论文部分内容阅读
摘要：半刚性基层由于具有强度高、承载力大、良好的抗疲劳性能和抗冲刷性等优点，已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。据统计，我国90%以上的高等级公路沥青路面基层及底基层都是采用半刚性材料。但半刚性基层材料的缺点是抗变形能力低、脆性大，在温度或湿度变化时易产生开裂，形成路面反射裂缝，这已成为高速公路沥青路面早期损坏的重要原因之一。考虑到我国作为水泥生产大国，原材料来源广泛且价格低廉，水泥胶结类材料在今后很长一段时间内仍将作为主要的道路建筑材料，因此对半刚性基层裂缝成因进行研究并探索一种新型基层混合料类型以最大程度的限制裂缝成为了公路行业亟待解决的问题。本文从半刚性基层产生裂缝的原因及对策开始分析，水道渠成的道出了骨架密实型水泥稳定碎石混合料诞生的背景及理论支持。
关键词：半刚性基层裂缝 干缩 温缩 对策 骨架密实型
中图分类号：U416文献标识码： A
一、半刚性基层裂缝形式
半刚性基层沥青路面的裂缝形式多种多样，但形成的主要原因可以分为两大类，即荷载型结构性破坏裂缝和非荷载型裂缝。荷载型结构性破坏裂缝是由汽车动态荷载产生的垂直或水平应力，在基层内部产生超过材料的容许抗拉极限应力的拉应力所造成；非荷载型裂缝则是环境作用的结果，主要是湿度和温度的影响，由干缩、温缩和疲劳作用导致，个别情况下也可能是由于路基不均匀沉陷造成。此外，在冰冻地区的沥青路面上，还可能发现由路基冻胀引起的裂缝。
对于半刚性基层，裂缝往往不是由交通荷载作用引起的。由于水分蒸发及温度变化的影响，很容易产生裂纹，在半刚性基层承受荷载之前，就已经存在大量的微细裂纹和孔洞。因此，实际上它是在带有裂纹的状态下承受交通荷载作用的，半刚性基层的干缩和温缩是引起裂缝的“罪魁祸首”。
二、干缩裂缝和温缩裂缝的成因
了解裂缝的成因才能“对症下药”，从根本上限制半刚性基层的裂缝。
（一）干缩裂缝
干缩裂缝是指半刚性基层在干燥空气中硬化时，随着水分减少体积收缩变形而产生的较为均匀的裂缝。其形成的原因与使用材料如水泥、水和碎石集料都有很大的关系。一方面混合料在凝结硬化过程中，水泥与水起水化反应，消耗大量的水分。另一方面，碎石集料表面吸附水颗粒，细集料成分越多，表面吸附的水颗粒就越多。同理，半刚性基层也经常由于施工含水量大于最佳含水量而增大了基层的干缩幅度而产生较多的干缩裂缝。基层产生干缩裂缝的基本机理是一致的：水分减少使体积收缩而产生裂缝。
⑴失水导致颗粒间距减小体积收缩。
水是影响干缩的重要因素，特别是对半刚性基层的干缩影响极大。半刚性基层在压实之后，由于水分蒸发和混合料内部发生的水化作用，混合料的水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细作用、吸附作用、分子间力的作用等会引起基层体积收缩。
⑵结晶水化物和凝胶结构中水化物分解失水。半刚性基层含水氢氧化钙、水化硅酸钙和水化铝酸钙内结晶水化物由于风化失去结晶水，导致体积减小。
⑶碳化反应引起体积收缩。氢氧化钙和空气中的二氧化碳发生炭化反应，析出水分引起体积收缩，但是碳化反应对半刚性基层的强度和刚度是有利的。
（二）温缩裂缝
温缩裂缝是指半刚性基层混合料在硬化初期，由于内部水泥水化和外部气温急剧降低，使得结构内胀外缩，温度应力超过其极限抗弯拉强度后形成的沿横向均匀分布的裂缝。温缩裂缝是由于结构体内固相、液相、气相的不同温度收缩而产生温度收缩应力超过混合料的抗拉强度产生的裂缝，半刚性基层的初期强度较低，在气温降低时，半刚性基层会产生较大的温缩应力而导致开裂。因此，冻前龄期不足时易产生裂缝，特别是北方地区施工温度较低的時候更应注意。半刚性材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用，使半刚性基层产生体积收缩，即温度收缩。一般气相与大气相通，在综合效应中影响可以忽略不计，原材料中砂粒以上的粒料温度收缩系数较小，粉粒以下的粒料温度收缩性较大。由于环境温度存在昼夜温差，铺筑初期的半刚性基层同时承受干缩和温缩的综合作用，一旦遇到较快地大幅降温等引起的温差较大情况时，强度的增加不能抵抗干缩和温缩的影响，就会形成温缩裂缝。