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(kuò)散應(yīng)力強(qiáng)，具有良好的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、良好的水穩(wěn)定特性?；诎雱傂曰鶎拥牧己玫牧W(xué)性能和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，相比較其他類型基層，在高等級(jí)公路上暫時(shí)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(guó)的公路建設(shè)。我國(guó)常見(jiàn)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(duì)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(jìn)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(tái)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(qiáng)度不足，基層底部尤其是基層薄弱處產(chǎn)生拉應(yīng)力超過(guò)半剛性材料的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致底部開(kāi)裂，且在行車荷載的反復(fù)作用下底部裂縫逐步擴(kuò)展到上部，最后使瀝青面層產(chǎn)生開(kāi)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(wú)機(jī)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(kāi)裂最常見(jiàn)的，在基層開(kāi)裂中所占的比例也是最多的，干縮性開(kāi)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(qiáng)度時(shí)，自然而然地產(chǎn)生了開(kāi)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(qiáng)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(gè)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(jì)
2.1.1增加瀝青面層厚度
國(guó)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(duì)于由于溫度引起的低溫開(kāi)裂所起的作用十分有限。同時(shí)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(jì)性值得考慮。
2.1.2采用柔性基層
因?yàn)槿嵝曰鶎泳哂泻軓?qiáng)的柔性和變形能力，同時(shí)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(kāi)裂和溫縮裂縫的綜合作用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)有許多的學(xué)者已經(jīng)開(kāi)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(jí)配碎石過(guò)渡層
這是在面層和基層之間增加一層由級(jí)配碎石構(gòu)成的過(guò)渡層，將原半剛性基層下放成為底基層，而級(jí)配碎石層則成為上基層。南非是使用級(jí)配碎石層比較多的國(guó)家，法國(guó)也于1988年相應(yīng)提出“倒裝結(jié)構(gòu)”，均對(duì)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(kāi)裂的目的。國(guó)內(nèi)外研究主要集中在低彈性模量、高韌性的材料開(kāi)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(wú)紡織物，厚度不超過(guò)幾個(gè)毫米。無(wú)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)度及彈性模量，較低的延伸率和很高的熔點(diǎn)。能夠很好地抗變形能力，緩解疲勞開(kāi)裂，防止反射裂縫。
2.2 基層材料選擇及配合比設(shè)計(jì)
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(qiáng)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(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均能符合要求。對(duì)所用水泥初凝和終凝時(shí)間作要求：初凝應(yīng)在3小時(shí)以上，終凝時(shí)間不小于6小時(shí)；且施工中從加水拌和到碾壓成型完成的時(shí)間（即延遲時(shí)間）應(yīng)小于水泥的初凝時(shí)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(xiàn)了水泥穩(wěn)定碎石整體的宏觀強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(shí)，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(jí)配設(shè)計(jì)
1）選擇骨架密實(shí)型級(jí)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(jī)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(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，水泥用量越大水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)水泥的初凝時(shí)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(shí)度的保證和裂縫的產(chǎn)生?？紤]到混合料在運(yùn)輸、 碾壓過(guò)程中還有水分散失， 尤其夏季施工時(shí)水分蒸發(fā)快，施工過(guò)程中對(duì)水的含量應(yīng)控制在比最佳含水量大 1%左右。含水量過(guò)小時(shí)，攤鋪時(shí)容易離析， 基層表層松散，碾壓容易起皮， 難以壓實(shí)；含水量過(guò)大碾壓時(shí)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(guò)程中含水量要控制適宜,特別是要根據(jù)天氣狀況及時(shí)來(lái)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(yùn)輸、攤鋪等在各個(gè)施工環(huán)節(jié)上都會(huì)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(yùn)輸時(shí)應(yīng)采用“前、中、后”三次裝料方式，攤鋪面出現(xiàn)較大離析時(shí)應(yīng)及時(shí)人工補(bǔ)料。
2.3.3 攤鋪工序
控制攤鋪機(jī)速度在 2 m/ min~ 2. 5 m/ min 以下，防止攤鋪機(jī)過(guò)快而將混合料拉的過(guò)虛,產(chǎn)生潛在裂縫。同時(shí)也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)能力和攤鋪能力進(jìn)行速度調(diào)整，但速度不應(yīng)超過(guò)4 m/ min，攤鋪后，發(fā)現(xiàn)不合格的路段，及時(shí)增補(bǔ)料，并進(jìn)行整平和整形。
2.3.4碾壓工序
壓路機(jī)合理組合及控制其碾壓順序及碾壓速度。壓路機(jī)碾壓速度不宜過(guò)快，特別是振動(dòng)壓實(shí)時(shí)， 否則會(huì)將混合料內(nèi)部拉裂,表面也會(huì)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(shí)應(yīng)保證水泥穩(wěn)定碎石的壓實(shí)度。
2.3.5養(yǎng)生及交通管制
對(duì)已完成碾壓并經(jīng)壓實(shí)度檢測(cè)合格后應(yīng)立即進(jìn)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致水分蒸發(fā)過(guò)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(guò)15km/h。無(wú)法管制時(shí)，應(yīng)限制車速，嚴(yán)禁履帶車通過(guò)。
3、結(jié)語(yǔ)
水泥穩(wěn)定類基層由于其強(qiáng)度高, 水穩(wěn)定性好,造價(jià)較低的優(yōu)勢(shì), 在目前中國(guó)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(jiàn)的病害，因此要在道路設(shè)計(jì)、原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、基層施工工藝上下功夫，認(rèn)真細(xì)致地注重每個(gè)環(huán)節(jié)，減少反射裂縫的產(chǎn)生，延長(zhǎng)路面的使用壽命。
