过级配的合理调整，尽可能采用骨架密实型结构，减少水泥含量，降低单方用水量，增加粗骨料的相对含量。
五、结论
路面裂缝影响路面美观、削弱整体稳定性和平整度，并且由于水分的渗透，降低基层与土基的承载力，从而加剧路面破坏，缩短使用寿命。要根据具体情况，采用不同的措施防治半刚性基层裂缝。从结构设计、材料设计、厚度计算和工艺设计多方面综合考虑。
采用水泥稳定碎石基层符合我国的半刚性路面“强基薄面”的结构特点，并且应用范围广泛。要彻底消除半刚性基层裂缝可能相当困难，但从基层材料本身出发，采用新材料、新工艺来探讨减少反射裂缝的措施或许更为有效，技术也更合理，经济上更能被接受。
