浅析水稳基层施工裂缝成因及控制措施

　　摘要：水泥稳定碎石作为一种半刚性基层材料，由于其具有材料料源广泛，成本较低而被广泛应用于各类高等级道路的路面基层结构中。但是由于水泥稳定碎石中存在水泥水化的影响，使半刚性水泥稳定碎石基层材料存在收缩现象，会不可避免地产生收缩裂缝，进而导致反射裂缝的出现。本文通过在安徽省世行新大线项目质量管理中对水泥稳定碎石的施工、裂缝产生的原因及裂缝的防治等作了简单研究，并对裂缝防治措施提出了建议。
　　关键词：水稳、基层、裂缝、研究
　　一﹑前言
　　在我国现阶段公路工程实践活动中，水泥稳定碎石作为一种半刚性基层材料，由于其具有材料料源广泛，成本较低、工程质量容易控制且施工质量有保证而被广泛应用于各类高等级道路的路面基层结构中。但是由于水泥稳定碎石中存在水泥水化的影响，使半刚性水泥稳定碎石基层材料存在收缩现象，会不可避免地产生收缩裂缝，进而导致反射裂缝的出现。通过对以往建成的许多公路工程检查发现，很多公路路面出现破坏往往与路面水稳基层引起的反射裂缝有着直接的关系，因此如何有效控制水泥稳定碎石基层裂缝的产生是公路工程施工质量控制一重要课题；以下通过在安徽省世行新大线项目质量管理中对水泥稳定碎石的施工、裂缝产生的原因作出的试验、分析、研究，并根据研究结果对裂缝的防治、裂缝防治措施提出了建议供类似工程施工作为参考。
　　二﹑水泥稳定碎石基层特点
　　1、 具有一定的抗拉强度
　　水泥稳定碎石材料具有一定的抗拉强度，经试验研究表明，6%水泥剂量的水泥稳定碎石在龄期达倒28天时其强度（Rb，用梁式试件，三分点加载试验测得）约为0.90mpa，间接抗拉强度（Ri，用圆柱体试件，沿其直线方向用接近线压力进行试验）约为0.4mpa。
　　2、 温度对水泥稳定碎石强度的形成和发展有很大影响。
　　试验表明，水泥稳定碎石的强度在较高温度下形成和发展得很快，当温度低于5℃时，水泥稳定碎石的强度就难于形成和基本上没有什么增长。
　　3、强度和刚性都随龄期增长
　　水泥稳定碎石内部的化学反应要持续一个相当长的时间才能完成，水泥终凝后，其混合料的硬结过程常延续到一至两年以上。
　　4、刚性为柔性材料如级配碎石的数倍，但又明显小于水泥混凝土，承载力和分布荷载的能力明显大于柔性材料结构基层。
　　三、水泥稳定碎石裂缝的产生原因
　　水泥稳定碎石基层在施工过程中和后期可能因各个方面的原因会产生不同的裂缝，按主要形成原因可分为温缩裂缝和干缩裂缝。
　　现就这两种裂缝产生的原因阐述如下：
　　1、干缩裂缝及其产生原因
　　水泥稳定碎石压实后，由于水分蒸发和混合料内部发生水化作用，其水分会不断减少。由于水份的减少而发生上升毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用；材料矿物品或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等一系列综合作用会引起水泥稳定碎石产生体积收缩，从而引起干缩裂缝。
　　1．1材料种类
　　试验表明，集料类型对干缩应变有很大影响，其中主要是集料中小于0.425的颗粒含量多、塑性指数和线收缩大的集料用水泥处治后的干缩应变也大。
　　1．2集料的塑性
　　集料的塑性对水泥稳定碎石的干缩应变的影响成正比关系，即塑性愈大，干缩应变愈大。
　　1． 3含水量
　　制件含水量对水泥稳定碎石的干缩应变有明显影响，但其影响程度又随集料的塑性而变；集料的塑性愈大，制件含水量对混合料的干缩应变的影响也愈大。
　　1． 4水泥剂量
　　试验表明，对于塑性较大的集料，水泥剂量对于干缩应变的影响较大，通过试验表明可能存在一个干缩应变最小的最佳水泥剂量；一般在工程应用实际中，选择水泥剂量在3%~7%之间，不宜超过8%。
　　1． 5暴露时间
　　在暴露初期（约前7天）和后期接近风干状态时增加缓慢，而在暴露中期增加很快。
　　1． 6失水量
　　试验表明，水泥稳定碎石的失水量，在2.2%-2.3%以下时，混合料的干缩系数相当小，就水泥稳定碎石基层常用的水泥剂量5%-7%而言，其干缩系数只有7×10—6而这个失水两=量已约45%制件含水量或66%风干的最大失水量。因此，水泥稳定碎石基层养生结束后，短时间暴露不致产生干缩裂缝，但较长时间暴露（随气候条件而定）可能5天-10天就会产生间距5米-10米的横向干缩裂缝。
