水泥稳定碎石基层抗裂的研究

2013-08-15曹德金

山西建筑 2013年6期

曹德金

(无锡市公共工程建设中心，江苏无锡 214031)

0 引言

目前，我国高等级公路建设中普遍采用水泥稳定类的半刚性基层。半刚性材料作为道路基层主要原因有:1)半刚性材料能满足现代高速公路高承载力的要求;2)半刚性材料对材料的要求不高，可以就地取材，避免大量远运优质石料;3)半刚性基层具有很大的灵活性和适应性。虽然半刚性基层材料具有明显的优点和广阔的使用前景，但是在道路的实际使用过程中还是出现了不少问题，主要是水损害和裂缝的出现。在交通荷载和环境的双重作用下，半刚性路基和路面都出现了不同程度的收缩和开裂，并且由干缩和温缩共同作用所生成的基层裂缝还会反射到路面，破坏路面整体结构。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱(如裂缝出现处弯矩增大，路面回弹模量降低等)。

抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层是江苏省交通科学研究院依据宁靖盐高速公路盐城北段连接线现场试验研究提出的一种新型抗裂基层，这种基层不仅继承了传统半刚性基层承载力高、取材方便、应用灵活的优点，同时也大大克服了半刚性基层在抗裂和抗收缩等方面的不足。

1 水泥稳定碎石基层抗裂性能研究现状

造成水泥稳定碎石基层裂缝的原因主要有温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用。由于基层的开裂很有可能引起沥青面层的反射裂缝从而影响公路的使用，因此抗裂性对公路设计很重要。实践表明，即使是使用干缩性小的水泥稳定粒料铺筑的基层，如果设计时考虑不周全，施工时处理不当或施工完成后没有进行及时的养生，也会产生一般间距为5 m～10 m的横向收缩裂缝。沥青路面投入使用后，裂缝会逐渐向上扩展并通过沥青面层出现在表面，形成反射裂缝。另外，水泥稳定类基层内部温度变化产生的温度应力与行车荷载应力相结合，也会使基层开裂，这种开裂也很可能引起路面的反射裂缝。因此，在进行水泥稳定碎石基层时必须考虑材料的配合比、温度、湿度等，从一定程度上消除或减少反射裂缝。

在国外，应用半刚性基层最为广泛的地区是南非和法国。美国和澳大利亚的学者认为，水泥稳定土干缩与结合料的类型和剂量、被稳定土的类别、粒料的含量、小于0.5 mm的细土含量和塑性指数、小于0.002 mm的粘粒含量和矿物成分、室内试件含水量和龄期等有关。为减少水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，澳大利亚的水泥用量一般在3%以内;日本水泥稳定碎石基层混合料水泥用量一般仅为2%左右;德国冬季寒冷，水泥用量也较低，一般控制在2%～3%左右;南非是应用水泥稳定碎石基层较多的国家，其水泥用量也在较低的水平。

1.1 水泥剂量对水泥稳定碎石基层抗裂的影响

根据收缩的原因，半刚性基层材料的收缩主要可以分为两类:干燥收缩和温度收缩。干燥收缩就是半刚性材料内部水分损失导致材料的体积收缩现象;温度收缩是材料在较大温差和温差反复作用下产生的体积收缩现象。水泥稳定类材料的干缩性能的大小与水泥含量、被稳定材料的类别、粒料含量、直径小于0.5 mm的细颗粒含量、试件含水量以及龄期都有关系。减少干燥收缩应变的措施有:用塑性指数较低的土、掺加一定的集料和降低含水量等。

张登良等[1]研究了用不同剂量(3%～7%)水泥稳定同一种河滩砂砾，并对其进行温缩特性的对比试验，结果表明当水泥砂砾的含量为5%时，温缩系数随温度的变化最小;当水泥砂砾的含量为4%时，温缩系数随温度的变化最大。长安大学张嘎吱[2]研究了不同剂量水泥稳定土的温度收缩效应，结果表明水泥稳定碎石混合料的抵抗收缩能力与0.075 mm以下的细集料含量有关，相同级配的水泥稳定碎石混合料当水泥含量为6%时其温缩系数最小。丛林和郭忠印[3]分别采用 4.5%，5.0%，5.5% 的水泥剂量制作试件进行干缩系数的试验，试验结果表明，水泥稳定碎石基层的干缩系数受水泥剂量的影响比较大，温缩系数在较低温度下影响不大，随着温度的升高，温缩系数增加不大，但对干缩系数的影响远远大于温度收缩系数。长安大学李美江[4]通过使用自行研制加工的振动成型压实机在室内对水泥稳定碎石进行振动压实试验，得出了各振动参数水泥稳定碎石振动压实效果的影响规律及最佳压实效果相应的振动压实条件。王首绪、张拓[5]试验研究了不同级配水泥稳定碎石的干缩特性和温缩特性，其研究表明中值级配的失水率对干缩性能影响较小;不同级配水泥稳定碎石温缩性能随着温度的变化有一定的变化规律;当龄期增长到一定程度时，中值级配温缩性能最优。

