高等级公路半刚性基层沥青路面裂缝形成机理及防治措施

河南省公路工程局集团有限公司 杜冬峡

高等级公路半刚性基层沥青路面裂缝形成机理及防治措施

河南省公路工程局集团有限公司 杜冬峡

由于半刚性基层具有强度高、水稳性和冰冻稳定性好、刚性较大、材料板体性好、利于机械化施工且工程造价低、能适应重交通发展的需要等优点，因而，我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层。目前，我国90%以上的高等级公路沥青路面基层采用了半刚性材料，并且在我国今后高等级公路建设中，半刚性基层材料仍将成为路面基层的主要材料。

然而，随着半刚性基层沥青路面的大量应用，国内已建成高速公路使用调查表明，通车后一年或两年均出现了大量裂缝。就目前的研究现状来看，引起路面开裂的原因有很多，有面层材料方面的、基层材料方面的、设计方面的、施工方面的以及环境方面的，对路面裂缝所采取的防治措施也是分别针对上述几方面的。深入系统地研究和探讨半刚性基层裂缝产生的具体原因并采取相应有效的防治措施，将有益于延长路面的使用寿命，使半刚性基层路面发挥其更好的使用性能。

一、半刚性基层沥青路面裂缝的主要类型

沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的，影响裂缝的主要因素有：沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和车辆类型以及施工因素等。按路面开裂的形式路面裂缝可分为：横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝。但就沥青路面开裂的主要原因而论，主要分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。非荷载型裂缝又可分为沥青面层自身的温缩裂缝和由基层温缩、干缩、疲劳引起的面层开裂。沥青面层自身的温缩裂缝包括低温收缩裂缝和由于温度反复升降导致的温度应力疲劳裂缝。由基层温缩、干缩和疲劳引起的面层开裂形式主要是反射裂缝和对应裂缝。在上述诸多类型的裂缝中，非荷载型裂缝是最主要的，尤其是由半刚性基层材料温缩和干缩引起的裂缝问题最为严重。

二、半刚性基层沥青路面裂缝形成机理

半刚性基层的裂缝是由其温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用产生的，而疲劳荷载作用是次要的，主要因素是温度收缩和干燥收缩。因而，半刚性基层材料的温度收缩机理和干燥收缩机理便构成了半刚性基层裂缝形成的主要机理。

1.温度收缩机理。半刚性基层材料的基本结构是由固相、液相、气相组成。因而，半刚性基层材料的外观胀缩性是固、液、气三相不同温度收缩性的综合效应，使得基层材料产生体积收缩即温度收缩。

由于半刚性基层材料存在着上述的温度收缩特性，基层铺筑后，到了冬季随着温度的降低，基层材料便产生收缩，即使是铺了沥青面层后，如果面层较薄也会产生温度收缩。当气温大幅度下降时，基层材料中拉应力或拉应变会急剧增大，一旦超过基层材料的极限抗拉强度或极限抗拉应变就会引起基层的开裂。半刚性基层一般是在高温季节中铺筑而成，成形初期未被沥青面层封闭，由于环境温度存在着昼夜温差，在基层中产生较大温度应力，这种温度应力日复一日地反复作用在基层中，就会使基层产生裂缝。

2.干燥收缩机理。半刚性基层的干燥收缩是指基层材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象。其基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、干燥收缩的层间水作用以及碳化脱水作用而引起的整体宏观体积变化。

（1）毛细管张力作用。半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在内外压力差，即毛细管张力，以压力的形式作用于毛细管壁。

（2）吸附水及分子间力作用。毛细管水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，其间距变小、分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。

（3）干燥收缩的层间水作用。半刚性基层材料中的一些层状结构物晶体或非晶体，如黏土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H结晶等，层间“夹”有大量层间水及水化离子，随着层间水的蒸发，使晶格间距减小，也会引起整体收缩。

（4）碳化脱水作用。所谓碳化收缩也就是由于碳化反应引起的收缩，即在碳化反应中，Ca（OH）2和CO2反应生产水和CaCO3结晶体，所生成的水散失后所引起的体积收缩。

