浅谈水泥稳定碎石基层沥青路面反射裂缝分析及防治
2016-05-10
半刚性基层具有很好的板体性、刚度、扩散应力强，具有良好的抗拉强度、抗疲劳强度、良好的水稳定特性。基于半刚性基层的良好的力学性能和造价低的优点，相比较其他类型基层，在高等级公路上暂时都不可能取代半刚性基层，半刚性基层仍将作为一种主导性基层应用于我国的公路建设。我国常见的半刚性基层有水泥稳定土水泥、二灰稳定土、石灰稳定土。本文主要研究对象是水泥稳定碎石基层。
随着水泥稳定基层在公路工程中的广泛应用，沥青混凝土路面的裂缝是公路工程普遍存在的病害之一，路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分，使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、台阶、网裂等病害，从而加速路面破坏。
1、反射裂缝种类及成因分析
反射裂缝是半刚性基层沥青路面比较普遍的一种裂缝形式，是指路面基层先于面层 产生裂缝，并将基层裂缝反射到面层。根据形成的不同原因可将反射裂缝分为两大类：荷载型反射裂缝和非荷载型反射裂缝。
1.1荷载型裂缝
荷载型反射裂缝是指半刚性基层在车轮荷载作用下，由于半刚性材料的强度不足，基层底部尤其是基层薄弱处产生拉应力超过半刚性材料的抗拉强度，导致底部开裂，且在行车荷载的反复作用下底部裂缝逐步扩展到上部，最后使沥青面层产生开裂破坏。
1.2 非荷载型裂缝
非荷载型裂缝是由于半刚性材料温度收缩、干燥收缩、路基的不均匀沉降等原因引起的反射裂缝。
1.2.1干燥收缩
干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起体积收缩的现象。其基本原理是由于水分蒸发而发生的毛细管张力作用、 吸附水及分子间力作用、 矿物晶体或凝胶体的层间水作用、炭化脱水作用而引起的整体的宏观体积的收缩。这种裂缝是基层开裂最常见的，在基层开裂中所占的比例也是最多的，干缩性开裂成为半刚性水泥稳定砾基层的主要病害。
1.2.2温度收缩
当基层上铺筑沥青面层后，基层的含水量一般变化不大，此时半刚性基层的收缩转化为温度收缩为主，主要原因是由骤升骤降形成均温差太大。当气温骤然升降时，水泥稳定砂砾基层的表面温度和水泥稳定砂砾基层内部温度不一致时，产生的收缩量也不同，当他们之间的收缩应力大于水泥稳定砂砾基层的抗拉强度时，自然而然地产生了开裂现象。在冬季比较寒冷的地区, 通常温缩是主要形式。
2、水泥稳定碎石基层反射裂缝的防治措施
水泥稳定碎石基层沥青路面的反射裂缝是基于水泥稳定碎石强度和收缩特性的一种病害，普遍认为这种裂缝不能避免，只能采取措施降低其危害，本文从以下几个方面减少和预防反射裂缝的产生。
2.1道路结构设计
2.1.1增加沥青面层厚度
国外研究发现，增加沥青层厚度可有效降低半刚性沥青路面的反射裂缝，但对于由于温度引起的低温开裂所起的作用十分有限。同时由于加厚沥青面层厚度可大幅度增加建设投资，其经济性值得考虑。
2.1.2采用柔性基层
因为柔性基层具有很强的柔性和变形能力，同时可起到应力消散作用，可以有效地减少路面结构的应力集中现象，因此可有效降低半刚性基层的开裂和温缩裂缝的综合作用。同时，国内有许多的学者已经开始研究柔性基层和半刚性基层的优化组合技术，将是更为有效的预防反射裂缝的措施。
2.1.3设置级配碎石过渡层
这是在面层和基层之间增加一层由级配碎石构成的过渡层，将原半刚性基层下放成为底基层，而级配碎石层则成为上基层。南非是使用级配碎石层比较多的国家，法国也于1988年相应提出“倒装结构”，均对缓解反射裂缝有着明显的作用。
2.1.4应力吸收层
应力吸收层是指在基层与面层之间设置薄层封层，起到吸收尖端应力，延缓开裂的目的。国内外研究主要集中在低弹性模量、高韧性的材料开发上。采用新材料代替传统的封层材料能够有效的减少反射裂缝，目前常用的有稀浆封层、碎石封层、同步碎石封层、橡胶沥青封层、纤维封层等。