根据东南大学和南京机场高速公路管理处的二灰基层专题研究，通过对石灰、粉煤灰、细料三者在混合料中的含量对半刚性基层材料温缩性的试验分析，对温缩应变、温缩应力的影响因素主要是石灰，其次是细料（尤其是粉粒以下的粒料），再次为粉煤灰，且通过多项试验证明，随着粒料含量的增加，干缩和温缩系数明显减少。根据公路施工过程中的施工温度的总结，结合竣工通车后裂缝出现的先后时间及数量，当平均施工温度低于10摄氏度时，自身强度的增长慢，半刚性基层的收缩以温缩为主，反之则以干缩为主，且低于10摄氏度时施工的半刚性基层尽管含水量控制适宜、石灰用量适中，增加了粗集料含量，级配合理，养生到位，仍然出现一定数量的裂缝。因此适宜的石灰用量及合理的级配及施工平均最低温度是温缩裂缝主要影响因素。
三、干缩裂缝和温缩裂缝的防治措施
有了干缩裂缝和温缩裂缝成因的理论支持，我们可以初步得到一系列针对性的措施：
⑴降低水泥或石灰的剂量即在满足设计强度要求的前提下尽量限制半刚性基层的强度。水泥或石灰这些温度收缩性较大的胶凝材料是引起半刚性基层路面温缩裂缝最主要的因素，只有限制了这些材料的用量，才会从根本上降低温缩裂缝发生的几率。
⑵降低细集料的用量。细集料用量过多对温缩裂缝和干缩裂缝都产生都有很大的促进作用，首先，细集料用量大带来的第一结果就是需要在配合比中加入更多的水去滋润集料以达到拌合的目的，这样就使得最佳含水量提高，混合料中水分增加会加大干缩裂缝发生的几率和程度。其次，细集料（尤其是粉料以下的粒料）的温度收缩性仅次于水泥、石灰等胶凝材料，细集料的用量增加无疑也增加了温缩裂缝发生的可能。
⑶调整施工时间，不能在太热或太冷的季节施工。很明显，太热会导致混合料中水分损失过快，会增加干缩的力度，而太冷则会使混合料內胀外缩的情况愈演愈烈，使得温缩裂缝进展迅速。
⑷严格控制拌合用水量，使得现场施工碾压含水量控制在《规范》允许的范围之内。如果碾压含水量大于最佳含水量，不仅对施工碾压不利，还大大增加了干缩的幅度。
⑸碾压完成后，最好及时撒播透层油，保持基层混合料中的水分，防止其过快蒸发产生干缩裂缝。
⑹养生结束后尽快铺筑沥青层，一是可以进一步防止基层混合料中水分损失而产生干缩裂缝，二是防止基层温差过大产生温缩裂缝。
⑺一般公路，沥青面层较薄，宜基层上做封层，开放交通半月以上，基层收缩完成后，再铺沥青面层，以减少反射裂缝。
四、骨架密实型水泥稳定碎石混合料的应运而生
混合料本身的设计就有不小的裂缝发生概率，外部措施做得再完美也只能最大程度的限制裂缝的产生，能够很好的“治标”，却不能完全的“治本”，如果能够从混合料的配比上下功夫，生产出一种混合料本身就只有很小的裂缝发生概率，那么再加上谨慎细致的外部措施，就可以极大的保证了路面基层的施工质量。在公路建设者孜孜不倦的研究下，一种新型的基层混合料-骨架密实型水泥稳定碎石应运而生，相比于之前悬浮密实性的水泥稳定类混合料，它在防止路面裂缝问题上显示出了它独到的一面。
所谓骨架密实结构,是指水泥碎石混合料中大颗粒的石料能够形成互相嵌挤的骨架结构,水泥、细集料则填充在粗集料骨架形成的空隙之中。硬化后的水泥石、细集料混合物在混合料中所占体积较小,且被粗集料形成的空隙分开。粗集料形成骨架结构后,石料之间的相互嵌挤,能够有效提高混合料的内摩擦角,从而提高强度,改善抗裂性能。
对比悬浮密实型水泥稳定类基层和骨架密实型水泥稳定类基层级配情况如下表：
层位 通过下列方孔筛（mm)的质量百分率（%）
31.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
悬浮型 100 90～100 60～80 29～49 15～32 6～20 0～5
骨架型 100 68～86 38～58 22～32 16～28 8～15 0～3
由上表可以看出，骨架密实型结构4.75mm以上的含量明显加大而0.075mm以下的含量也相对降低。骨架密实型结构的强度很大程度来源于石料的嵌挤作用，因此相对的对水泥的胶结作用依赖性较小，因此在配置相同强度的基层混合料时，骨架密实型的混合料可以少用温度收缩性强的水泥胶结材料，而与此同时，由于骨架密实型混合料大大减少了温度收缩性较强的细料的比例，从而降低了混合料的最佳含水量，这就在很大程度上降低了干缩裂缝和温缩裂缝发生的概率和幅度。所以，骨架密实型水泥稳定碎石混合料在减少干缩裂缝和温缩裂缝方面是一种可信赖的材料，值得广大公路建设者对其做深入研究。