　　1． 7集料的平均粒径
　　干缩应变随水泥剂量有很大变化，但水泥剂量对干缩应变的影响，随集料平均粒径增大而减小。
　　2、温缩裂缝及其产生的原因
　　组成水泥稳定碎石的三个相，即不同矿物颗粒组成的固相，液相（水）和气相在降温过程中相互作用的结果，使水泥稳定碎石产生体积收缩，即温度收缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。粘土和其他胶体颗粒的温度收缩性的大小与其扩散层厚度成正比。水泥稳定碎石中胶凝材料无较大的温度收缩性。存在水泥稳定碎石内部的较大孔隙，毛细孔和凝胶孔中的水通过“扩张作用”、“表面张力作用”三个过程，对水泥稳定碎石的温度收缩性产生极大的影响，使水泥稳定碎石在干燥和饱水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下有较大的温度收缩值。影响水泥稳定碎石温度性质的主要因素是含水量、集料或土的含量、土的矿物成分、环境的温度和龄期。
　　试验表明，由温度产生的应力与施工后凝结和硬化产生的干缩应力相结合，使水泥稳定碎石基层中产生有规则的裂缝，且温度应力与有行车引起的应力大小相当，此现象表明，水泥稳定碎石中起始裂缝是有材料中的温度梯度引起的。因此，减少材料中的温度梯度是很重要的。
　　试验表明，影响水泥稳定碎石温缩系数的主要因素有集料土中粒料或土的含量，结合料的种类及用量等。
　　2.1集料中含土量对混合料温缩性的影响
　　试验表明，随集料中的含土量增加，混合料的温缩系数随温度降低的变化幅度越来越大。
　　2.2环境温度对混合料温缩性的影响
　　试验表明，温度越低，含土量对温缩系数的影响愈大。
　　2.3水泥剂量对混合料温缩性的影响
　　用3%、4%、5%、6%和7%水泥稳定同一级配的碎石，试验结果表明，温度降到0ºC时，3%剂量水泥稳定碎石温缩系数最小。温度降到－5ºC和－10ºC时，7%剂量水泥稳定碎石温缩系数最小。温度降到－15ºC时，5%剂量水泥稳定碎石温缩系数最小。3%剂量水泥稳定碎石的温缩系数随温度变化最大。
　　为了详细地研究水泥稳定碎石基层裂缝问题，我参与了安徽虹桥交通建设监理有限公司对世行项目新大线公路的水泥稳定碎石基层施工过程进行的全过程调查和跟踪试验，主要对水泥稳定碎石的收缩性能进行了重点研究：
　　四、水泥稳定碎石基层材料收缩性能的分析
　　世行项目新大线公路地处安徽省皖南山区，全线51KM，采用的路面结构形式为级配碎石底基层、水稳基层、沥青混凝土面层，共分01、02、03三个施工合同段；根据对世行项目新大线公路水泥稳定碎石基层裂缝进行调查的资料，通过室内试验比较了三个标段水泥稳定碎石的干缩和温缩特性，对水泥稳定碎石基层材料的收缩性能分析如下：
　　1、原材料及混合料组成
　　集料采用世行项目新大线公路实际使用的集料，共分0~4.75、4.75~9.5、9.5~26.5（方孔筛）三档规格，各档集料的技术性质和筛分结果如表1、表2所示。
　　
　　表1世行项目新大线公路基层用集料技术性质
　　技术
　　指标 路面1标 路面2标 路面3标
　　 9.5~26.5 .75~9.5 0~4.75 9.5~26.5 4.75~
　　9.5 0~4.75 9.5~26.5 4.75~
　　9.5 0~4.75
　　视密度(g/cm3) 2.837 2.818 2.814 2.819 2.84 2.809 2.822 2.842 2.792
　　毛体积密度(g/cm3) 2.816 2.770 2.653 2.784 2.777 2.615 2.774 2.754 2.639
　　吸水率(%) 0.26 0.61 2.16 0.45 0.8 2.64 0.61 1.12 2.07
　　<0.07含量(%) 0.2 0.6 11.5 0.4 1.7 12.9 0.9 2.8 14.3
　　针片状含量(%) 16.9 4.4 / 7.8 19.2 / 8 4.3 /
