高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫問題的探究
2015-07-15 
   一、前言

   我國高速公路增長迅速,目前僅次于美國已躍居世界第二位.特別是近年來,每年建成的高速公路達(dá)幾千千米。我國高速公路僅用了10多年時(shí)間,走過了發(fā)達(dá)國家一般需要40年才能完成的進(jìn)程。2002年基本建成“兩縱兩橫三個(gè)重要路段”,2010年“五縱七橫”國道主干線基本建成通車,到2015年國道主干線和公路主樞紐系統(tǒng)全部建成,構(gòu)筑以高速公路為主體的公路運(yùn)輸主骨架。交通量迅速增加和重載車輛日益增多是我國公路交通具有的兩個(gè)明顯特點(diǎn)。因此,對路面結(jié)構(gòu)使用性能的要求也越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層及底基層都是采用半剛性材料。但半剛性基層材料的缺點(diǎn)是抗變形能力低、脆性大,在溫度或濕度變化時(shí)易產(chǎn)生開裂,形成路面反射裂縫,這已成為高速公路瀝青路面早期損壞的重要原因之一。

   水泥穩(wěn)定級配集料是當(dāng)今國內(nèi)外使用最普遍的一種半剛性基層材料,其中又以水泥穩(wěn)定碎石性能最為優(yōu)異。然而水泥穩(wěn)定碎石基層并沒有消除半剛性材料的缺點(diǎn),因此如何進(jìn)一步減少其反射裂縫的產(chǎn)生,依然是充分發(fā)揮路面結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵之一??紤]到我國作為水泥生產(chǎn)大國,原材料來源廣泛且價(jià)格低廉,水泥膠結(jié)類材料在今后很長一段時(shí)間內(nèi)仍將作為主要的道路建筑材料,因此有必要對水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行研究,以便能為將來更為廣泛的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

   二、裂縫形成探究

   2.1 裂縫產(chǎn)生原因分析

   半剛性基層瀝青路面的裂縫形式多種多樣,但形成的主要原因可以分為兩大類,即荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫和非荷載型裂縫,包括反射裂縫和對應(yīng)裂縫。荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫是由汽車動(dòng)態(tài)荷載產(chǎn)生的垂直或水平應(yīng)力,在基層內(nèi)部產(chǎn)生超過材料的容許抗拉極限應(yīng)力的拉應(yīng)力所造成;非荷載型裂縫則是環(huán)境作用的結(jié)果,主要是濕度和溫度的影響,由干縮、溫縮和疲勞作用導(dǎo)致,個(gè)別情況下也可能是由于路基不均勻沉陷造成。此外,在冰凍地區(qū)的瀝青路面上,還可能發(fā)現(xiàn)由路基凍脹引起的裂縫。

   我國已建高速公路的半剛性路面、剛性路面和剛性組合式路面的承載能力從設(shè)計(jì)角度看是足夠的,然而調(diào)查表明,裂縫在我國各個(gè)地區(qū)的瀝青路面上十分普遍,不論南方還是北方,通車后1年最遲第2年均出現(xiàn)大量裂縫。因此,單純由荷載作用不足以引起面層破壞,瀝青路面的開裂應(yīng)當(dāng)是多種因素共同作用的結(jié)果。

   半剛性基層瀝青路面裂縫出現(xiàn)的原因有三種可能:一是由于基層干縮和溫縮開裂而反射到面層產(chǎn)生裂縫,二是由于面層、基層相互作用所引起,三是面層本身性能不良。國外通常認(rèn)為半剛性基層瀝青路面裂縫是由半剛性基層引起的反射裂縫,且這種反射裂縫主要由半剛性基層材料的干縮裂縫引起的。國內(nèi)則認(rèn)為半剛性路面的裂縫有荷載型裂縫,有瀝青面層的溫度收縮裂縫,還有由半剛性基層的溫縮裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。

   雖然國內(nèi)外的研究人員對反射裂縫問題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,但至今仍存在不同的認(rèn)識,包括反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)理。根本原因在于路面使用性能受環(huán)境因素、交通因素、材料組成與結(jié)構(gòu)等多種因素影響,甚至還包括經(jīng)濟(jì)因素、采用的研究手段等。

   我國地域遼闊,又是多山國家,自然因素千差萬別,并且各地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平參差不齊,因此半剛性路面產(chǎn)生反射裂縫的主要原因不可能一致。水泥穩(wěn)定基層的干縮主要發(fā)生在竣工后初期階段。當(dāng)基層上鋪筑瀝青或水泥混凝土面層后,基層的含水量一般變化不大,此時(shí),收縮轉(zhuǎn)化為以溫縮為主。而對于溫縮,低溫收縮在-1℃以上時(shí),其溫縮變化不大;當(dāng)在-10℃以下時(shí),溫縮系數(shù)才劇增,是-1℃時(shí)的幾倍甚至幾十倍。因此溫縮裂縫大多發(fā)生在東北等容易形成某一負(fù)溫度的地區(qū),而就我國南方大部分地區(qū)來說,收縮裂縫的產(chǎn)生則主要是由于干縮引起的,可以忽略低溫收縮的影響。