参考文献：1、路面路面基层施工技术规范 JTJ034-2000
2、公路沥青路面设计规范 JTG D50-2006
关键词：半刚性基层裂缝 干缩 温缩 对策 骨架密实型
中图分类号：U416文献标识码： A
一、半刚性基层裂缝形式
半刚性基层沥青路面的裂缝形式多种多样，但形成的主要原因可以分为两大类，即荷载型结构性破坏裂缝和非荷载型裂缝。荷载型结构性破坏裂缝是由汽车动态荷载产生的垂直或水平应力，在基层内部产生超过材料的容许抗拉极限应力的拉应力所造成；非荷载型裂缝则是环境作用的结果，主要是湿度和温度的影响，由干缩、温缩和疲劳作用导致，个别情况下也可能是由于路基不均匀沉陷造成。此外，在冰冻地区的沥青路面上，还可能发现由路基冻胀引起的裂缝。
对于半刚性基层，裂缝往往不是由交通荷载作用引起的。由于水分蒸发及温度变化的影响，很容易产生裂纹，在半刚性基层承受荷载之前，就已经存在大量的微细裂纹和孔洞。因此，实际上它是在带有裂纹的状态下承受交通荷载作用的，半刚性基层的干缩和温缩是引起裂缝的“罪魁祸首”。
二、干缩裂缝和温缩裂缝的成因
了解裂缝的成因才能“对症下药”，从根本上限制半刚性基层的裂缝。
（一）干缩裂缝
干缩裂缝是指半刚性基层在干燥空气中硬化时，随着水分减少体积收缩变形而产生的较为均匀的裂缝。其形成的原因与使用材料如水泥、水和碎石集料都有很大的关系。一方面混合料在凝结硬化过程中，水泥与水起水化反应，消耗大量的水分。另一方面，碎石集料表面吸附水颗粒，细集料成分越多，表面吸附的水颗粒就越多。同理，半刚性基层也经常由于施工含水量大于最佳含水量而增大了基层的干缩幅度而产生较多的干缩裂缝。基层产生干缩裂缝的基本机理是一致的：水分减少使体积收缩而产生裂缝。
⑴失水导致颗粒间距减小体积收缩。
水是影响干缩的重要因素，特别是对半刚性基层的干缩影响极大。半刚性基层在压实之后，由于水分蒸发和混合料内部发生的水化作用，混合料的水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细作用、吸附作用、分子间力的作用等会引起基层体积收缩。
⑵结晶水化物和凝胶结构中水化物分解失水。半刚性基层含水氢氧化钙、水化硅酸钙和水化铝酸钙内结晶水化物由于风化失去结晶水，导致体积减小。
⑶碳化反应引起体积收缩。氢氧化钙和空气中的二氧化碳发生炭化反应，析出水分引起体积收缩，但是碳化反应对半刚性基层的强度和刚度是有利的。
（二）温缩裂缝
温缩裂缝是指半刚性基层混合料在硬化初期，由于内部水泥水化和外部气温急剧降低，使得结构内胀外缩，温度应力超过其极限抗弯拉强度后形成的沿横向均匀分布的裂缝。温缩裂缝是由于结构体内固相、液相、气相的不同温度收缩而产生温度收缩应力超过混合料的抗拉强度产生的裂缝，半刚性基层的初期强度较低，在气温降低时，半刚性基层会产生较大的温缩应力而导致开裂。因此，冻前龄期不足时易产生裂缝，特别是北方地区施工温度较低的時候更应注意。半刚性材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用，使半刚性基层产生体积收缩，即温度收缩。一般气相与大气相通，在综合效应中影响可以忽略不计，原材料中砂粒以上的粒料温度收缩系数较小，粉粒以下的粒料温度收缩性较大。由于环境温度存在昼夜温差，铺筑初期的半刚性基层同时承受干缩和温缩的综合作用，一旦遇到较快地大幅降温等引起的温差较大情况时，强度的增加不能抵抗干缩和温缩的影响，就会形成温缩裂缝。根据东南大学和南京机场高速公路管理处的二灰基层专题研究，通过对石灰、粉煤灰、细料三者在混合料中的含量对半刚性基层材料温缩性的试验分析，对温缩应变、温缩应力的影响因素主要是石灰，其次是细料（尤其是粉粒以下的粒料），再次为粉煤灰，且通过多项试验证明，随着粒料含量的增加，干缩和温缩系数明显减少。根据公路施工过程中的施工温度的总结，结合竣工通车后裂缝出现的先后时间及数量，当平均施工温度低于10摄氏度时，自身强度的增长慢，半刚性基层的收缩以温缩为主，反之则以干缩为主，且低于10摄氏度时施工的半刚性基层尽管含水量控制适宜、石灰用量适中，增加了粗集料含量，级配合理，养生到位，仍然出现一定数量的裂缝。因此适宜的石灰用量及合理的级配及施工平均最低温度是温缩裂缝主要影响因素。
