公路水泥稳定碎石基层抗裂性分析

宋鹏飞

摘 要：作为一种半刚性基层，水泥稳定碎石基层因其良好的强度、稳固性、密实性、抗冻性以及经济性等优势广泛应用于我国各等级公路建设中。随着现代交通量与行车荷载的日益增加，致使公路水泥稳定碎石基层开裂病害层出不断，严重影响了交通行车安全与服务水平。鉴于此，本文笔者基于对理论知识的学习与实践经验的应用，以水泥稳定碎石基层开裂机理、配合比设计及控制措施三方面实施专业论述。

关键词：公路基层；水泥稳定碎石；抗裂性能

1 水泥稳定碎石基层开裂机理

疲劳荷载作用、温度收缩与干燥收缩为水泥稳定碎石基层产生开裂的主要因素，其中以温度收缩与干燥收缩为主，疲劳荷载作用对其影响一般较小。而干燥失水、温度影响水泥稳定碎石基层的规律，与材料微观组成以及结构关系密切。

1.1 干缩机理

1.1.1 吸附水及分子间作用力

在混合料完成毛细管张力（干缩机理之一）作用后，随着水分的持续蒸发，半刚性基层材料逐渐开始蒸发吸附水，使颗粒与颗粒间距离因材料颗粒表面水膜的逐渐变薄而减小，进而导致颗粒宏观体积因颗粒分子力的增大而进一步收缩。对于吸附水蒸发引起的收缩而言，由于材料颗粒间不同程度排斥力的存在，使其在影响趋势上拥有一定的上限。

除此之外，由于颗粒表面正常水溶液离子浓度低于颗粒间中央处结合水离子浓度，在此影响下产生的渗透压力使混合料中水分子渗透向材料颗粒间，致使材料颗粒间距因颗粒互相排斥的发生而进一步减小，进而在吸附水分子间作用力达到最大值后开始逐渐减弱，此时层间水作用逐渐明显，但是随着晶胞间距的不断变小，致使颗粒间斥力逐渐增强，进而在宏观上对材料产生收缩的影响也越来越弱，在达到一定程度后，材料收缩量不断减小直至终止。

水泥稳定碎石混合料中存在的一些胶结物（如C-A-H 结晶、C-S-H凝胶、CaCO3与Ca（OH）2），其作用过程不同于吸附水、分子间力及非粘土矿物。各类凝胶、矿物颗粒表面以及结晶均以“最小表面能原理”为遵循，固体颗粒因表面水分子作平行于表面方向的运动所引起“尖劈”作用力而发生膨胀，“尖劈”作用力在水脱附后消失，致使材料发生整体性收缩。

1.1.2 层间水作用

水泥稳定碎石基层材料中存在一些犹如C-A-H 结晶、粘土矿物、C-S-H凝胶等层状结构物晶体或非晶体，一定程度上有水化离子和层间水“夹”于层间，但在层间水的持续蒸发作用下，基层结构会因材料晶格间距的逐渐减小而发生整体性收缩。特别是对含有丰富火山灰反应生成物与蒙脱石的半刚性基层材料而言，其因层间水作用明显而表现出较大的干缩特性，而含粘土较多的材料比含水化物较多的材料层间水作用更强烈。

1.1.3 碳化脱水作用

根据碳化作用反应过程可知，CO2与Ca（OH）2反应会生成H2O和结晶体CaCO3，生成水H2O一旦散失，则会引起体积收缩。水泥稳定碎石基层铺筑完成后，由于干缩特性的影响，随着基层材料水分的散失，干缩应变与干缩应力则会产生，水分散失越快、程度越大，其所产生的干缩应力就越大，反之亦然，此时如果没有采取合理的养生措施或养生条件不足，基层结构则在养生初期便会产生较大程度干缩应力，同时由于此时基层结构形成抗拉强度较小，因此极易造成开裂。除此之外，水泥稳定碎石基层（属半刚性基层）在完成养生后如面层不及时铺筑，长期暴露于大气中受自然因素（如暴晒）的持续影响，同样会发生开裂。开裂初期裂缝较为细小，但是随着水分的不断丧失，裂缝则会增大至3mm以上。水泥稳定碎石基层裂缝一般以横向为主，同时也有少量纵向及不规则块状形式存在。

1.2 温缩机理

水泥稳定碎石基层外观胀缩的形成，主要是由其组成中固、液、气三相在不同温度条件下发生收缩的综合效应所引起，在该效应作用下，基层材料的体积会发生一定程度的收缩，即为形成温缩。一般情况下，外界大气与水泥稳定碎石基层材料中绝大部分气相相贯通，因此在综合效应中气相影响程度较小；而对固相矿物颗粒而言，原材料中砂料以上颗粒一般拥有较小的温缩系数，而粉粒以下颗粒（特别是粘土矿物）则温缩系数一般较大。

除此之外，水泥稳定碎石基层材料固相颗粒一般由结晶体与部分非结晶体组成，而在空间排序上组成晶体的质点分布较有规律，其所产生的分子键及化学键结合力相互约束着该晶体质点，此种约束通常以质点运动轨迹为体现，其热振运动只能在原位置做。故此，质点间键性与质点热运动共同决定了材料热学性质。

由于范德华键与化学建等相互作用力存在于材料中晶体质点间，因此质点间平衡距离会因质点总内能中势能及动能变化的发生而变化，使晶体空间体积得到了进一步影响。而通常情况下组成晶体质点间的键性较强，质点热振运动的实施只能在其平衡位置进行，因此晶体势能曲线呈现出右缓左陡的趋势，晶体质点在一定温度条件下拥有一定的动能，质点振动在r1与r2间运动时，其平均间距可由式[r0=r1+r22]计算。