一般来说，当水泥稳定类砂砾材料中水泥含量在一定范围内，其收缩系数最小，但当水泥剂量超过6%时，干缩和温缩系数大幅度增长。很多研究试验表明，当水泥剂量在3%～6%时，其收缩性能没有明显的差异。当用粉煤灰代替部分水泥时，可以抑制半刚性材料体积的部分收缩。

1.2 集料级配对水泥稳定碎石基层抗裂的影响

半刚性基层的集料级配和含量对半刚性基层的防裂有很大的影响。

杨锡武、梁富权[6]研究了粒料对混合料强度和收缩特性的影响。混合料中如果粒料比例过大，那么施工中易出现离析现象，粒料比例太低则容易产生收缩裂缝，对水泥(石灰)粉煤灰混合料粒料来说，最佳比例范围是70%左右。在此比例下，混合料既具有足够强度，又具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝。王哲人[7]提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。戴经梁、蒋应军等[8]通过大量试验得出，骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增大其抗裂系数50%左右。该种方法不会增加公路建设费用，抗裂效果显著。不同级配对混合料的收缩性能具有较大的影响，在满足基层强度要求的前提下，控制细集料用量可以明显改善基层抗收缩性能[9]。周卫峰等[10]通过试验研究了混合料配合比对水泥稳定碎石的强度和收缩性的影响。研究表明，现场经振动压实的水泥稳定碎石混合料强度、抗裂特性与室内振动成型的混合料特性趋于一致，用振动法优化的级配配比可显著提高半刚性基层的抗裂能力。胡力群等[11]研究了骨架孔隙水泥稳定碎石基层材料粗、细集料级配范围，混合料各组成部分配比计算方法以及计算中所需相关参数测试方法，并试验研究了不同配合比对水泥稳定碎石混合料的性能，研究结果表明骨架孔隙结构水泥稳定碎石在保证一定孔隙率的前提下能够满足目前规范对基层材料的要求。

集料的级配对水泥稳定碎石基层的抗裂有很大的影响，合适的配合比不仅易于振动压实，而且能够使基层具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝。

2 抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层

与传统设计方法相比较，抗裂嵌挤水泥稳定碎石的配合比设计不仅是采用振动成型即能得到的，而且还进行一系列设计优化，通过筛选使基层的强度性能与抗裂性能达到最佳。抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层通过合理的级配设计，使骨料多级嵌挤，从而形成具有较高的密度，较小的含水量，较高强度的基层，属于骨架密实型的结构。这种基层和传统的悬浮密实型水泥稳定碎石相比，能够更有效地抵抗干缩和温缩引起的裂缝。

抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层的骨架密实，减少了细集料含量，使得结构内部粗集料均匀且有良好的嵌挤。在骨料空隙内部的细混合料存在一定的空隙和微裂缝来克服基层因温度变化产生的应力和含水量减小产生的干缩应力，使其应力不集中。悬浮结构虽然可以获得较大的密实度，但各级集料均被次级集料隔开，不能直接聚拢形成骨架，从而集料颗粒相互牵制和约束的能力较弱，在收缩力作用下容易发生微位移，干缩系数较大。

一般来说，悬浮密实结构4.75 mm筛孔通过率范围为29%～49%，0.075 mm筛孔通过率为0%～5%，骨架密实结构对应的通过率分别为22%～32%和0%～3%，因而骨架密实结构混合料的比表面积较悬浮密实结构要小很多，需要水泥胶浆的含量和最佳含水量均相应减少，而水泥胶浆含量和含水量是影响水稳碎石收缩性最主要的两个因素。一般悬浮密实结构的水泥剂量为6%左右，骨架密实结构水泥剂量为3.5%～4.5%。粗集料的收缩性很小，细集料和水泥胶浆组成的水泥胶浆具有很大的温度收缩性。因此，悬浮密实结构的温缩系数较之更大。骨架密实结构的最佳含水量一般也较悬浮密实结构少1.5%～2%，含水量越多，水泥稳定碎石蒸发散失水分愈多，产生的干缩裂缝愈显著，所以骨架密实型水泥稳定碎石混合料的干缩系数较传统悬浮密实型水泥稳定碎石混合料低。