2.1.5加铺土工织物或格栅 土工织物包括包括聚丙烯或聚醋织物和聚乙烯、聚丙烯或聚醋无纺织物，厚度不超过几个毫米。无纺织物夹层的主要作用与应力吸收薄膜相似。而织物由于模量稍高，可对加铺层起少量加筋作用。格栅包括聚丙烯或聚醋土土格栅、玻璃格栅和金属格栅。其中比较常用的是玻璃格栅，它是以高温强度玻璃纤维为原料的一种新型加筋材料，具有较大的抗拉强度及弹性模量，较低的延伸率和很高的熔点。能够很好地抗变形能力，缓解疲劳开裂，防止反射裂缝。
2.2 基层材料选择及配合比设计
2.2.1 原材料选择
1) 水泥
水泥的种类决定了水泥的矿物成分，直接影响混合料的强度。尽量选择硅酸盐水泥，要求水泥的水化热小,干缩性小，抗压强度与抗折强度均能符合要求。对所用水泥初凝和终凝时间作要求：初凝应在3小时以上，终凝时间不小于6小时；且施工中从加水拌和到碾压成型完成的时间（即延迟时间）应小于水泥的初凝时间。
2) 集料
在水泥稳定碎石混合料中，集料起着很重要的骨架作用。正是由于这种骨架作用贡献了水泥稳定碎石整体的宏观强度。研究水泥稳定粒料的收缩特性，不能忽视集料的重要作用。对于集料，要求碎石应由岩石或砾石轧制而成，应洁净、干燥，并具有足够的强度和耐磨耗性，其颗粒形状应具有棱角，接近立方体，不得含有软质和其它杂质。在保证压碎值、针片状指标合格的同时，为控制路面离析，控制最大粒径为31.5mm，控制集料的塑性指数、粘土含量及含泥量。
2.2.2 级配设计
1）选择骨架密实型级配，减少集料中细料的含量。粗集料含量多，混合料的收缩系数小，粗集料含量少,则混合料的收缩系数大。由于越细的集料其收缩性越大，所以小于 0. 075 mm 细粒的含量应控制在 5% 以下。粘土、有机物质含量也不能超标。
2）水泥剂量：水泥剂量是水泥稳定碎石设计的一个关键指标，水泥用量越大水泥稳定碎石的强度和刚度也随之加大，增大裂缝产生的几率，水泥的用量越大，水化反应影响越大，
其收缩性就越大，一般在基层混合料满足抗压强度的条件下，尽量使用较小水泥剂量。
3）使用外加剂：各种外加剂的有效合理使用，有助于降低半刚性材料的收缩系数，延缓或减少路面裂缝数量。加入缓凝减水剂、 缓凝阻裂剂等外加剂，以延长水泥的初凝时间，或减少水化反应的需水量，改善水泥的性能。
2.3施工工艺
2.3.1 含水量控制
含水量的控制影响到压实度的保证和裂缝的产生。考虑到混合料在运输、 碾压过程中还有水分散失， 尤其夏季施工时水分蒸发快，施工过程中对水的含量应控制在比最佳含水量大 1%左右。含水量过小时，摊铺时容易离析， 基层表层松散，碾压容易起皮， 难以压实；含水量过大碾压时粘轮，表面起拱，而且基层成型后水分散失愈多，形成的裂缝愈多。所以施工过程中含水量要控制适宜,特别是要根据天气状况及时来调整含水量大小。
2.3.2离析控制
在水泥稳定碎石拌合、运输、摊铺等在各个施工环节上都会产生离析，在离析尤其是细集料堆积的地方更容易产生较大的应力导致裂缝的形成，所以应从控制原材料尤其是粗集料尺寸、保证有效的拌合、运输时应采用“前、中、后”三次装料方式，摊铺面出现较大离析时应及时人工补料。
2.3.3 摊铺工序
控制摊铺机速度在 2 m/ min~ 2. 5 m/ min 以下，防止摊铺机过快而将混合料拉的过虚,产生潜在裂缝。同时也可根据现场生产能力和摊铺能力进行速度调整，但速度不应超过4 m/ min，摊铺后，发现不合格的路段，及时增补料，并进行整平和整形。
2.3.4碾压工序
压路机合理组合及控制其碾压顺序及碾压速度。压路机碾压速度不宜过快，特别是振动压实时， 否则会将混合料内部拉裂,表面也会出现微小裂缝。这些都为以后裂缝的产生埋下了隐患，同时应保证水泥稳定碎石的压实度。
2.3.5养生及交通管制
对已完成碾压并经压实度检测合格后应立即进行养生，不能延误。养生可用湿的土工布养生，在已完成混合料直接洒水养生。水泥终凝后立即覆盖土工布或薄膜， 避免基层曝晒时间过长导致水分蒸发过快。养生期间做好交通管制工作。只允许洒水车辆通行，行车速度不超过15km/h。无法管制时，应限制车速，严禁履带车通过。
3、结语
水泥稳定类基层由于其强度高, 水稳定性好,造价较低的优势, 在目前中国公路得到了广泛使用。反射裂缝是水泥稳定碎石基层沥青路面常见的病害，因此要在道路设计、原材料选择、配合比设计、基层施工工艺上下功夫，认真细致地注重每个环节，减少反射裂缝的产生，延长路面的使用寿命。