　　压碎值(%) 19.6 / / 17.5 / / 19.5 / /
　　砂当量(%) / / 79 / / 78 / / 67
　　液限(%)   14   18   18.5
　　塑性指数   0.8   0.5   3
　　水泥产地 海螺牌普硅32.5级（枞阳） 陵沪牌普硅32.5级（铜陵） 陵沪牌普硅32.5级（铜陵）
　　
　　表2世行项目新大线工程公路基层用集料筛分试验结果
　　筛孔尺寸(mm) 路面1标 路面2标 路面3标
　　 9.5~26.5 4.75~9.5 0~4.75 9.5~26.5 4.75~9.5 0~4.75 9.5~26.5 4.75~9.5 0~4.75
　　37.5 100 100 100 100 100 100 100 100 100
　　31.5 99.3 100 100 99.5 100 100 100 100 100
　　26.5 88.2 100 100 89.7 100 100 93.1 100 100
　　19 34.2 100 100 38.3 100 100 63.3 100 100
　　16 17.8 100 100 22.5 100 100 44.8 100 100
　　13.2 6.3 99.6 100 11.2 97.2 100 24.9 99.3 100
　　9.5 1.1 85.9 100 2.4 78.4 99.8 6.2 87.4 99.8
　　4.75 0.3 29.2 96.6 0.6 15.8 93.6 1.3 19.3 93.1
　　2.36 0 9.7 71.1 0 6.2 61.2 0 4.0 66.5
　　1.18 0 4.7 46.2 0 4.1 38.5 0 2.1 44
　　0.6 0 3.3 29.7 0 3.3 26.6 0 1.8 31.2
　　0.3 0 2.4 16.3 0 2.7 16.3 0 1.5 19.2
　　0.15 0 2.1 12.4 0 2.3 13 0 1.4 15.2
　　0.075 0 1.7 9.9 0 1.8 9.8 0 1.2 11.4
　　由于集料级配存在一定的变异性，根据室内筛分试验的结果进行组配，与现场实际所用的级配存在一定的差异。因此为验证各项目部实际所用级配的收缩特性，通过室内部分筛分单粒径集料进行组配，尽可能地与现场所用级配相吻合，组配结果和现场实际所用级配见表3。图1中曲线为室内3个标段和虹桥监理公司设计的合成级配曲线，虹桥监理公司设计的级配采用2标的集料，为了提高平整度，减少粗细集料的离析现象，同时防止大粒径集料对机械的损坏，设计时将最大粒径从31.5mm降到26.5mm，0~4.75mm、4.75~9.5mm采用2标的筛分结果，同时将4.75mm的通过量减少到35%左右，使混合料形成骨架结构。
　　
　　
　　表3水泥稳定碎石集料级配组成
　　级配编号 通过下列筛孔（mm）的通过百分率（%）
　　 31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
　　1标级配 99.8 96.5 80.3 56.7 41.3 24.7 10.2 3.5
　　1标项目部级配 100 97.0 77.7 53.0 41.6 26.5 11.1 3.4
　　2标级配 99.8 96.5 79.0 57.3 40.2 25.5 11.2 4.2
　　2标项目部级配 100 96.4 80.7 58.8 40.3 28.8 12.4 4.4
　　3标级配 100 97.1 84.6 58.8 38.2 27.5 9.6 3.6
　　3标项目部级配 100 97.4 82.6 58.2 39.9 27.1 11.5 2.1
　　虹桥级配 100 100 89.8 62.0 35.3 21.7 9.6 3.7
　　设计级配范围 100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7
　　
　　图1水泥稳定碎石级配曲线图
　　
　　2、室内成型参数
　　室内采用静压法成型10cm×10cm×40cm中梁试件，试件成型参数如表4所示。试件成型压力为500--550KN，平行试件数量3个，成型后用塑料袋密封，放置于标准养护室内进行养护。
