岩土工程师辅导：水泥稳定碎石基层裂缝探讨

　　一、概述

　　用水泥稳定粗粒土(颗料的最大粒径小于50mm且其中小于40mm的颗粒含量不少于85%)和中粒土(颗粒的最大粒径小于30mm且其中小于20mm的颗粒含量不少于85%)得到的混合料，视所用原材料为碎石或砾石，简称为水泥碎石或水泥砾石。

　　水泥稳定碎石有良好的力学性能和板体性，其初期强度高并且强度随龄期增长，其力学强度还可视工程需要进行调整。其特点是：强度高，水稳性好，抗冻性好，耐冲刷，温缩性和干缩性均较小，是一种优良的路面基层材料。然而水泥稳定碎石料也有其与生俱来的缺点：主要是脆性大，从而导致对温度和湿度敏感性强，易因温度变化和湿度变化产生裂缝并反射到路面，导致路面强度和使用性能大大降低，产生冲刷和唧唧浆现象，这也是路面工程不可忽视的病害。

　　二、产生裂缝的现象

　　水泥稳定集料基层是将一定级配的集料与水泥和水一起拌和后，在最佳含水量状态下碾压成型，经过养生达到一定强度的路面基层结构，此基层是一种半刚性结构。水泥稳定基层容易产生裂缝的同时已是影响沥青混凝土面层破坏的关键因素。这种裂缝，一般在基层顶面沿横向开裂多为等间距，成直线型，缝长不等，缝宽在0.5～3.5mm左右。较早出现裂缝是在水稳层养生过程中开始出现，有的是在沥青混凝土路面通车后在荷载的作用下出现，这是由于水稳层出现裂缝并引起沥青混凝土面层产生相对的反射裂缝

　　三、裂缝的危害

　　基层裂缝的危害有二个方面：一是降低基层的整体强度，二是发展后会形成反射裂缝，使沥青混凝土路面相应出现有规则的横向裂缝、起拱。出现第二种情况，若不及时处理，雨水从裂缝内向下渗透，沥青混凝土和基层裂缝缝隙处充满自由水，在车辆荷载反复冲击下，就会使沥青混凝土中粘附在碎石表面的沥青剥离，基层的细集料形成泥浆被挤压出路面，沥青混凝土路面出现坑洞、碎裂、松散，造成沥青混凝土路面早期破损，影响其使用寿命。基层裂缝的危害较为常见，直接影响到了路面行车的速度和安全

　　四、裂缝产生的原因

　　对于道路上的半刚性基层，要求其具有较小的收缩性。半刚性材料的收缩包括二个方面，一是由于水分子减少而产生的干缩，二是由于温度降低而产生的温度收缩。

　　基层材料的干缩和温度收缩是引起基层结构产生横向裂缝的主要原因。对沥青面层的开缝特别是反射裂缝的发生有很大影响，另外一个原因是在车辆荷载作用下产生的裂缝。

　　1、干缩性裂缝：干缩性裂缝的情况有两种，一是水泥稳定碎石压实成型到正常养护期(一般为7 d)的干缩;二是养护期满后到施工沥青封层或透层、摊铺沥青混凝土面层这段时间的干缩。其机理基本上是一样的，只是其损害的程度有所不同。

　　水泥稳定碎石压实成型到正常养护期(一般为7d )期间，由于混合料本身的水份和养护洒水的水分蒸发以及混合料内部水化作用发生的毛细管作用、分子间吸附作用力和碳化收缩作用等，引起基层混合料体积在一定程度趋于减小而收缩，出现拉裂的现象。如果这段时间天气正常，气温没有太大变化，混合料(基层)从最佳含水量到较干燥的干缩过程可称之为一次性的干缩，其产生的裂缝是有限的。

　　从基层养护期满后到施工沥青封层或透层油、摊铺沥青混凝土面层之间，如果这段时间间隔较长，自然天气从睛到雨，从雨到睛，风吹日晒雨淋，基层料从“较干燥→饱水状态→较干燥→饱水状态”反复循环作用，水分反复的“蒸发、饱和、蒸发、饱和”，多次重复干缩过程，必然会使基层出现较严重的拉裂现象，在薄弱地方就表现为裂缝，这种破坏在多雨的地区特别明显。养生结束后，如其上为沥青面层，应先清扫基层，立即喷洒透层或粘层沥青、在清扫干净的基层上，也可先做下封层，以防止基层干缩开裂

