高速公路抗裂水泥稳定碎石基层使用性能研究

2020-06-29明1金光来刘海婷张志祥

湖南交通科技 2020年2期

张明1，金光来，刘海婷，张志祥

(1.江苏宁常镇溧高速公路有限公司, 江苏金坛 213245; 2.江苏中路工程技术研究院有限公司, 江苏南京 211806)

0 引言

目前，我国高等级公路建设中普遍采用水泥稳定类的半刚性基层。半刚性基层材料具有明显的优点和广阔的使用前景，但在道路的实际使用过程中出现了不少问题，主要为水损害和裂缝。在交通荷载和环境的双重作用下，这种结构形式的路基和路面容易出现不同程度的收缩和开裂[1]。在干缩和温缩共同作用下产生的基层裂缝反射到路面，破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱(如裂缝处弯沉增大，路面回弹模量降低等)，导致路面行驶舒适性下降[2-3]。因此，对水泥稳定碎石混合料进行设计，使其既满足路面结构的强度要求，又能尽量少地出现干缩、温缩裂缝，从而抑制发展到沥青面层的反射裂缝，成为了道路工作者比较关注的课题。对于抗裂水泥稳定碎石基层抗裂效果的分析，一般是基于室内的温缩、干缩、强度试验，缺乏对在通车数十年后实际应用状况的评估和性能衰减规律的分析。

本文结合镇溧高速抗裂水泥稳定碎石基层的实际使用状况，综合评估抗裂水泥稳定碎石基层的抗裂性能。

1 工程概况

江苏省镇溧高速全长108 km，于2003年10月开工建设，2007年9月全线通车。在ZL-21标(K34+350～K58+161)采用抗裂水稳基层，设计配合比时，增加粗集料的用量形成骨架，减少0.6 mm以下的粉料含量，以提高强度和抗裂性能，保证混合料形成骨架密实型结构，而不是传统做法中的将粗集料悬浮在细集料和结合料形成的“砂浆”中。与普通水泥稳定碎石的水泥剂量通常达到5%～6%相比，镇溧高速抗裂水泥稳定碎石基层仅采用了3.5%的水泥含量，同时强度并没有因此降低。抗裂水稳混合料设计采用振动法替代重型击实法进行击实试验，以确保所得室内试验结果与现场施工相吻合。

2 检测数据分析

图1 2011年—2017年2种水稳基层单公里裂缝条数

由图1可知，2011年—2017年，普通水稳基层段路面的单公里裂缝条数均多于抗裂水稳基层段的；抗裂水稳基层段路面单公里裂缝条数的增长速率较慢，年增长量不到1条,而同期铺筑的普通水稳基层段路面单公里裂缝条数的年平均增长速率是抗裂水稳基层的8.36倍，平均每年增长3.3条，尤其在2016年至2017年间，裂缝由9.18条增长至22.83条。说明抗裂水稳基层具有明显的抗裂效果，且随着通车时间的延长，其抗裂效果愈发显著。

3 现场取芯

抗裂水稳基层主要分布在镇溧高速K34+350～K58+161路段，为了分析抗裂水稳基层的抗裂效果，制定了专门的取芯方案对该路段的裂缝断面进行取芯，并与普通水稳基层段取芯进行对比，观测裂缝发展情况:裂缝处芯样的开裂形态、裂缝断面路面结构的状态。

3.1 裂缝形态

本文通过对单条裂缝取芯，更直观地了解裂缝形态，结果表明，镇溧高速裂缝并非均为自上而下型裂缝(如温度裂缝)或者自下而上型裂缝(如反射裂缝)，在裂缝形态中还存在上部面层和下部基层开裂、但中部无裂缝的情况，以及裂缝出现贯穿、但局部存在中部未开裂的情况。本文对镇溧高速几种裂缝形态的统计结果见图2。

图2 镇溧高速横向裂缝不同形态统计

由图2可知，镇溧高速横向裂缝中有40%的裂缝为上下发展中间未开裂，有20%的裂缝为上下发展中间局部贯穿，同时存在20%的横向裂缝完全贯穿。有20%的裂缝仅面层开裂，属于“自上而下”型裂缝。

本文通过调研宁杭、宁连、宁靖盐、广靖锡澄、沿江、汾灌等高速公路裂缝发展速度与取芯形态，分析了江苏省普通水稳基层高速公路裂缝发展速度与发展形态的规律，调研结果如图3所示。

图3 江苏省高速横向裂缝不同形态统计

由图3知，江苏省横向裂缝形态以上下发展中间未开裂、上下发展中间局部贯穿为主，占所有裂缝的90%；仅有5%的横向裂缝出现完全贯穿；另外，自上而下型裂缝，即单纯由温度应力引起的裂缝，占所有裂缝的5%，说明纯粹的温度型裂缝在江苏省水稳基层高速公路沥青路面中存在，但比例较少。

综上所述，横向裂缝的产生与基层开裂密切相关，裂缝均首先从基层产生，再导致同断面的面层开裂。半刚性基层的温缩、干缩开裂和疲劳开裂是横向裂缝形成的直接原因，横向裂缝的形成与扩展受到车辆荷载剪应力、温度应力、基层拉应力的综合作用。

3.2 芯样状况

图4 抗裂水稳基层和普通水稳基层芯样状况

由图4可知:

1) 抗裂水稳基层裂缝断面芯样的整体状况优于普通水稳基层的。普通水稳基层裂缝断面芯样出现面层与基层分离的比例占42.86%，约是抗裂水稳基层的2倍左右。

2) 普通水稳基层裂缝断面基层底部出现松散的比例也高于抗裂水稳基层的，说明普通水稳基层的结构强度较抗裂水稳基层的差，抗裂水稳基层具有更优异的抗裂效果、更高的强度和更强的板体性。

4 室内试验

本文在抗裂水稳基层和普通水稳基层的轮迹带和硬路肩处取芯，进行材料性能试验，分析通车时间和交通量对抗裂水稳基层和普通水稳基层性能的影响。

4.1 劈裂强度

由图5可知:

1) 普通水稳基层在轮迹带处的劈裂强度小于抗裂水稳基层在轮迹带处的劈裂强度。说明通车11 a后，普通水稳基层的强度衰减幅度较抗裂水稳基层的大。

2) 抗裂水稳基层轮迹带处的劈裂强度与硬路肩处的基本相当，说明行车荷载对抗裂水稳基层的劈裂强度影响较小；而普通水稳基层轮迹带处的劈裂强度小于硬路肩处的，说明行车荷载对普通水稳基层的劈裂强度产生不利影响。

图5 抗裂水稳基层和普通水稳基层劈裂强度

4.2 疲劳寿命

由图6可知，抗裂水稳基层在轮迹带和硬路肩处的疲劳寿命均大于普通水稳基层的，而抗裂水稳基层和普通水稳基层在取芯断面处的交通量基本相当，说明抗裂水稳基层的疲劳性能优于普通水稳基层的。因此在同样行车荷载作用下，普通水稳基层会产生较多的疲劳裂缝，导致路面面层的裂缝条数增加。这也进一步证明了抗裂水稳基层能有效阻止裂缝的产生。