淺談水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面反射裂縫分析及防治
2016-05-10
半剛性基層具有很好的板體性、剛度、擴散應(yīng)力強，具有良好的抗拉強度、抗疲勞強度、良好的水穩(wěn)定特性。基于半剛性基層的良好的力學(xué)性能和造價低的優(yōu)點，相比較其他類型基層，在高等級公路上暫時都不可能取代半剛性基層，半剛性基層仍將作為一種主導(dǎo)性基層應(yīng)用于我國的公路建設(shè)。我國常見的半剛性基層有水泥穩(wěn)定土水泥、二灰穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定土。本文主要研究對象是水泥穩(wěn)定碎石基層。
隨著水泥穩(wěn)定基層在公路工程中的廣泛應(yīng)用，瀝青混凝土路面的裂縫是公路工程普遍存在的病害之一，路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進入水分，使基層甚至路基軟化，導(dǎo)致路面承載力下降，產(chǎn)生唧漿、臺階、網(wǎng)裂等病害，從而加速路面破壞。
1、反射裂縫種類及成因分析
反射裂縫是半剛性基層瀝青路面比較普遍的一種裂縫形式，是指路面基層先于面層 產(chǎn)生裂縫，并將基層裂縫反射到面層。根據(jù)形成的不同原因可將反射裂縫分為兩大類：荷載型反射裂縫和非荷載型反射裂縫。
1.1荷載型裂縫
荷載型反射裂縫是指半剛性基層在車輪荷載作用下，由于半剛性材料的強度不足，基層底部尤其是基層薄弱處產(chǎn)生拉應(yīng)力超過半剛性材料的抗拉強度，導(dǎo)致底部開裂，且在行車荷載的反復(fù)作用下底部裂縫逐步擴展到上部，最后使瀝青面層產(chǎn)生開裂破壞。
1.2 非荷載型裂縫
非荷載型裂縫是由于半剛性材料溫度收縮、干燥收縮、路基的不均勻沉降等原因引起的反射裂縫。
1.2.1干燥收縮
干燥收縮是無機結(jié)合料穩(wěn)定材料因內(nèi)部含水量變化而引起體積收縮的現(xiàn)象。其基本原理是由于水分蒸發(fā)而發(fā)生的毛細(xì)管張力作用、 吸附水及分子間力作用、 礦物晶體或凝膠體的層間水作用、炭化脫水作用而引起的整體的宏觀體積的收縮。這種裂縫是基層開裂最常見的，在基層開裂中所占的比例也是最多的，干縮性開裂成為半剛性水泥穩(wěn)定礫基層的主要病害。
1.2.2溫度收縮
當(dāng)基層上鋪筑瀝青面層后，基層的含水量一般變化不大，此時半剛性基層的收縮轉(zhuǎn)化為溫度收縮為主，主要原因是由驟升驟降形成均溫差太大。當(dāng)氣溫驟然升降時，水泥穩(wěn)定砂礫基層的表面溫度和水泥穩(wěn)定砂礫基層內(nèi)部溫度不一致時，產(chǎn)生的收縮量也不同，當(dāng)他們之間的收縮應(yīng)力大于水泥穩(wěn)定砂礫基層的抗拉強度時，自然而然地產(chǎn)生了開裂現(xiàn)象。在冬季比較寒冷的地區(qū), 通常溫縮是主要形式。
2、水泥穩(wěn)定碎石基層反射裂縫的防治措施
水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面的反射裂縫是基于水泥穩(wěn)定碎石強度和收縮特性的一種病害，普遍認(rèn)為這種裂縫不能避免，只能采取措施降低其危害，本文從以下幾個方面減少和預(yù)防反射裂縫的產(chǎn)生。
2.1道路結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1.1增加瀝青面層厚度