　　2、温缩性裂缝：也就是热胀冷缩产生的裂缝。万物都具有热胀冷缩的性质，水泥稳定碎石基层属半刚性体，也不会例外。在水泥路面设计和施工中，设置伸缩缝的做法规范中已有明确的规定，并且在施工和实际中得到广泛的应用，取得了显着的成效。但长期以来，在水泥稳定碎石基层的设计规范或施工技术规范中却没有提出来，这有待于进一步探索。

　　水泥无机结合料内部的不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相体，在温差作用中必然会使其产生热胀冷缩的体积变化，从而引起温缩性裂缝。

　　(1)固相矿物不同的胀缩性：碎石原材料矿物(主要为SiO2、AI2O3)组成的热胀冷缩系数为810-6/℃，水泥稳定碎石生成的新胶结矿物主要成分为C-S-H凝胶体，热胀冷缩系数一般为10～2010-6/℃。由于两者组成的固相复合稳定材料的矿物具有不同的热胀冷缩性，在温度变化时其胀缩值是不相同的

　　(2)液相(水)的热胀缩性：自由水、毛细水、结构水、结晶水存在于混合料内部的孔隙中和胶体中，水的热胀缩系数为7010-6/℃。当温度升高时，可以产生相当大的扩张力使颗粒间距增大而产生膨胀。

　　(3)气相的热胀缩性：混合料毛细孔、内部孔隙充盈着气体。夏天时水稳层内部结构气体体积受热充分膨胀，结构内的颗粒相应充满扩张力。冬季时，原膨胀的气体体积收缩，颗粒内的结构应力减小，产生收缩力，体积变小。当扩张力超过临界值时，水稳层就会产生起拱;当收缩力超过结构拉应力时，便产生横向裂缝。

　　3、荷载性裂缝

　　荷载性裂缝一般发生在基层的底部，由于车辆荷载的反复作用，裂缝逐渐向上扩展至表面，车轮荷载作用下产生的裂缝反映在面层，往往不是单独的、稀疏的或较有规则的裂缝，而是稠密的，有时是相互联系的。

　　五、裂缝的预防

　　1、严格控制级配和压实度：作为水泥稳定基层用的碎石要求不是很高，规范中只有4个指标：相对密度、压碎值、有机质含量、硫酸盐含量，因此很多岩矿都可作为基层碎石的料矿。高速公路基层碎石用量是很大的，而一般外购的一个石料场的产量却很小，就必须同时使用几个料场进料，并且由于储料场地不足而又混堆储料，这就产生两个很严重的问题：一是由于不同矿源筛网不同造成同一档料内各粒料数量不同，几档材料混合后，生产配合比经常变化，极易超出上限或下限。二是各料场碎石的密度不同，在确定最大干密度带来很大的困难――无法在几种混合矿料中得到一个最具代表性的最大干密度，最终导致现场无法进行正常压实度检测和控制，压实度经常超过100%或小于极限值。

　　如果只使用一个岩矿做粗集料的料场，既能保证生产配合比与理论配合比吻合较好，也能保证最大干密度不至于经常变化，有利于压实度的现场控制。事实证明，水泥稳定碎石基层级配和压实度的好坏，不但影响水泥稳定基层的干缩性，而且还影响到水泥稳定基层的耐冻性。所以，控制好级配和压实度可预防裂缝的产生。

　　2、严格控制混合料中小于0.075以下的颗粒(矿粉、粘土)含量：小于0.075以下的颗粒含量增加时，不但增加了水泥的用量，而且基层表面还容易起皮(起砂)，严重影响水稳层的质量。同时，当细集料增加时，混合料的温缩系数随温度降低的变化幅度越来越大。温度越低，细粒料对温缩的影响也越大。因此，规范中水稳层的颗粒组成范围规定：集料中0.5mm以下细粒土有塑性指数时，小于0.075以下的颗粒含量不应超过5%，细粒土无塑性指数时，小于0.075以下的颗粒含量不应超过7%。

