高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫問題的探究
2015-07-15
一、前言
我國高速公路增長迅速，目前僅次于美國已躍居世界第二位.特別是近年來，每年建成的高速公路達(dá)幾千千米。我國高速公路僅用了10多年時(shí)間，走過了發(fā)達(dá)國家一般需要40年才能完成的進(jìn)程。2002年基本建成“兩縱兩橫三個重要路段”，2010年“五縱七橫”國道主干線基本建成通車，到2015年國道主干線和公路主樞紐系統(tǒng)全部建成，構(gòu)筑以高速公路為主體的公路運(yùn)輸主骨架。交通量迅速增加和重載車輛日益增多是我國公路交通具有的兩個明顯特點(diǎn)。因此，對路面結(jié)構(gòu)使用性能的要求也越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層及底基層都是采用半剛性材料。但半剛性基層材料的缺點(diǎn)是抗變形能力低、脆性大，在溫度或濕度變化時(shí)易產(chǎn)生開裂，形成路面反射裂縫，這已成為高速公路瀝青路面早期損壞的重要原因之一。
水泥穩(wěn)定級配集料是當(dāng)今國內(nèi)外使用最普遍的一種半剛性基層材料，其中又以水泥穩(wěn)定碎石性能最為優(yōu)異。然而水泥穩(wěn)定碎石基層并沒有消除半剛性材料的缺點(diǎn)，因此如何進(jìn)一步減少其反射裂縫的產(chǎn)生，依然是充分發(fā)揮路面結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵之一?？紤]到我國作為水泥生產(chǎn)大國，原材料來源廣泛且價(jià)格低廉，水泥膠結(jié)類材料在今后很長一段時(shí)間內(nèi)仍將作為主要的道路建筑材料，因此有必要對水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行研究，以便能為將來更為廣泛的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。
二、裂縫形成探究
2.1 裂縫產(chǎn)生原因分析
半剛性基層瀝青路面的裂縫形式多種多樣，但形成的主要原因可以分為兩大類，即荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫和非荷載型裂縫，包括反射裂縫和對應(yīng)裂縫。荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫是由汽車動態(tài)荷載產(chǎn)生的垂直或水平應(yīng)力，在基層內(nèi)部產(chǎn)生超過材料的容許抗拉極限應(yīng)力的拉應(yīng)力所造成；非荷載型裂縫則是環(huán)境作用的結(jié)果，主要是濕度和溫度的影響，由干縮、溫縮和疲勞作用導(dǎo)致，個別情況下也可能是由于路基不均勻沉陷造成。此外，在冰凍地區(qū)的瀝青路面上，還可能發(fā)現(xiàn)由路基凍脹引起的裂縫。
我國已建高速公路的半剛性路面、剛性路面和剛性組合式路面的承載能力從設(shè)計(jì)角度看是足夠的，然而調(diào)查表明，裂縫在我國各個地區(qū)的瀝青路面上十分普遍，不論南方還是北方，通車后1年最遲第2年均出現(xiàn)大量裂縫。因此，單純由荷載作用不足以引起面層破壞，瀝青路面的開裂應(yīng)當(dāng)是多種因素共同作用的結(jié)果。
半剛性基層瀝青路面裂縫出現(xiàn)的原因有三種可能：一是由于基層干縮和溫縮開裂而反射到面層產(chǎn)生裂縫，二是由于面層、基層相互作用所引起，三是面層本身性能不良。國外通常認(rèn)為半剛性基層瀝青路面裂縫是由半剛性基層引起的反射裂縫，且這種反射裂縫主要由半剛性基層材料的干縮裂縫引起的。國內(nèi)則認(rèn)為半剛性路面的裂縫有荷載型裂縫，有瀝青面層的溫度收縮裂縫，還有由半剛性基層的溫縮裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。
雖然國內(nèi)外的研究人員對反射裂縫問題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但至今仍存在不同的認(rèn)識，包括反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)理。根本原因在于路面使用性能受環(huán)境因素、交通因素、材料組成與結(jié)構(gòu)等多種因素影響，甚至還包括經(jīng)濟(jì)因素、采用的研究手段等。
