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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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┑难芯俊５诙愂敲?、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(gè)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：
?。?）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。
?。?）采用補(bǔ)償收縮措施，如摻加膨脹劑；
?。?）降低基層材料的收縮系數(shù)，提高基層材料的抗拉強(qiáng)度；
?。?）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：
（1）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；
?。?）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；
（3）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。
（4）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。