三、干缩裂缝和温缩裂缝的防治措施
有了干缩裂缝和温缩裂缝成因的理论支持，我们可以初步得到一系列针对性的措施：
⑴降低水泥或石灰的剂量即在满足设计强度要求的前提下尽量限制半刚性基层的强度。水泥或石灰这些温度收缩性较大的胶凝材料是引起半刚性基层路面温缩裂缝最主要的因素，只有限制了这些材料的用量，才会从根本上降低温缩裂缝发生的几率。
⑵降低细集料的用量。细集料用量过多对温缩裂缝和干缩裂缝都产生都有很大的促进作用，首先，细集料用量大带来的第一结果就是需要在配合比中加入更多的水去滋润集料以达到拌合的目的，这样就使得最佳含水量提高，混合料中水分增加会加大干缩裂缝发生的几率和程度。其次，细集料（尤其是粉料以下的粒料）的温度收缩性仅次于水泥、石灰等胶凝材料，细集料的用量增加无疑也增加了温缩裂缝发生的可能。
⑶调整施工时间，不能在太热或太冷的季节施工。很明显，太热会导致混合料中水分损失过快，会增加干缩的力度，而太冷则会使混合料內胀外缩的情况愈演愈烈，使得温缩裂缝进展迅速。
⑷严格控制拌合用水量，使得现场施工碾压含水量控制在《规范》允许的范围之内。如果碾压含水量大于最佳含水量，不仅对施工碾压不利，还大大增加了干缩的幅度。
⑸碾压完成后，最好及时撒播透层油，保持基层混合料中的水分，防止其过快蒸发产生干缩裂缝。
⑹养生结束后尽快铺筑沥青层，一是可以进一步防止基层混合料中水分损失而产生干缩裂缝，二是防止基层温差过大产生温缩裂缝。
⑺一般公路，沥青面层较薄，宜基层上做封层，开放交通半月以上，基层收缩完成后，再铺沥青面层，以减少反射裂缝。
四、骨架密实型水泥稳定碎石混合料的应运而生
混合料本身的设计就有不小的裂缝发生概率，外部措施做得再完美也只能最大程度的限制裂缝的产生，能够很好的“治标”，却不能完全的“治本”，如果能够从混合料的配比上下功夫，生产出一种混合料本身就只有很小的裂缝发生概率，那么再加上谨慎细致的外部措施，就可以极大的保证了路面基层的施工质量。在公路建设者孜孜不倦的研究下，一种新型的基层混合料-骨架密实型水泥稳定碎石应运而生，相比于之前悬浮密实性的水泥稳定类混合料，它在防止路面裂缝问题上显示出了它独到的一面。
所谓骨架密实结构,是指水泥碎石混合料中大颗粒的石料能够形成互相嵌挤的骨架结构,水泥、细集料则填充在粗集料骨架形成的空隙之中。硬化后的水泥石、细集料混合物在混合料中所占体积较小,且被粗集料形成的空隙分开。粗集料形成骨架结构后,石料之间的相互嵌挤,能够有效提高混合料的内摩擦角,从而提高强度,改善抗裂性能。
对比悬浮密实型水泥稳定类基层和骨架密实型水泥稳定类基层级配情况如下表：
层位 通过下列方孔筛（mm)的质量百分率（%）
31.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
悬浮型 100 90～100 60～80 29～49 15～32 6～20 0～5
骨架型 100 68～86 38～58 22～32 16～28 8～15 0～3
由上表可以看出，骨架密实型结构4.75mm以上的含量明显加大而0.075mm以下的含量也相对降低。骨架密实型结构的强度很大程度来源于石料的嵌挤作用，因此相对的对水泥的胶结作用依赖性较小，因此在配置相同强度的基层混合料时，骨架密实型的混合料可以少用温度收缩性强的水泥胶结材料，而与此同时，由于骨架密实型混合料大大减少了温度收缩性较强的细料的比例，从而降低了混合料的最佳含水量，这就在很大程度上降低了干缩裂缝和温缩裂缝发生的概率和幅度。所以，骨架密实型水泥稳定碎石混合料在减少干缩裂缝和温缩裂缝方面是一种可信赖的材料，值得广大公路建设者对其做深入研究。
参考文献：1、路面路面基层施工技术规范 JTJ034-2000
2、公路沥青路面设计规范 JTG D50-2006