有关水泥稳定碎石基层沥青路面开裂原因剖析
2016-05-10
1 前言
由于半刚性基层材料具有整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好而且经济的特点，国外高等级公路上越来越多地采用半刚性基层。目前，我国高等级公路路面基层或底基层也广泛采用半刚性材料。然而，半刚性材料的缺点是抗变形能力低，在温度或湿度变化时易产生裂缝，当沥青面层较薄时，易形成反射裂缝，进而严重影响路面的使用性能。因此，深入开展水泥稳定碎石基层开裂机理及防裂措施的研究，提出合理而实用的防治路面裂缝的措施，对延长道路使用寿命，具有十分重要的现实意义。
2 常用的沥青路面裂缝防治措施
沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。影响裂缝轻重程度的主要因素有沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质和状况、气候条件、交通量和车辆类型及施工因素等。但就沥青路面开裂的主要原因而论，可以分两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝主要由于行车荷载作用而产生的裂缝，常见的裂缝如下图1所示。在车轮荷载作用下，半刚性基层底部产生拉应力，当拉应力超过材料的抗拉强度时，则半刚性基层底部发生开裂，在行车荷载反复作用下，底部裂缝会逐渐扩展到上部，并使沥青面层也开裂破坏。在半刚性基层沥青路面设计合理、施工质量良好的条件下，单纯由荷载作用引起面层开裂的可能性不大。
非荷载型裂缝包括温度裂缝和干燥收缩裂缝。半刚性基层沥青路面非荷载型裂缝出现的原因可归结为几大类，第一种是由于面层本身性能不良所致: 第二种原因在于基层的干燥收缩或温度收缩开裂而引起的反射裂缝; 第三种是由于面、基层间相互作用而引起。因此，尽管几十年来，国内外研究人员进行了大量的试验研究，采取了多种防治措施，但归结起来，抗裂性能和防裂措施的研究大体也主要分为三大类: 第一类为面层本身抗裂性能和防裂措施的研究; 第二类是半刚性基层防裂性能和防裂措施的研究; 第三类是面、基层之间作用原理及抗裂性能的研究。从根本上说，延缓和减轻高等级道路半刚性路面的非荷载型裂缝，需要从设计和施工两个方面采取措施。
设计方面应采取以下几个措施。
2.1 首先应该选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小和抗拉强度高的半刚性材料做基层。
2.2 设置应力消减中间层: 如沥青混凝土上覆层下的橡胶沥青中间层、预制织物膜带条、织物中间层、低粘度沥青混凝土层、开级配沥青混凝土底面层等。
2.3 选用松弛性能好的优质沥青做面层，在缺少优质沥青的情况下，应采取改善沥青性质的措施，以改善沥青的低温抗裂性能及高温稳定性。
2.4 在稳定度满足要求的前提下，选用针入度较大的沥青做面层。美国和英国的研究表明，在沥青混凝土中使用软的沥青可以阻止由低温收缩以及温度疲劳作用两种机理引起的裂缝扩展。
2.5 沥青面层采用密实型沥青混凝土。由于孔隙率明显影响沥青混合料的疲劳寿命，密实型沥青混合料在使用过程中沥青的硬化减慢，同时也延缓了裂缝的扩展。
2.6 采用合适的沥青面层厚度。合适厚度的沥青面层能保护未开裂的半刚性基层在使用期间不再产生干缩裂缝和温缩裂缝。
2.7 在沥青混合料中添加纤维材料，增强沥青面层的抗裂性能。
2.8 采用橡胶沥青或聚合物改性沥青在沥青混凝土表面做封层，可进一步提高表面层的抗温度裂缝性能。
2.9 在沥青面层上锯缝，深入基层厚度的 1/3 ～1/2。由于降低了约束条件，预锯缝可以明显减少面层的温度裂缝而且与自然随机开裂的缝相比，产生的裂缝较整齐。在施工方面，关键是要保证在铺筑沥青面层之前，半刚性基层不产生收缩裂缝。为此要做到以下几点。
2.9.1 严格控制半刚性基层施工碾压时的含水量，混合料的含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许的范围内。
2.9.2 半刚性基层碾压完成后，要及时养护，保护混合料的含水量不受损失，决不能让基层暴晒变干开裂。
2.9.3 半刚性基层碾压完成后或最迟在养护结束后，应立即喷洒稀释沥青或沥青乳液，做成透层或粘层。