我國地域遼闊，又是多山國家，自然因素千差萬別，并且各地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平參差不齊，因此半剛性路面產(chǎn)生反射裂縫的主要原因不可能一致。水泥穩(wěn)定基層的干縮主要發(fā)生在竣工后初期階段。當(dāng)基層上鋪筑瀝青或水泥混凝土面層后，基層的含水量一般變化不大，此時(shí)，收縮轉(zhuǎn)化為以溫縮為主。而對于溫縮，低溫收縮在-1℃以上時(shí)，其溫縮變化不大；當(dāng)在-10℃以下時(shí)，溫縮系數(shù)才劇增，是-1℃時(shí)的幾倍甚至幾十倍。因此溫縮裂縫大多發(fā)生在東北等容易形成某一負(fù)溫度的地區(qū)，而就我國南方大部分地區(qū)來說，收縮裂縫的產(chǎn)生則主要是由于干縮引起的，可以忽略低溫收縮的影響。
2.2 裂縫形成過程分析
對于半剛性基層，裂縫往往不是由交通荷載作用引起的。水泥穩(wěn)定碎石基層由于水分蒸發(fā)及溫度變化的影響，很容易產(chǎn)生裂紋，在承受荷載之前，就已經(jīng)存在大量的微細(xì)裂紋和孔洞。因此，實(shí)際上它是在帶有裂紋的狀態(tài)下承受交通荷載作用的，基層的溫縮和干縮是引起裂縫的內(nèi)因。
對于反射裂縫的形成，是由于面層底部的拉應(yīng)力超過瀝青混凝土極限強(qiáng)度所致。在基層開裂后，由于基層失去抵抗拉應(yīng)力的作用，就在開裂位置將應(yīng)力傳遞給面層，造成面層在裂縫處的應(yīng)力集中。如果此時(shí)再加上偏荷載主拉應(yīng)力（或剪應(yīng)力）的作用，其應(yīng)力值就有可能超過材料的極限強(qiáng)度，面層隨之開裂。偏荷載作用的主拉應(yīng)力（或剪應(yīng)力）是促成反射裂縫形成的原因。因此，路面反射裂縫主要是由于基層開裂后的水平與垂直位移引起的。 三、影響路面裂縫的主要因素及解決方法
影響瀝青路面裂縫輕重程度的主要因素包括：瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)，基層材料的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)類型與組成情況，氣候條件（特別是冬季氣溫及其變化），交通量和車輛類型以及施工因素等。就水泥穩(wěn)定碎石瀝青路面而言，基層材料組成以及施工水平尤為重要。設(shè)計(jì)合理、施工良好的水泥穩(wěn)定碎石基層不易在早期出現(xiàn)荷載型裂縫。
自20世紀(jì)30年代以來，國內(nèi)外在防止半剛性基層路面的裂縫方面先后采取了很多措施?？沽研阅芎头懒汛胧┑难芯靠煞譃槿箢悾旱谝活愂前雱傂曰鶎臃懒研阅芎头懒汛胧┑难芯?。第二類是面、基層之間作用原理及抗裂性能的研究。第三類為面層本身抗裂性能和防裂措施的研究。目前我國在防治反射裂縫方面主要也分為三大部分：一是設(shè)置應(yīng)力/應(yīng)變消減中間層，如采用SAMI、土工織物、土工格柵、粘接間斷層、級配碎石中間層等；二是針對基層材料本身，選擇抗沖刷性好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小和抗拉強(qiáng)度高的半剛性材料。三是改善瀝青混凝土面層性能，如增加瀝青層厚度、加筋罩面層、使用改性瀝青等；
概而言之，各種措施的防反射裂縫機(jī)理不外乎是增強(qiáng)材料自身的性能和減少外界因素的影響。具體就是增強(qiáng)材料的變化能力，提高其強(qiáng)度特性，消除應(yīng)力集中（荷載應(yīng)力集中和溫度應(yīng)力集中）以及防水。而一項(xiàng)優(yōu)異的技術(shù)措施則不僅應(yīng)該是在理論上和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效，具體就是增強(qiáng)材料的變化能力，提高其強(qiáng)度特性，消除應(yīng)力集中（荷載應(yīng)力集中和溫度應(yīng)力集中）以及防水。而一項(xiàng)優(yōu)異的技術(shù)措施則不僅應(yīng)該是在理論上和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效，同時(shí)也應(yīng)該考慮到施工方便、經(jīng)濟(jì)合理等因素。
四、水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫的控制
近年來，為改善瀝青路面的使用性能，對瀝青面層進(jìn)行了大量研究，采用了許多新技術(shù)，如改性瀝青、SMA路面等。然而路面結(jié)構(gòu)作為一個整體，單純提高面層材料的性能難于發(fā)揮其應(yīng)達(dá)到的效果，作為主要承重層，基層材料的性質(zhì)和整體質(zhì)量對瀝青路面的使用性質(zhì)和使用壽命有十分重要的影響。因此，優(yōu)質(zhì)基層不僅有利于反射裂縫的控制，而且還改善了整體性能，是合理而實(shí)用的技術(shù)途徑。
作為優(yōu)質(zhì)基層，水泥穩(wěn)定碎石最大的問題就是如何降低收縮裂縫。減少基層裂縫的產(chǎn)生可從四方面著手：