　　表4.试件成型参数
　　级配编号 水泥掺量（％） 最大干密度（g/cm3） 最佳含水量（％）
　　1标级配 4.5 2.34 5.0
　　2标级配 4.0 2.35 5.5
　　3标级配 4.5 2.42 5.7
　　虹桥监理级配 4.5 2.34 4.8
　　3、室内收缩试验
　　3.1干缩试验
　　通过调查，世行项目新大线工程公路区域地表水系较发达，年降雨量较大，因而研究水泥稳定碎石基层的干缩试验尤为重要。关于半刚性基层材料的干缩特性目前还没有形成统一的测定标准，本次试验主要利用手持应变仪（精度0.001mm）测量小梁在一定失水率下的收缩变形。
　　试件经过7d保温保湿养护后取出，以20cm为标距，在试件的顶面安装测头，放在天然湿度下风干，本次试验室内温度始终保持在20℃左右。观测不同时间试件的重量和变形，直至含水量不再减小，试件体积基本维持不变为止。
　　本次干缩试验共测试了28d的变形，根据累计干缩应变计算干缩系数αd:
　　αd=∑Δεdi/∑Δεωi（公式1）
　　式中：∑Δεdi—累计干缩应变（10-6）；∑ΔεωI—失水量。
　　干缩试验结果见表5，干缩应变、干缩系数与失水量的关系曲线见图2。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　表5水泥碎石干缩试验结果
　　特性
　　配比 制件含水量（%） 最大失水量（%） 最大干缩应变（10-6） 平均干缩系数(10-6)
　　1标级配 5.0 2.9 225 77.6
　　2标级配 5.5 3.2 240 74.6
　　3标级配 5.7 3.0 201 67.4
　　虹桥级配 4.8 2.7 185 69.5
　　
　　
　　图2水泥稳定碎石干缩特性
　　从表5和图2中可以看到：
　　（1）在水泥掺量4%~4.5%的变化范围内，水泥稳定碎石的干缩应变和干缩系数随着水泥掺量的增加，并没有明显的规律可循。
　　（2）1标和2标、3标和虹桥监理级配的干缩应变和干缩系数比较接近，总体上看，随着4.75mm细集料含量的增加，干缩应变和干缩系数将增大，1标和2标的干缩应变和干缩系数要明显大于3标和虹桥级配的干缩应变和干缩系数。
　　（3）干缩应变随着混合料中失水率的增大而逐渐增大，直到最大失水率时将达到最大值；从干缩应变与失水率关系曲线看，在失水初期（失水率约1.5%~2%），由于试件中自由水的蒸发，干缩应变增加较缓慢，此后随着失水率的增加，干缩应变显著增加，呈直线上升，表明材料中结合水的蒸发，对其收缩有着重要影响。因此在水泥稳定碎石基层施工初期（约一周内），必须进行湿治养生，以防失水过大，干缩应变加剧，从而过早地产生干缩裂缝。
　　（4）通过从干缩试验看，3个标段级配试件经28d测试，最大累计干缩应变为240µε，如在施工过程中严格控制含水量和水泥剂量，不致于产生过大干缩应变而导致过多干缩裂缝的产生。
　　3.2温缩试验
　　（1）本次试验采用的试验仪器是同济大学道路与交通工程教育部重点实验室研制的JNZS-2001A路面材料胀缩试验仪测定。将养护7d的试件取出后，安装20cm的测头，然后放置于路面材料温缩试验仪中。
　　（2）温度范围根据世行项目新大线工程公路所经处区域气候、水文资料，将温度控制范围划为25℃~-10℃，每降5℃分为一级间隔，每级温度至少静置6小时，可以认为试件内外温度达到一致。
　　（3）温缩试验的起始温度为25℃。在设定温度下放置6小时后将试件取出，用手持应变仪快速测定试件变形。然后将试件放回温缩仪中，使温缩试验仪密封，调至下一温度设定值，进行下一级试验。
　　（4）根据公式（2）计算温度收缩系数αT，其中∑ΔεT为温度间隔Ti+1—TO条件下的试验变形，相同试件的温缩系数取平行试验的平均值。
　　αT=ΔεT/(TO-Ti+1)公式(2)
　　式中ΔεT—温缩应变（×10-6）；TO—起始温度（℃）；Ti+1—当前温度（℃）。
　　温缩试验结果见表6所示：
　　
　　表6.水泥稳定碎石温缩试验结果（试验起始温度25℃）
　　级配