三、针对半刚性基层裂缝的措施

由以上分析可知，高等级公路半刚性基层路面产生裂缝的种类比较多，产生的机理也较复杂，因而裂缝的防治也是一项复杂的工作，必须根据相关因素做出全面考虑。控制基层的开裂是半刚性基层沥青路面防裂的关键。半刚性基层开裂原因是由于基层内部的最大收缩应力超过了半刚性材料的抗拉强度，因而，防治半刚性基层裂缝的措施就是减小基层内部最大收缩应力和增大半刚性材料抗拉强度的措施，可针对半刚性基层最大温缩、干缩应力的影响因素采取相应的措施。

1.针对半刚性基层材料的措施。为减少半刚性基层的开裂，应尽量提高基层材料的抗拉强度，降低材料的弹性模量、温缩系数和干缩系数，减小基层内部的最大收缩应力。二灰稳定类基层和水泥稳定类基层必要时可加入早强剂，以提高半刚性基层早期强度，使其抗弯拉强度增大而弯拉模量变化不大，温湿效应减弱，耐用性提高，抗裂性增强。

水泥剂量的多少与水泥稳定材料的强度、弹性模量、温缩系数和干缩系数大小有直接关系。随着水泥用量增加，其强度和弹性模量增加，但是收缩系数也随之增加，因而，在满足要求的情况下，宜采用最小的水泥用量以降低弹性模量和收缩系数。尽量使用骨架密实结构矿料级配，骨架密实型半刚性材料比规范推荐级配中值的悬浮结构半刚性材料在干缩系数方面可降低31%，在温缩系数方面可以降低18%左右。由于细骨料特别是粒径为0.075mm左右的细骨料有较大的干缩系数，比表面积大，遇水膨胀，失水后干缩变形大，因而，半刚性基层材料中细料含量越多，其内部孔隙也就越多，从而在水作用下其收缩也就越大，所以要严格控制粒料中细料的含量和塑性指数，做到连续级配，避免间断级配，必要时采取掺配等手段优化级配。

2.针对施工过程的措施。实践表明，相当数量的基层裂缝是由施工质量引起的，因而一定要确保半刚性基层的施工质量。尽量减小基层内部温度变化量和含水量损失量。基层混合料要尽量采用厂拌法施工，保证混合料拌和均匀，并严格控制基层碾压含水量，含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许范围内，含水量不宜过小，否则会影响水泥的水化，影响基层的强度形成，但含水量也不宜超过最佳含水量的1%，因水分过多会引起干缩裂缝。在基层碾压完成后要及时进行养生，使混合料的含水量不受损失，决不能让基层暴晒变干裂。养生结束后，应立即喷洒稀释的高黏度沥青，做成透层或封层，在其上撒布3～8mm的石屑。

3.设置预切缝的措施。在基层设置预切缝也可减少基层裂缝的产生。在铺筑沥青面层前，通过对基层采用预切缝处理的措施来减小基层的“相对长度”，以此来减小基层内部累积的温缩、干缩应力效应，并可削弱基层的约束条件。但应注意预切缝的间距、深度等尺寸参数，应通过试验和实际情况确定。预切缝间距越小，接缝越多，不仅增加施工的复杂性，而且影响路面的整体强度。但是，预切缝过长也会带来一些问题，如温度翘曲应力增大，干缩、温缩引起基层的伸缩量大，增加基层开裂的可能性等。由于在荷载和环境因素作用下的基层预切缝缝隙处的沥青面层易产生应力集中，因此还要对预切缝处预先处理（如用乳化沥青填缝、在切缝处铺设一定宽度的防水油毡或土工织物等），这样可使预切缝“停留”在基层而不会反射到面层，即使产生反射裂缝，也比基层自由开裂而产生的反射裂缝规则。

四、结论

高等级公路半刚性基层沥青路面开裂的成因，既有行车荷载方面的因素又有沥青面层和半刚性基层材料方面的因素，既有设计方面的因素又有施工方面的因素。对于较厚面层路面，沥青面层自身的温缩裂缝是主要的，考虑到工程造价的因素，我国高等级公路目前沥青面层都较薄，因而，怎样减少由半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的反射裂缝和对应裂缝便成为减少整个路面裂缝的关键。实践表明：采用优质的沥青混合料和抗拉强度高且干缩系数、温缩系数小的半刚性基层材料，必要时在半刚性基层与面层之间设置合适的应力吸收中间层，同时保证施工质量对预防高等级公路半刚性基层沥青路面裂缝的产生有较好的效果。