國外研究發(fā)現(xiàn)，增加瀝青層厚度可有效降低半剛性瀝青路面的反射裂縫，但對于由于溫度引起的低溫開裂所起的作用十分有限。同時由于加厚瀝青面層厚度可大幅度增加建設(shè)投資，其經(jīng)濟性值得考慮。
2.1.2采用柔性基層
因為柔性基層具有很強的柔性和變形能力，同時可起到應(yīng)力消散作用，可以有效地減少路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此可有效降低半剛性基層的開裂和溫縮裂縫的綜合作用。同時，國內(nèi)有許多的學(xué)者已經(jīng)開始研究柔性基層和半剛性基層的優(yōu)化組合技術(shù)，將是更為有效的預(yù)防反射裂縫的措施。
2.1.3設(shè)置級配碎石過渡層
這是在面層和基層之間增加一層由級配碎石構(gòu)成的過渡層，將原半剛性基層下放成為底基層，而級配碎石層則成為上基層。南非是使用級配碎石層比較多的國家，法國也于1988年相應(yīng)提出“倒裝結(jié)構(gòu)”，均對緩解反射裂縫有著明顯的作用。
2.1.4應(yīng)力吸收層
應(yīng)力吸收層是指在基層與面層之間設(shè)置薄層封層，起到吸收尖端應(yīng)力，延緩開裂的目的。國內(nèi)外研究主要集中在低彈性模量、高韌性的材料開發(fā)上。采用新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的封層材料能夠有效的減少反射裂縫，目前常用的有稀漿封層、碎石封層、同步碎石封層、橡膠瀝青封層、纖維封層等。
2.1.5加鋪土工織物或格柵 土工織物包括包括聚丙烯或聚醋織物和聚乙烯、聚丙烯或聚醋無紡織物，厚度不超過幾個毫米。無紡織物夾層的主要作用與應(yīng)力吸收薄膜相似。而織物由于模量稍高，可對加鋪層起少量加筋作用。格柵包括聚丙烯或聚醋土土格柵、玻璃格柵和金屬格柵。其中比較常用的是玻璃格柵，它是以高溫強度玻璃纖維為原料的一種新型加筋材料，具有較大的抗拉強度及彈性模量，較低的延伸率和很高的熔點。能夠很好地抗變形能力，緩解疲勞開裂，防止反射裂縫。
2.2 基層材料選擇及配合比設(shè)計
2.2.1 原材料選擇
1) 水泥
水泥的種類決定了水泥的礦物成分，直接影響混合料的強度。盡量選擇硅酸鹽水泥，要求水泥的水化熱小,干縮性小，抗壓強度與抗折強度均能符合要求。對所用水泥初凝和終凝時間作要求：初凝應(yīng)在3小時以上，終凝時間不小于6小時；且施工中從加水拌和到碾壓成型完成的時間（即延遲時間）應(yīng)小于水泥的初凝時間。
2) 集料
在水泥穩(wěn)定碎石混合料中，集料起著很重要的骨架作用。正是由于這種骨架作用貢獻了水泥穩(wěn)定碎石整體的宏觀強度。研究水泥穩(wěn)定粒料的收縮特性，不能忽視集料的重要作用。對于集料，要求碎石應(yīng)由巖石或礫石軋制而成，應(yīng)潔凈、干燥，并具有足夠的強度和耐磨耗性，其顆粒形狀應(yīng)具有棱角，接近立方體，不得含有軟質(zhì)和其它雜質(zhì)。在保證壓碎值、針片狀指標(biāo)合格的同時，為控制路面離析，控制最大粒徑為31.5mm，控制集料的塑性指數(shù)、粘土含量及含泥量。
2.2.2 級配設(shè)計
1）選擇骨架密實型級配，減少集料中細(xì)料的含量。粗集料含量多，混合料的收縮系數(shù)小，粗集料含量少,則混合料的收縮系數(shù)大。由于越細(xì)的集料其收縮性越大，所以小于 0. 075 mm 細(xì)粒的含量應(yīng)控制在 5% 以下。粘土、有機物質(zhì)含量也不能超標(biāo)。
