彭小兵,刘维锋

(1.湖南省湘西州交通建设质量安全监督管理处;2.湖南省湘西自治州交通规划勘察设计院)

沥青路面因其平整与舒适性,广泛用于公路路面的铺筑。沥青路面结构组合设计中,由于水泥稳定碎石基层有其良好的力学性能和板体性等优势,且料源广泛,可就地取材,便于原材料的采集加工和混合料的拌制,水泥稳定碎石半刚性基层沥青路面目前已成为国内公路的主要路面类型。

据对湘西境内部分已建的通乡油路和省道S229局部路段的调查表明,水泥稳定碎石基层易开裂,裂缝间距一般为70～90cm,病害严重路段为 15～25cm,裂缝宽度约在 1～10mm间。基层的开裂反射至面层,继而影响路面的使用寿命。在工程实践中,如何发挥水稳半刚性基层的优势,克服其抗变形能力低的弱点,提高沥青路面的整体质量水平和服务水平,在此就自己的认识对其开裂成因进行浅显的分析,探讨宜采取的防治措施。

1 水泥稳定碎石基层的特点

水泥稳定碎石基层是指以水泥作为主要的胶结材料,以碎石为骨料,加入适量的水,经拌和而形成混合料,再经摊铺、碾压成型的一种道路基层,是一种半刚性基层。由于有骨料,有胶结材料,碾压成型后的水泥稳定碎石基层具板块性,具有强度高、早期强度形成快、承载力大的特点,是路面结构的主要承重层。

因其水泥含量一般在 5%左右,水泥含量低,集料以碎石为主,级配差,所形成的基层抗折强度低,抵抗变形的能力弱小,易产生剪切变形。

同时水泥的品质、水泥含量、集料的含水量、掺入的水量、骨料的材料与质量、拌和的时间与均匀性、碾压工艺、摊铺的厚度、施工时的天气情况、开放交通的时间等因素,均对其混合料形成的强度的高低有其直接的影响。

2 开裂成因分析

根据对发生裂缝病害路段的相关检测与调查,较早出现裂缝是在水稳层养生过程中开始出现,一般在基层顶面沿横向开裂且多为等间距,成直线型,缝长不等,主要是由于基层材料的干缩和温度收缩而引起,这对沥青路面面层的裂缝的形成特别是反射裂缝的发生有很大影响;开放交通后在车辆荷载作用下也不同程度地存在开裂现象。究其机理,一般为收缩裂缝、温度裂缝与荷载裂缝三类。

2.1 收缩裂缝

水泥与碎石和水经拌和、压实后,由于水分的蒸发和混合料内部的水化作用,混合料的水分会不断的减少。由于水分的减少,混合料进一步发生一系列的物理化学反应,使半刚性材料产生体积收缩,从而导致基层裂缝的产生。

如果施工期间气温没有太大变化,混合料从最佳含水量到较干燥的干缩过程为一次性的干缩,其产生的裂缝是有限的,裂缝较少,裂缝也较细。如果这段时间间隔较长,基层混合料多次经历风吹雨淋日晒,多次重复干缩过程,必然会使基层出现较严重的拉裂现象,这种破坏在多雨的季节和路段特别明显。

2.2 温度裂缝

水泥稳定碎石基层属半刚性体,同样具有热胀冷缩的特性。水泥无机结合料内部的不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相体,在温差作用中必然会使其产生热胀冷缩的体积变化,从而引起温缩性裂缝。

水泥稳定碎石生成的新胶结矿物和碎石具有不同的热胀冷缩性,在温度变化时其胀缩值是不相同的。自由水、毛细水、结构水、结晶水存在于混合料内部的孔隙中和胶体中,当温度升高时,可以产生相当大的扩张力使颗粒间距增大而产生膨胀。混合料中的毛细孔、内部孔隙充盈着气体,温度升高时水稳层内部结构气体体积受热充分膨胀,结构内的颗粒相应充满扩张力;温度下降时原膨胀的气体体积收缩,颗粒内的结构应力减小,产生收缩力,体积变小。当扩张力超过临界值时,水稳层就会产生起拱;当收缩力超过结构拉应力时,便产生横向裂缝。

2.3 荷载裂缝

对于路基土组,由于土基强度低,在重复荷载作用下土基易产生再压实的剪切变形,土基的剪切变形需要底基层和基层来予以抵抗。水泥稳定碎石混合料固有的抗折强度低的劣势,易导致基层产生剪切变形而出现开裂。荷载性的裂缝一般发生在基层的底部,由于车辆荷载的反复作用,裂缝逐渐向上扩展至表面。