2.9.4 透层或粘层完成后，应尽快铺筑沥青面层。
2.9.5 加强施工控制，保证在制备沥青混合料过程中不使沥青过分老化( 控制加热温度和加热时间) 和加强碾压使沥青混合料达到高密实度都有助于减少反射裂缝。总的说来，除施工因素外，减轻新建半刚性路面非荷载型裂缝的措施基本上可分为三类，第一类是针对基层的; 第二类是在半刚性基层和沥青混凝土面层间设置隔离裂缝中间层或应力吸收膜中间层，第三类是改善沥青面层性质和结构。
3 防治水泥稳定碎石基层裂缝的措施
作为防治沥青路面非荷载型裂缝的重要措施之一，改善基层抗裂性能方法的关键在于减轻基层干缩和温缩并提高基体的抗拉强度，或在提高强度的同时减小材料的刚度。对于改善基层材料的收缩性质的方法，也主要从结构和材料两者出发。
3.1 结构方面
3.1.1 增加半刚性基层的厚度。一方面，提高了基层整体的抗拉强度，延长了裂缝扩展的路径; 另一方面，在其他条件相同的情况下，半刚性基层厚度的增加，使行车荷载在半刚性基层产生的拉应力减小，因此延缓了裂缝扩展的速度。
3.1.2 使基层在施工过程中产生很多的微细裂缝。科威特、法国、德国等国家的实践证明，促进稳定基层内形成间距很小的密布裂缝，在保证裂缝有良好的传荷能力的前提下，能减轻反射裂缝的产生。
3.1.3 为了避免基础产生不规则的紊乱的裂缝，减少裂缝的破坏作用，在水泥稳定基层预先锯缝。预切缝由于降低了约束条件，有利于控制反射裂缝。
3.1.4 用纤维、金属网或玻璃丝网、土工织物等加固基层。
加筋材料限制了裂缝扩展，并且促使产生许多微细裂缝，消耗大量的断裂能，因此减少了反射裂缝。
3.2 材料方面
影响水泥稳定碎石收缩的因素很多，这些因素包括水泥的类型和数量、集料的含泥量与塑性指数、混合料的含水量与级配、水泥碎石混合料的拌和和压实、添加剂等。水泥稳定碎石的干缩应力主要受水泥剂量及施工碾压时的含水量的影响。水泥剂量越大，干缩应力也就越大，裂缝也就越多。据统计，水泥增加 1 倍，路面的横缝增加 24 倍。施工碾压时，混合料的含水量越大，干缩应力也越大，导致裂缝增多，缝宽增大。
从原材料组成出发，对各组成部分的要求具体如下。
3.2.1 集料的要求。尽量选择不含或仅含少量粘土、弹性模量较大的粗骨料，如采用石灰岩和石英岩就比砂岩骨料好。控制粒料中细料含量和塑性指数，提高粗集料含量，尽量采用密实式级配。一般粒径越大，应变越小; 同时随粒径增大，受水泥剂量影响程度减小。通过改善集料级配，以达到减少水泥用量的目的。
3.2.2 水泥的要求。水泥品种对混凝土的收缩影响较大。
水泥熟料中 C3A 含量大、细度较细、石膏含量少、SO3 含量小的水泥干缩较大。因此，采用收缩性小的水泥，尽可能减少水泥用量，在达到强度标准的前提下。采用最小水泥剂量，并采用粉煤灰以及其他一些矿物掺合料取代部分水泥。
3.2.3 用水量的要求。含水量是影响干燥收缩的主要原因之一，混合料碾压时，含水量越大干缩越严重。同时含水量过大还可导致水泥在混合料中分布不均匀，粗骨料表面裹覆水泥减少，有时还可能造成水泥含量的损失，加剧混合料的离析等。因此要控制施工碾压时的含水量，可在水泥稳定粒料中使用减水剂，且采用重型击实标准。
3.2.4 添加剂方面。可通过向半刚性基层材料中掺加NaSO4、CaSO4、MgSO4、膨胀水泥等膨胀物质抵消基层的收缩，还可以考虑在基层中添加橡胶等物质以降低材料的刚度，减小材料的脆性。另外，施工方面，应在水泥稳定基层养护结束和喷洒透层沥青或做下封层后，立即铺筑沥青面层，保护基层混合料使其不过分变干和产生干缩裂缝。实践证明，在铺筑沥青面层前，如半刚性基层上没有覆盖保护而遭受暴晒，半刚性基层不可避免地要产生干缩裂缝。当半刚性基层上仅为薄沥青面层或封层时，在某些情况下，特别是半刚性材料的含水量偏大时，半刚性基层会产生干缩裂缝，并将其上的沥青面层拉裂。
4 结语
水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝研究是一项复杂的系统工程。它与材料结构与性能、结构层组合设计、温湿循环、车辆荷载疲劳作用以及施工工艺、施工管理养护等各方面因素有关。只有综合考虑各方面因素的影响，才能把路面产生裂缝的可能性减少到最低程度，充分发挥水泥稳定碎石基层的优势，改善沥青路面的使用性能，逐步提高和完善我国的公路建设水平。