（1）改善約束條件，如預(yù)鋸縫、造成許多微細(xì)裂縫以及讓基層先開裂等。作為膨脹性的化學(xué)物質(zhì)，由于其實(shí)際效果受環(huán)境條件的影響，在復(fù)雜多變的路面自然條件下可能難以采用，而摻加各種加筋材料則增加施工難度、提高工程造價(jià)。降低約束則應(yīng)施工實(shí)際效果出發(fā)，例如預(yù)鋸縫。由于在荷載和環(huán)境因素作用下基層預(yù)切縫縫隙處的瀝青面層產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此必須對該縫預(yù)加處理。而處理措施如何在面層施工中以及在行車荷載下保持穩(wěn)定效果卻難以控制。因此，筆者認(rèn)為從材料組成設(shè)計(jì)、施工以及養(yǎng)護(hù)措施入手最為切實(shí)可行。
（2）采用補(bǔ)償收縮措施，如摻加膨脹劑；
（3）降低基層材料的收縮系數(shù)，提高基層材料的抗拉強(qiáng)度；
（4）采用限制收縮措施，如摻加纖維、土工織物等；
也有人在總結(jié)了大量研究成果后認(rèn)為應(yīng)從以下四方面減少裂縫：
?。?）控制施工碾壓時(shí)的含水量，含水量每增加1%對基層干縮應(yīng)變的影響相當(dāng)于水泥劑量2-3倍；
（2）控制集料中細(xì)料的含量和塑性指數(shù)，以減少水穩(wěn)集料中的粘土含量；
?。?）減少半剛性基層的暴曬時(shí)間，養(yǎng)生結(jié)束后（也可以在養(yǎng)生期間），立即鋪筑罩面。確實(shí)，水泥穩(wěn)定碎石基層收縮的內(nèi)因主要是組分中的水泥與水，外因則是環(huán)境的溫濕度變化。因此，以上幾點(diǎn)是最為重要的。
?。?）在保證滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡可能減小穩(wěn)定劑摻量；
水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫的防治措施，主要包括以下方面：（1） 施工控制 ：實(shí)踐證明，水泥穩(wěn)定碎石基層開裂的幾率和程度，顯著受現(xiàn)場施工控制的影響，在一定程度上也是施工組織管理、施工工藝水平的反映。只有在良好的施工前提下，減縮措施的效果才能得到反映。施工控制的主要內(nèi)容是加強(qiáng)集料的組織管理，保證集料級配與實(shí)驗(yàn)室配合比相符、水泥劑量準(zhǔn)確，保持基層材料強(qiáng)度的均勻性，控制碾壓層的厚度和含水量，提高基層的壓實(shí)度和整體穩(wěn)定性，并注意合理的養(yǎng)生。實(shí)際上，許多收縮裂縫是由于不注意養(yǎng)生造成的。水分蒸發(fā)過大，或者時(shí)干時(shí)濕，甚至長時(shí)間暴曬。水泥穩(wěn)定碎石在強(qiáng)度形成過程中，需要消耗水分，尤其是在強(qiáng)度形成初期，養(yǎng)護(hù)不良則收縮性大，同時(shí)材料自身的抗拉強(qiáng)度低，極易形成裂縫。因此，在鋪筑瀝青混凝土下面層前，要隨時(shí)做好基層的養(yǎng)護(hù)工作。（2）材料組成設(shè)計(jì)：第一是原材料的優(yōu)選。選用合適的水泥，一般來說，C3A含量大、細(xì)度較細(xì)、石膏含量不足及S03含量小的水泥收縮較大。選用含泥量小、結(jié)構(gòu)致密、吸水率小、彈性模量較大的骨料。在普通骨料范圍內(nèi)，砂巖骨料的收縮最大，石灰?guī)r和石英巖的干縮都較小。摻用質(zhì)量好、顆粒細(xì)的粉煤灰。加入新型外加劑，如能減少混凝土收縮率的外加劑――減縮劑?；炷翜p縮劑的化學(xué)組成主要為聚醚或聚醚類衍生物，它幾乎不存在水泥適應(yīng)性問題，且與其它外加劑有良好的相容性。 第二是良好的配合比設(shè)計(jì)。通過級配的合理調(diào)整，盡可能采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，減少水泥含量，降低單方用水量，增加粗骨料的相對含量。
五、結(jié)論
路面裂縫影響路面美觀、削弱整體穩(wěn)定性和平整度，并且由于水分的滲透，降低基層與土基的承載力，從而加劇路面破壞，縮短使用壽命。要根據(jù)具體情況，采用不同的措施防治半剛性基層裂縫。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、厚度計(jì)算和工藝設(shè)計(jì)多方面綜合考慮。
采用水泥穩(wěn)定碎石基層符合我國的半剛性路面“強(qiáng)基薄面”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且應(yīng)用范圍廣泛。要徹底消除半剛性基層裂縫可能相當(dāng)困難，但從基層材料本身出發(fā)，采用新材料、新工藝來探討減少反射裂縫的措施或許更為有效，技術(shù)也更合理，經(jīng)濟(jì)上更能被接受。