   2.2 裂縫形成過程分析

   對于半剛性基層,裂縫往往不是由交通荷載作用引起的。水泥穩(wěn)定碎石基層由于水分蒸發(fā)及溫度變化的影響,很容易產(chǎn)生裂紋,在承受荷載之前,就已經(jīng)存在大量的微細(xì)裂紋和孔洞。因此,實(shí)際上它是在帶有裂紋的狀態(tài)下承受交通荷載作用的,基層的溫縮和干縮是引起裂縫的內(nèi)因。

   對于反射裂縫的形成,是由于面層底部的拉應(yīng)力超過瀝青混凝土極限強(qiáng)度所致。在基層開裂后,由于基層失去抵抗拉應(yīng)力的作用,就在開裂位置將應(yīng)力傳遞給面層,造成面層在裂縫處的應(yīng)力集中。如果此時(shí)再加上偏荷載主拉應(yīng)力(或剪應(yīng)力)的作用,其應(yīng)力值就有可能超過材料的極限強(qiáng)度,面層隨之開裂。偏荷載作用的主拉應(yīng)力(或剪應(yīng)力)是促成反射裂縫形成的原因。因此,路面反射裂縫主要是由于基層開裂后的水平與垂直位移引起的。 三、影響路面裂縫的主要因素及解決方法

   影響瀝青路面裂縫輕重程度的主要因素包括:瀝青和瀝青混合料的性質(zhì),基層材料的性質(zhì),結(jié)構(gòu)類型與組成情況,氣候條件(特別是冬季氣溫及其變化),交通量和車輛類型以及施工因素等。就水泥穩(wěn)定碎石瀝青路面而言,基層材料組成以及施工水平尤為重要。設(shè)計(jì)合理、施工良好的水泥穩(wěn)定碎石基層不易在早期出現(xiàn)荷載型裂縫。

   自20世紀(jì)30年代以來,國內(nèi)外在防止半剛性基層路面的裂縫方面先后采取了很多措施??沽研阅芎头懒汛胧┑难芯靠煞譃槿箢悾旱谝活愂前雱傂曰鶎臃懒研阅芎头懒汛胧┑难芯?。第二類是面、基層之間作用原理及抗裂性能的研究。第三類為面層本身抗裂性能和防裂措施的研究。目前我國在防治反射裂縫方面主要也分為三大部分:一是設(shè)置應(yīng)力/應(yīng)變消減中間層,如采用SAMI、土工織物、土工格柵、粘接間斷層、級配碎石中間層等;二是針對基層材料本身,選擇抗沖刷性好、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。三是改善瀝青混凝土面層性能,如增加瀝青層厚度、加筋罩面層、使用改性瀝青等;

   概而言之,各種措施的防反射裂縫機(jī)理不外乎是增強(qiáng)材料自身的性能和減少外界因素的影響。具體就是增強(qiáng)材料的變化能力,提高其強(qiáng)度特性,消除應(yīng)力集中(荷載應(yīng)力集中和溫度應(yīng)力集中)以及防水。而一項(xiàng)優(yōu)異的技術(shù)措施則不僅應(yīng)該是在理論上和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效,具體就是增強(qiáng)材料的變化能力,提高其強(qiáng)度特性,消除應(yīng)力集中(荷載應(yīng)力集中和溫度應(yīng)力集中)以及防水。而一項(xiàng)優(yōu)異的技術(shù)措施則不僅應(yīng)該是在理論上和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效,同時(shí)也應(yīng)該考慮到施工方便、經(jīng)濟(jì)合理等因素。

   四、水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫的控制

   近年來,為改善瀝青路面的使用性能,對瀝青面層進(jìn)行了大量研究,采用了許多新技術(shù),如改性瀝青、SMA路面等。然而路面結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體,單純提高面層材料的性能難于發(fā)揮其應(yīng)達(dá)到的效果,作為主要承重層,基層材料的性質(zhì)和整體質(zhì)量對瀝青路面的使用性質(zhì)和使用壽命有十分重要的影響。因此,優(yōu)質(zhì)基層不僅有利于反射裂縫的控制,而且還改善了整體性能,是合理而實(shí)用的技術(shù)途徑。

   作為優(yōu)質(zhì)基層,水泥穩(wěn)定碎石最大的問題就是如何降低收縮裂縫。減少基層裂縫的產(chǎn)生可從四方面著手:

