有關(guān)水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面開裂原因剖析
2016-05-10
1 前言
由于半剛性基層材料具有整體性強(qiáng)、承載力高、剛度大、水穩(wěn)性好而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，國外高等級公路上越來越多地采用半剛性基層。目前，我國高等級公路路面基層或底基層也廣泛采用半剛性材料。然而，半剛性材料的缺點(diǎn)是抗變形能力低，在溫度或濕度變化時(shí)易產(chǎn)生裂縫，當(dāng)瀝青面層較薄時(shí)，易形成反射裂縫，進(jìn)而嚴(yán)重影響路面的使用性能。因此，深入開展水泥穩(wěn)定碎石基層開裂機(jī)理及防裂措施的研究，提出合理而實(shí)用的防治路面裂縫的措施，對延長道路使用壽命，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 常用的瀝青路面裂縫防治措施
瀝青路面開裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的。影響裂縫輕重程度的主要因素有瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)、基層材料的性質(zhì)和狀況、氣候條件、交通量和車輛類型及施工因素等。但就瀝青路面開裂的主要原因而論，可以分兩大類，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫主要由于行車荷載作用而產(chǎn)生的裂縫，常見的裂縫如下圖1所示。在車輪荷載作用下，半剛性基層底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則半剛性基層底部發(fā)生開裂，在行車荷載反復(fù)作用下，底部裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部，并使瀝青面層也開裂破壞。在半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)合理、施工質(zhì)量良好的條件下，單純由荷載作用引起面層開裂的可能性不大。
非荷載型裂縫包括溫度裂縫和干燥收縮裂縫。半剛性基層瀝青路面非荷載型裂縫出現(xiàn)的原因可歸結(jié)為幾大類，第一種是由于面層本身性能不良所致: 第二種原因在于基層的干燥收縮或溫度收縮開裂而引起的反射裂縫; 第三種是由于面、基層間相互作用而引起。因此，盡管幾十年來，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，采取了多種防治措施，但歸結(jié)起來，抗裂性能和防裂措施的研究大體也主要分為三大類: 第一類為面層本身抗裂性能和防裂措施的研究; 第二類是半剛性基層防裂性能和防裂措施的研究; 第三類是面、基層之間作用原理及抗裂性能的研究。從根本上說，延緩和減輕高等級道路半剛性路面的非荷載型裂縫，需要從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面采取措施。
設(shè)計(jì)方面應(yīng)采取以下幾個(gè)措施。
2.1 首先應(yīng)該選用抗沖刷性能好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小和抗拉強(qiáng)度高的半剛性材料做基層。
2.2 設(shè)置應(yīng)力消減中間層: 如瀝青混凝土上覆層下的橡膠瀝青中間層、預(yù)制織物膜帶條、織物中間層、低粘度瀝青混凝土層、開級配瀝青混凝土底面層等。
2.3 選用松弛性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做面層，在缺少優(yōu)質(zhì)瀝青的情況下，應(yīng)采取改善瀝青性質(zhì)的措施，以改善瀝青的低溫抗裂性能及高溫穩(wěn)定性。
2.4 在穩(wěn)定度滿足要求的前提下，選用針入度較大的瀝青做面層。美國和英國的研究表明，在瀝青混凝土中使用軟的瀝青可以阻止由低溫收縮以及溫度疲勞作用兩種機(jī)理引起的裂縫擴(kuò)展。
2.5 瀝青面層采用密實(shí)型瀝青混凝土。由于孔隙率明顯影響瀝青混合料的疲勞壽命，密實(shí)型瀝青混合料在使用過程中瀝青的硬化減慢，同時(shí)也延緩了裂縫的擴(kuò)展。
2.6 采用合適的瀝青面層厚度。合適厚度的瀝青面層能保護(hù)未開裂的半剛性基層在使用期間不再產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂縫。
2.7 在瀝青混合料中添加纖維材料，增強(qiáng)瀝青面層的抗裂性能。
2.8 采用橡膠瀝青或聚合物改性瀝青在瀝青混凝土表面做封層，可進(jìn)一步提高表面層的抗溫度裂縫性能。
2.9 在瀝青面層上鋸縫，深入基層厚度的 1/3 ～1/2。由于降低了約束條件，預(yù)鋸縫可以明顯減少面層的溫度裂縫而且與自然隨機(jī)開裂的縫相比，產(chǎn)生的裂縫較整齊。在施工方面，關(guān)鍵是要保證在鋪筑瀝青面層之前，半剛性基層不產(chǎn)生收縮裂縫。為此要做到以下幾點(diǎn)。
2.9.1 嚴(yán)格控制半剛性基層施工碾壓時(shí)的含水量，混合料的含水量不能超過壓實(shí)需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許的范圍內(nèi)。
2.9.2 半剛性基層碾壓完成后，要及時(shí)養(yǎng)護(hù)，保護(hù)混合料的含水量不受損失，決不能讓基層暴曬變干開裂。
2.9.3 半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，應(yīng)立即噴灑稀釋瀝青或?yàn)r青乳液，做成透層或粘層。
2.9.4 透層或粘層完成后，應(yīng)盡快鋪筑瀝青面層。