　　类型 20℃ 15℃ 10℃ 5℃ 0℃ -5℃ 10℃
　　 εt αt εt αt εt αt εt αt εt αt εt αt εt αt
　　1标级配 85.0 17.0 180.0 18.0 190 12.7 280 14.0 360 14.4 390 13.0 435.0 12.4
　　2标级配 75.0 15.0 120.0 12.0 160.0 10.7 190.0 9.5 305.0 12.2 380.0 12.7 420.0 12.0
　　3标级配 45.0 9.0 145.0 14.5 180 12.0 205.0 10.3 280.0 11.2 305.0 10.2 350.0 10.0
　　虹桥级配 55.0 11.0 106.7 10.7 171.7 11.4 218.3 10.9 256.7 10.3 296.7 9.9 348.3 10.0
　　注：εt——温缩应变；αt——温缩系数。
　　图3水泥稳定碎石温缩特性
　　从表6和图3中可以看到：
　　①在25℃~-10℃温区之间，水泥掺量4~4.5%的变化对水泥碎石温缩特性的影响并不明显。
　　②水泥稳定级配碎石的温缩应变随温度的降低而逐渐增大，试件经7d养护，当温度从25℃降到-10℃时，产生的最大温缩应变达到400µε，因此在施工初期温差较大的情况下，会产生较大的温缩应变，导致温缩裂缝的产生。
　　③总体上看，3标和虹桥级配的最大温缩应变和温缩系数要好于1标和2标级配。
　　五、减轻水泥稳定基层收缩裂缝的措施
　　结合以上的分析，结合工程实践，为预防或减轻水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，建议可以采取的措施如下：
　　1、严格控制施工中采用的集料中细料的含量和塑性指数，尽可能减少水泥稳定集料中的粘土含量。要求通过0.075mm筛孔的颗粒含量尽量控制在5％以下，通过4.75mm筛孔的颗粒含量尽量控制在35％左右；如含有塑性指数的土时，塑性指数宜控制在4以下。
　　2、设计的水泥稳定基层混合料的干缩应变参数不大于200µε～250µε。
　　3、限制水泥稳定基层材料的强度和水泥用量。强度高，基层内出现的收缩裂缝间距就大，裂缝的宽度也大。宽度大的裂缝传荷能力差，容易促使沥青面层开裂，产生反射裂缝。因此限制强度不超过6MPa，在达到设计强度标准的前提下，采用最小水泥剂量。
　　4、通过改善集料级配的方法以减少水泥用量，最好能够将水泥稳定碎石的设计水泥剂量控制在不大于5％的标准。
　　5、严格控制施工碾压时的含水量。碾压时混合料含水量宜较试验得出的最佳含水量大0.5%~1%，以满足水泥水化的需要，同时弥补碾压过程中含水量的损失，但一般不宜较最佳含水量大1%以上。
　　6、从加水拌和到碾压终了的延迟时间对强度和干密度有明显影响，延迟时间越长，水泥稳定碎石的强度和密度的损失越大；因此建议延迟时间控制在2h左右；尽量使用终凝时间较长的水泥品种。
　　7、水泥稳定碎石基层施工结束后要及时进行养生，可采用塑料膜养生或其它保湿养生措施，严格控制交通。
　　8、在避免污染的前提下，水泥稳定基层养生结束和喷洒透层沥青或做下封层后，立即铺筑沥青面层，保护基层混合料不使其过分变干和产生干缩裂缝。
　　参考文献
　　［1］公路无机结合料稳定材料试验规程（JTJ057-94）.北京：人民交通出版社.
　　［2］沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.北京：中国建筑工业出版社，1993.
　　［3］公路路面基层施工技术规范（JTJ034-93）.北京：人民交通出版社.
　　［4］公路路基路面现场测试规程（JTJ095-95）.北京：人民交通出版社.
　　［5］道路设计常用数据手册.北京：人民交通出版社.

《浅析水稳基层施工裂缝成因及控制措施》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 浅析水稳基层施工裂缝成因及控制措施

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-15712