  ?。?)改善約束條件,如預(yù)鋸縫、造成許多微細(xì)裂縫以及讓基層先開裂等。作為膨脹性的化學(xué)物質(zhì),由于其實(shí)際效果受環(huán)境條件的影響,在復(fù)雜多變的路面自然條件下可能難以采用,而摻加各種加筋材料則增加施工難度、提高工程造價(jià)。降低約束則應(yīng)施工實(shí)際效果出發(fā),例如預(yù)鋸縫。由于在荷載和環(huán)境因素作用下基層預(yù)切縫縫隙處的瀝青面層產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此必須對該縫預(yù)加處理。而處理措施如何在面層施工中以及在行車荷載下保持穩(wěn)定效果卻難以控制。因此,筆者認(rèn)為從材料組成設(shè)計(jì)、施工以及養(yǎng)護(hù)措施入手最為切實(shí)可行。

  ?。?)采用補(bǔ)償收縮措施,如摻加膨脹劑;

  ?。?)降低基層材料的收縮系數(shù),提高基層材料的抗拉強(qiáng)度;

  ?。?)采用限制收縮措施,如摻加纖維、土工織物等;

   也有人在總結(jié)了大量研究成果后認(rèn)為應(yīng)從以下四方面減少裂縫:

   (1)控制施工碾壓時(shí)的含水量,含水量每增加1%對基層干縮應(yīng)變的影響相當(dāng)于水泥劑量2-3倍;

   (2)控制集料中細(xì)料的含量和塑性指數(shù),以減少水穩(wěn)集料中的粘土含量;

  ?。?)減少半剛性基層的暴曬時(shí)間,養(yǎng)生結(jié)束后(也可以在養(yǎng)生期間),立即鋪筑罩面。確實(shí),水泥穩(wěn)定碎石基層收縮的內(nèi)因主要是組分中的水泥與水,外因則是環(huán)境的溫濕度變化。因此,以上幾點(diǎn)是最為重要的。

   (4)在保證滿足強(qiáng)度要求的前提下,盡可能減小穩(wěn)定劑摻量;

   水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫的防治措施,主要包括以下方面:(1) 施工控制 :實(shí)踐證明,水泥穩(wěn)定碎石基層開裂的幾率和程度,顯著受現(xiàn)場施工控制的影響,在一定程度上也是施工組織管理、施工工藝水平的反映。只有在良好的施工前提下,減縮措施的效果才能得到反映。施工控制的主要內(nèi)容是加強(qiáng)集料的組織管理,保證集料級配與實(shí)驗(yàn)室配合比相符、水泥劑量準(zhǔn)確,保持基層材料強(qiáng)度的均勻性,控制碾壓層的厚度和含水量,提高基層的壓實(shí)度和整體穩(wěn)定性,并注意合理的養(yǎng)生。實(shí)際上,許多收縮裂縫是由于不注意養(yǎng)生造成的。水分蒸發(fā)過大,或者時(shí)干時(shí)濕,甚至長時(shí)間暴曬。水泥穩(wěn)定碎石在強(qiáng)度形成過程中,需要消耗水分,尤其是在強(qiáng)度形成初期,養(yǎng)護(hù)不良則收縮性大,同時(shí)材料自身的抗拉強(qiáng)度低,極易形成裂縫。因此,在鋪筑瀝青混凝土下面層前,要隨時(shí)做好基層的養(yǎng)護(hù)工作。(2)材料組成設(shè)計(jì):第一是原材料的優(yōu)選。選用合適的水泥,一般來說,C3A含量大、細(xì)度較細(xì)、石膏含量不足及S03含量小的水泥收縮較大。選用含泥量小、結(jié)構(gòu)致密、吸水率小、彈性模量較大的骨料。在普通骨料范圍內(nèi),砂巖骨料的收縮最大,石灰?guī)r和石英巖的干縮都較小。摻用質(zhì)量好、顆粒細(xì)的粉煤灰。加入新型外加劑,如能減少混凝土收縮率的外加劑――減縮劑?;炷翜p縮劑的化學(xué)組成主要為聚醚或聚醚類衍生物,它幾乎不存在水泥適應(yīng)性問題,且與其它外加劑有良好的相容性。 第二是良好的配合比設(shè)計(jì)。通過級配的合理調(diào)整,盡可能采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu),減少水泥含量,降低單方用水量,增加粗骨料的相對含量。

   五、結(jié)論

   路面裂縫影響路面美觀、削弱整體穩(wěn)定性和平整度,并且由于水分的滲透,降低基層與土基的承載力,從而加劇路面破壞,縮短使用壽命。要根據(jù)具體情況,采用不同的措施防治半剛性基層裂縫。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、厚度計(jì)算和工藝設(shè)計(jì)多方面綜合考慮。

   采用水泥穩(wěn)定碎石基層符合我國的半剛性路面“強(qiáng)基薄面”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并且應(yīng)用范圍廣泛。要徹底消除半剛性基層裂縫可能相當(dāng)困難,但從基層材料本身出發(fā),采用新材料、新工藝來探討減少反射裂縫的措施或許更為有效,技術(shù)也更合理,經(jīng)濟(jì)上更能被接受。
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