2.9.5 加強(qiáng)施工控制，保證在制備瀝青混合料過程中不使瀝青過分老化( 控制加熱溫度和加熱時(shí)間) 和加強(qiáng)碾壓使瀝青混合料達(dá)到高密實(shí)度都有助于減少反射裂縫?？偟恼f來，除施工因素外，減輕新建半剛性路面非荷載型裂縫的措施基本上可分為三類，第一類是針對基層的; 第二類是在半剛性基層和瀝青混凝土面層間設(shè)置隔離裂縫中間層或應(yīng)力吸收膜中間層，第三類是改善瀝青面層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。
3 防治水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫的措施
作為防治瀝青路面非荷載型裂縫的重要措施之一，改善基層抗裂性能方法的關(guān)鍵在于減輕基層干縮和溫縮并提高基體的抗拉強(qiáng)度，或在提高強(qiáng)度的同時(shí)減小材料的剛度。對于改善基層材料的收縮性質(zhì)的方法，也主要從結(jié)構(gòu)和材料兩者出發(fā)。
3.1 結(jié)構(gòu)方面
3.1.1 增加半剛性基層的厚度。一方面，提高了基層整體的抗拉強(qiáng)度，延長了裂縫擴(kuò)展的路徑; 另一方面，在其他條件相同的情況下，半剛性基層厚度的增加，使行車荷載在半剛性基層產(chǎn)生的拉應(yīng)力減小，因此延緩了裂縫擴(kuò)展的速度。
3.1.2 使基層在施工過程中產(chǎn)生很多的微細(xì)裂縫?？仆?、法國、德國等國家的實(shí)踐證明，促進(jìn)穩(wěn)定基層內(nèi)形成間距很小的密布裂縫，在保證裂縫有良好的傳荷能力的前提下，能減輕反射裂縫的產(chǎn)生。
3.1.3 為了避免基礎(chǔ)產(chǎn)生不規(guī)則的紊亂的裂縫，減少裂縫的破壞作用，在水泥穩(wěn)定基層預(yù)先鋸縫。預(yù)切縫由于降低了約束條件，有利于控制反射裂縫。
3.1.4 用纖維、金屬網(wǎng)或玻璃絲網(wǎng)、土工織物等加固基層。
加筋材料限制了裂縫擴(kuò)展，并且促使產(chǎn)生許多微細(xì)裂縫，消耗大量的斷裂能，因此減少了反射裂縫。
3.2 材料方面
影響水泥穩(wěn)定碎石收縮的因素很多，這些因素包括水泥的類型和數(shù)量、集料的含泥量與塑性指數(shù)、混合料的含水量與級配、水泥碎石混合料的拌和和壓實(shí)、添加劑等。水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)力主要受水泥劑量及施工碾壓時(shí)的含水量的影響。水泥劑量越大，干縮應(yīng)力也就越大，裂縫也就越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泥增加 1 倍，路面的橫縫增加 24 倍。施工碾壓時(shí)，混合料的含水量越大，干縮應(yīng)力也越大，導(dǎo)致裂縫增多，縫寬增大。
從原材料組成出發(fā)，對各組成部分的要求具體如下。
3.2.1 集料的要求。盡量選擇不含或僅含少量粘土、彈性模量較大的粗骨料，如采用石灰?guī)r和石英巖就比砂巖骨料好?？刂屏Ａ现屑?xì)料含量和塑性指數(shù)，提高粗集料含量，盡量采用密實(shí)式級配。一般粒徑越大，應(yīng)變越小; 同時(shí)隨粒徑增大，受水泥劑量影響程度減小。通過改善集料級配，以達(dá)到減少水泥用量的目的。
3.2.2 水泥的要求。水泥品種對混凝土的收縮影響較大。
水泥熟料中 C3A 含量大、細(xì)度較細(xì)、石膏含量少、SO3 含量小的水泥干縮較大。因此，采用收縮性小的水泥，盡可能減少水泥用量，在達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的前提下。采用最小水泥劑量，并采用粉煤灰以及其他一些礦物摻合料取代部分水泥。
3.2.3 用水量的要求。含水量是影響干燥收縮的主要原因之一，混合料碾壓時(shí)，含水量越大干縮越嚴(yán)重。同時(shí)含水量過大還可導(dǎo)致水泥在混合料中分布不均勻，粗骨料表面裹覆水泥減少，有時(shí)還可能造成水泥含量的損失，加劇混合料的離析等。因此要控制施工碾壓時(shí)的含水量，可在水泥穩(wěn)定粒料中使用減水劑，且采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.4 添加劑方面?？赏ㄟ^向半剛性基層材料中摻加NaSO4、CaSO4、MgSO4、膨脹水泥等膨脹物質(zhì)抵消基層的收縮，還可以考慮在基層中添加橡膠等物質(zhì)以降低材料的剛度，減小材料的脆性。另外，施工方面，應(yīng)在水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)護(hù)結(jié)束和噴灑透層瀝青或做下封層后，立即鋪筑瀝青面層，保護(hù)基層混合料使其不過分變干和產(chǎn)生干縮裂縫。實(shí)踐證明，在鋪筑瀝青面層前，如半剛性基層上沒有覆蓋保護(hù)而遭受暴曬，半剛性基層不可避免地要產(chǎn)生干縮裂縫。當(dāng)半剛性基層上僅為薄瀝青面層或封層時(shí)，在某些情況下，特別是半剛性材料的含水量偏大時(shí)，半剛性基層會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫，并將其上的瀝青面層拉裂。
4 結(jié)語
水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它與材料結(jié)構(gòu)與性能、結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)、溫濕循環(huán)、車輛荷載疲勞作用以及施工工藝、施工管理養(yǎng)護(hù)等各方面因素有關(guān)。只有綜合考慮各方面因素的影響，才能把路面產(chǎn)生裂縫的可能性減少到最低程度，充分發(fā)揮水泥穩(wěn)定碎石基層的優(yōu)勢，改善瀝青路面的使用性能，逐步提高和完善我國的公路建設(shè)水平。