　　在实际施工控制中，要减小0.075以下的颗粒(矿粉、粘土)含量采用在储料场过筛方法除去或用水冲洗是很不现实也很费时的。最好的方法是在破碎现场加装水洗装置或者在破碎机的皮带运输机最后一环节上再加装一个可360度旋转的滚动筛。经过这个工序，小于0.075以下的颗粒含量将会大大减小。施工时，如果能将塑性指数控制在小于4%，不但可以减小水泥稳定粒料的收缩性，而且还可以提高压力水对基层的抗冲刷能力

　　3、严格控制水泥用量和碾压时的最佳含水量：一般的水泥稳定碎石基层，其设计强度通常为3～5Mpa。设计强度越高，所需水泥用量越大。基层刚性越大，越易产生干缩性裂缝，缝宽也越大，所以规范规定水泥剂量ㄑ6%(美国和日本也限制在6%，法国限制在5%)。

　　水泥稳定碎石基层干缩应变随混合料的含水量增加而增大。施工碾压时含水量越大，结构层越易产生干缩性裂缝。即使铺筑了沥青面层，在旱季或冬季也可能产生干燥裂缝。因此在施工时，应根据天气情况适当增加或减少拌和用水量。例如，在夏天施工气温较高，即使在同一天施工，混合料的拌和用水量也应早、中、晚各不相同，并且，还要根据运距远近、运输车辆配置情况不断的调整，确保碾压时混合料含水量在最佳含水量范围内。

　　摊铺完成后，要及时用尼龙布、麻袋布覆盖进行洒水养护，防止基层因混合料内部发生水化作用和水分的过分蒸发引起表面的干缩性裂缝现象。如果在冬天施工温度较低，则可以用一层塑料薄膜再加上二层土工布覆盖保温，不一定需要洒水养护。

　　可能的情况下，养护期结束，立即进行沥青封层或透层油的施工，及时摊铺沥青混凝土面层，这样水稳层裸露在外面风吹日晒雨淋的时间短，能有效地减少“重复干缩”产生的裂缝。这个措施是非常有效的。

　　4、选择有利的季节或时间进行水稳基层的施工：水稳基层施工最好选择在年平均气温时期施工。由于此时气温变化不大，结构内温度应力较小，水稳层不易产生热胀冷缩的现象。施工时的气温与一年中最冷或最热时的温差越大，越易产生温缩性裂缝。

　　如果在夏天酷暑条件下施工，最好能选择在早晚的时间，尽可能避开中午时间进行摊铺，并要加强覆盖洒水养护，保证水稳层处于湿润状态。

　　冬天气温低于5℃时，一般不能进行水稳基层的施工。在有冰冻的地区，应在第一次重冰冻(-3～-5℃)到来之前半个月到一个月内完成。

　　六、裂缝的处治

　　1、密封胶封缝技术

　　水稳层出现裂缝，需要进行及时的封填处理，有效阻止水分的渗入，防止病害的进一步扩展和蔓延。密封胶封缝技术是一种比较成功的途径，当密封胶加热到180℃以后，粘度变得很低，灌入裂缝后，很快就渗透到裂缝两侧的混合料中并融合到一起，当密封胶冷却后，在常温和低温时均有着较高的弹性，可随着裂缝的胀缩而发生弹性变形，始终保持其密封作用，这样就长期、有效地封闭了水稳层的裂缝。在灌缝之前，首先要用切缝机对裂缝进行切缝处理，当裂缝宽度超过3mm，都应该进行切缝。

　　2、填灌沥青胶、铺设土工布技术

　　基层顶面出现裂缝后，首先应将较大的裂缝进行切缝处理，填灌沥青胶，对较小的裂纹，直接铺上土工布。这种土工布多为深色或灰色，具有抗老化、耐高温、强度高、单面烧毛等特点。施工时横向搭接宽度为10cm，纵向搭接为5cm。施工前应在基层顶上先洒布粘层油，用量约0.7～1.1kg/┫，再铺土工布，并进行碾压，注意施工车辆不得在土工布表面转弯。最后再洒布一次粘层油，用量约为0.5～0.6kg/┫，尔后方可摊铺沥青混凝土面层。用这种方法处理基层反射裂缝是目前较为有效的解决方法。

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