3 防治措施

通过对水稳基层裂缝产生的原因分析,水稳基层裂缝的产生是难以避免的,但采取一定的措施后,可以减少裂缝的出现和减轻开裂所造成的病害。

(1)严格控制级配和压实度:控制混合料中小于0.075mm以下的颗粒(矿粉、粘土)含量,小于0.075mm以下的颗粒含量增加时,不但增加了水泥的用量,而且基层表面还容易起皮(起砂),严重影响水稳层的质量。同时,当细集料增加时,混合料的温缩系数随温度降低的变化幅度越来越大。温度越低,细粒料对温缩的影响也越大。对混合料的碾压,除对混合料的嵌挤致密作用外,对土基也是一种负荷。水泥稳定碎石基层级配和压实度的好坏,不但影响水泥稳定基层的强度和刚度,而且还影响到水泥稳定基层的干缩性和耐冻性,控制好级配和压实度可预防裂缝的产生。

(2)优选石料:作为水泥稳定基层用的碎石要求不是很高,规范中只有 4个指标:相对密度、压碎值、有机质含量、硫酸盐含量,因此很多岩矿都可作为基层碎石的料矿。碎石原材料采集时可以多选择几个石料场进行比对,选择压碎值、有机质含量、硫酸盐含量较低的石料进行轧制,提升混合料的质量。

(3)严格控制水泥用量:一般的水泥稳定碎石基层,其设计强度通常为 3～5MPa,设计强度越高,所需水泥用量越大。基层刚性越大,越易产生干缩性裂缝,缝宽也越大。在满足强度标准的前提下,采用较小的水泥用量,使水泥用量不大于 5.5%。目前湘西州内在建的几条通乡油路中,水稳基层水泥用量设计及施工上均采用 5%,对减少收缩裂缝的产生有一定的效果。

(4)掌控好碾压时的最佳含水量:水泥稳定碎石基层干缩应变随混合料的含水量增加而增大,施工碾压时含水量越大,结构层越易产生干缩性裂缝。即使铺筑了沥青面层,在旱季或冬季也可能产生干燥裂缝。因此在施工时,应根据天气情况适当增加或减少拌和用水量。例如,在夏天施工气温较高,即使在同一天施工,混合料的拌和用水量也应早、中、晚各不相同,并且,还要根据运距远近、运输车辆配置情况进行不断的调整,确保碾压时混合料含水量在最佳含水量范围内。

(5)科学养护:摊铺完成后,要及时用稻草、麻袋等覆盖进行洒水养护,防止基层因混合料内部发生水化作用和水分的过分蒸发引起表面的干缩性裂缝现象。如果在冬天施工温度较低,则可以用一层塑料薄膜再加上二层土工布覆盖保温,不一定需要洒水养护。可能的情况下,养护期结束,立即进行沥青封层或透层油的施工,及时摊铺沥青面层,这样水稳层裸露的时间短,能有效地减少重复干缩产生的裂缝。

(6)选择有利的季节或时间进行水稳基层的施工:水稳基层施工最好选择在年平均气温时节,此时气温变化不大,结构内温度应力较小,水稳层不易产生热胀冷缩的现象。施工时的气温与一年中最冷或最热时的温差越大,越易产生温缩性裂缝。冬天气温低于 5℃时,一般不能进行水稳基层的施工。

(7)适时开放交通:水泥胶结材料的特性使得水稳基层混合料凝结较快,早期强度形成快,达到龄期后强度增长呈衰变趋势,且早期强度的形成与温度关系密切,温度高则早期强度来得快。过早开放交通,对混合料的凝结成板和强度的形成带来直接影响,这种影响作用不可逆转;即使有了一定的强度和刚度,但强度及刚度尚未达到使用要求,车辆荷载作用下极易出现开裂。因此,开放交通不宜过早,应在其达到龄期后。

4 结 语

基层的裂缝病害产生后,一是降低了基层的整体强度,二是发展后会形成反射裂缝,使沥青路面相应地出现裂缝和起拱。如不及时予以处理,雨水从裂缝内向下渗透,沥青路面的面层和基层裂缝缝隙处充满自由水,在车辆荷载反复冲击下,就会使粘附在碎石表面的沥青剥离,基层的细集料形成泥浆被挤压出路面,从而导致沥青路面出现坑洞、碎裂、松散,造成沥青路面的早期破损,影响其使用寿命,影响行车的速度和安全。在水稳基层沥青路面工程实践中,如何采取行之有效的措施,减少水稳基层裂缝的产生,减少沥青路面的大中修,提高道路的服务水平和使用寿命,是一项有意义的探索。

[1] 公路沥青路面设计规范(JTGD50-2006)[S].

[2] 公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)[S].