2）水泥劑量：水泥劑量是水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計的一個關(guān)鍵指標(biāo)，水泥用量越大水泥穩(wěn)定碎石的強度和剛度也隨之加大，增大裂縫產(chǎn)生的幾率，水泥的用量越大，水化反應(yīng)影響越大，
其收縮性就越大，一般在基層混合料滿足抗壓強度的條件下，盡量使用較小水泥劑量。
3）使用外加劑：各種外加劑的有效合理使用，有助于降低半剛性材料的收縮系數(shù)，延緩或減少路面裂縫數(shù)量。加入緩凝減水劑、 緩凝阻裂劑等外加劑，以延長水泥的初凝時間，或減少水化反應(yīng)的需水量，改善水泥的性能。
2.3施工工藝
2.3.1 含水量控制
含水量的控制影響到壓實度的保證和裂縫的產(chǎn)生?？紤]到混合料在運輸、 碾壓過程中還有水分散失， 尤其夏季施工時水分蒸發(fā)快，施工過程中對水的含量應(yīng)控制在比最佳含水量大 1%左右。含水量過小時，攤鋪時容易離析， 基層表層松散，碾壓容易起皮， 難以壓實；含水量過大碾壓時粘輪，表面起拱，而且基層成型后水分散失愈多，形成的裂縫愈多。所以施工過程中含水量要控制適宜,特別是要根據(jù)天氣狀況及時來調(diào)整含水量大小。
2.3.2離析控制
在水泥穩(wěn)定碎石拌合、運輸、攤鋪等在各個施工環(huán)節(jié)上都會產(chǎn)生離析，在離析尤其是細(xì)集料堆積的地方更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力導(dǎo)致裂縫的形成，所以應(yīng)從控制原材料尤其是粗集料尺寸、保證有效的拌合、運輸時應(yīng)采用“前、中、后”三次裝料方式，攤鋪面出現(xiàn)較大離析時應(yīng)及時人工補料。
2.3.3 攤鋪工序
控制攤鋪機速度在 2 m/ min~ 2. 5 m/ min 以下，防止攤鋪機過快而將混合料拉的過虛,產(chǎn)生潛在裂縫。同時也可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)能力和攤鋪能力進行速度調(diào)整，但速度不應(yīng)超過4 m/ min，攤鋪后，發(fā)現(xiàn)不合格的路段，及時增補料，并進行整平和整形。
2.3.4碾壓工序
壓路機合理組合及控制其碾壓順序及碾壓速度。壓路機碾壓速度不宜過快，特別是振動壓實時， 否則會將混合料內(nèi)部拉裂,表面也會出現(xiàn)微小裂縫。這些都為以后裂縫的產(chǎn)生埋下了隱患，同時應(yīng)保證水泥穩(wěn)定碎石的壓實度。
2.3.5養(yǎng)生及交通管制
對已完成碾壓并經(jīng)壓實度檢測合格后應(yīng)立即進行養(yǎng)生，不能延誤。養(yǎng)生可用濕的土工布養(yǎng)生，在已完成混合料直接灑水養(yǎng)生。水泥終凝后立即覆蓋土工布或薄膜， 避免基層曝曬時間過長導(dǎo)致水分蒸發(fā)過快。養(yǎng)生期間做好交通管制工作。只允許灑水車輛通行，行車速度不超過15km/h。無法管制時，應(yīng)限制車速，嚴(yán)禁履帶車通過。
3、結(jié)語
水泥穩(wěn)定類基層由于其強度高, 水穩(wěn)定性好,造價較低的優(yōu)勢, 在目前中國公路得到了廣泛使用。反射裂縫是水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面常見的病害，因此要在道路設(shè)計、原材料選擇、配合比設(shè)計、基層施工工藝上下功夫，認(rèn)真細(xì)致地注重每個環(huán)節(jié)，減少反射裂縫的產(chǎn)生，延長路面的使用壽命。