又因在最低点处势能曲线呈不对称特征，且热振动移动趋向于势能增加较小的方向，当材料组成系统热能从外界环境获取时，r0则会发生右移，随着温度的升高，质点间距也会增大。

除此之外，对水泥稳定碎石半刚性材料温缩的影响，其主要是在混合料内部一些胶凝孔、毛细孔以及大空隙中的水在“表面張力”、“冰冻”以及“扩张”三种作用形式下形成。在饱水与干燥状态下，水泥稳定碎石半刚性材料温度收缩值较小，而在一般含水量下则温度收缩值较大。

2 考虑抗裂性的水泥稳定碎石配合比设计

设计过程操作步骤：

（1）原材料的选取和试验。从沿线料场或计划使用的远运料场选取有代表性的试样，并进行碎石的压碎值试验；对所用的水泥，应试验其标号和终凝时间；

（2）级配确定和水泥剂量的选择。在抗裂性和抗压强度俱佳的级配范围内选择一种具体的集料级配，并采用4%、5%、6%、7%四种水泥剂量；

（3）确定混合料的最佳含水量和最大干密度。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的击实试验方法，确定各种混合料的最佳含水量和最大干密度（用重型击实试验法）；

（4）按规定达到的压实度，分别计算不同混合料试件应有的干密度；

（5）试件制备。在最佳含水量和计算得的干密度条件下，同时制备抗压强度、抗弯拉强度、抗弯拉模量以及温缩、干缩试件。进行强度试验时，作为平行试验的试件数量应符合表8的规定。温缩、干缩试件制备时，每组平行试验的试件数量至少为3个。温缩、干缩试验的试件为梁式试件，其尺寸为100×100×400mm；

（6）试件养生。规定的保湿养生温度为：冰冻地区：20℃±2℃；非冰冻地区：25℃±2℃；

配合比筛选时，无侧限抗压强度试验的养生龄期为7d；鉴于温度抗裂性后期较低，抗弯拉强度、抗弯拉模量以及温缩性试件的养生龄期均采用传统的设计龄期即90d；考虑到干缩性破坏总是产生在早期，故干缩性试验的试件养生龄期为7d；

（7）抗压强度、抗弯拉强度、抗弯拉模量和收缩性的试验测定；

（8）混合料配合比的确定。

a）每一种水泥剂量的水泥稳定碎石材料，分别计算以下2个指标：

a=平均温缩系数×基层所在地区的最大日夜温差+总干缩应变；

b=抗弯拉强度/抗弯拉模量。

注：在计算a值时，平均温缩系数和总干缩应变的龄期不一致，所计算的总收缩应变必然比采用单一龄期时偏大，却增大了不同的水泥剂量的a值差异，有利于后序工作的展开。

b）计算a/b，最小的a/b值对应的水泥剂量即为最佳水泥剂量；

c）核定由b）确定的最佳水泥剂量的抗压强度是否满足规范要求。如果不满足，可适当提升水泥剂量。

3 水泥稳定碎石基层施工抗裂措施

3.1 控制水泥用量

作为影响水泥稳定碎石基层抗裂性能的直接因素，水泥剂量直接关系着混合料强度、“温、干”缩系数、弹性模量及综合性干缩抗裂系数的大小。工程实际应用过程中，水泥剂量的确定应在确保基层结构强度以及其他性能指标的基础上采用最小剂量，同时控制用量误差在±0.5%，如若出现较大波动，则应及时调整以保混合料中水泥剂量偏差在规范允许范围内。

3.2 设置预切缝

受外界温度条件的影响，水泥稳定碎石基层必然性会出现干缩与温缩现象，基层结构内部应力随着时间的推移不断增大，最终导致开裂，更为严重时反射到沥青面层对道路整体功能造成影响。预切缝施工手段的实施，可对基层内部积累的应力效应实现有效降低。与此同时，为确保水泥稳定碎石基层实现抗裂性能的同时保证其他结构性功能，预切缝应对间距、深度以及宽度等参数进行综合考虑与分析。宜采用大功率设备实施切缝，切缝口应保持整齐美观，同时采用适当措施实施填缝处理，填缝料一般以橡胶改性沥青为首选，因其具有良好的膨胀性与自愈能力，因此表现出优越的荷载传递效果。

3.3 碾压与养生

水泥稳定碎石基层施工应合理选择碾压机械设备，重点控制压路机的形成速度、碾压遍数和碾压方式。由于振动压实法较重型击实法有多方面的优点，基层施工碾压采用振动压实法。只有保证基层的压实度达到了技术要求，才能使基层材料之间形成一个有效的支撑体系，骨料之间具有足够的嵌锁力，抗裂性能也会得到提高。

水泥稳定碎石基层养生也是一项重要的工作，保证水泥稳定碎石的后期强度发展，为后期路面的其他性能检测提供可信的数据。一般采用防水土工布覆盖保湿养护，养生时间不少于7d，且必须经常保持结构层表面湿润，最终形成有效的强度，达到足够的抗裂性能。

4 结语

基于以上论述，公路水泥稳定碎石基层抗裂性能的研究是为一项精细而复杂的任务，本文以开裂机理入手，对其影响因素通过宏观论述，进而基于抗裂性能的考虑，分析了水泥稳定碎石配合比设计过程，最后回归于现场施工，以开裂机理与配合比设计为依据，提出了抗开裂措施，以此指导施工过程。

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