浅述高温高寒气候水稳基层收缩裂缝控制措施

2021-08-06文玉岩李志鹏陆土勤中交四航局第二工程有限公司

珠江水运 2021年13期

文玉岩李志鹏陆土勤中交四航局第二工程有限公司

1.前言

水泥稳定碎石稳定性好、强度高、刚度大，能提高路面承载力，是修建高等级公路常用的路面基层材料。但其是半刚性属性，容易受到温度和湿度变化影响而产生温度收缩和干燥收缩，从而导致基层产生裂缝,尤其是在高温高寒气候条件下水，收缩开裂行为表现得更为严重。基层裂缝不仅会明显降低基层耐久性和强度,而且会反射到沥青面层，使路面出现裂缝破坏,降低道路的使用年限。

新疆35 团至若羌高速公路工程位于巴音郭楞蒙古自治州若羌县辖区，全长约100k m，采用双向四车道高速公路标准，沥青混凝土路面，设计时速120 km/h。若羌县城属暖温带大陆性荒漠干旱气候，以干旱少雨、风沙大、蒸发强烈、冬季严寒、夏季酷热、温差大为主要特点。若羌县年平均温度约12℃,极端最高温度44℃，极端最低温度-27.2℃；平均年降水量不足30mm；年最小降水量不足4mm；年平均日照时数最大为3338.8hr，最小为2940.0hr；年平均8级风以上天数23天，多年平均沙暴24.5天，浮尘天气194天。

2.高温高寒气候环境水稳基层收缩类型及收缩原理

温度和湿度的变化对水稳的影响较大，经碾压成型后，其体积会因温度变化和水分蒸发而收缩。水稳基层材料的收缩分为三种类型：干燥收缩，温度收缩与化学收缩。

2.1 干燥收缩

水稳材料的收缩性是由于其基体气相、固相和液相的三相热胀性质不同，三相相互作用，产生内应力，相互嵌挤作用就会在水稳材料固体颗粒之间发生，材料体积因此发生收缩，即干燥收缩。

水稳材料由固相、气相和水组成。水以结合水、毛细管水和结构水的形式存在水稳材料内部。发生干燥收缩时，材料内部水分会发生分子间力的作用、吸附作用、材料矿物晶体或胶体间层间水毛细作用，导致整体的体积收缩表现出宏观作用。

2.2 温度收缩

温度是描述物体内部大量微观粒子热运动的杂乱无章程度的物理量。温度升高意味着热运动杂乱程度的加剧，物体内部质子的热振幅和物体的内能也跟着升高，宏观行为就表现出来，即体积膨胀；温度下降则相反，即微观粒子杂乱程度变弱，物体的内部质子的热振幅和内能降低，从而出现体积收缩。

2.3 化学收缩

化学收缩是指水稳材料内部以及其与土之间的化学成分，在没有与外界发生水分交换的情况下，发生化学反应出现的体积减小。

在高温高寒地区，水稳基层施工一般安排在高温季节，高温环境极易发生干燥收缩。前期的收缩多表现为干缩，也伴随着温缩。经过养生后，此后的收缩主要是温度收缩。已经出现的微观损伤随着温度应力和路面承受荷载的交替作用会显得越来越明显。

3.收缩裂缝控制措施

3.1 配合比及材料方面

《公路沥青路面设计规范》规定水稳结构类型为骨架密实型，粒径不超过31.5mm，集料级配范围应符合表1。

表1 骨架密实级配范围

骨架密实型结构最佳含水率较低、干缩应变小，可明显降低收缩系数和抗裂指数，适合高温高寒的环境特点。

（1）水泥。水泥的选择尤为重要，需保证水稳材料在高温高寒环境中不受到冻融破坏。要选择抗冻性好、终凝时间≥6.5h且标号32.5以上的硅酸盐水泥。水泥的用量不是越多越好，只要能满足水稳强度要求，就要尽量降低用量，有利于减少水稳收缩裂缝。水泥的标准稠度用水量不能太高、细度不能太细，否则会增加干缩裂缝的产生，尽量少用早强水泥，其会导致温缩裂缝增多。水泥用量需按照设计要求，一般为3.5%-5.5%，强度较低时，尽量采用调整混合料级配方法，即提高粗集料含量。

（2）碎石。碎石采用连续级配能提高水稳的密实性。基层中0.075mm颗粒的含量控制在3%以内有利于抗收缩。在水稳基层中,细颗粒的百分比越高,孔隙率越高,受到水的作用，其收缩的变化越大。碎石最大粒径不宜超过26.5mm。

（3）早强外加剂。在低温环境中，水泥水化较慢，水稳的强度上升随之缓慢，可通过添加早强外加剂提高水稳的早期强度。早强剂的加入除了可以改善力学性能，还能改善水稳的收缩特性。因为早强剂掺入增强了水稳的保水能力，孔隙结构也得到改善，小孔隙比例增加，大孔隙比例减少，孔隙减少则水分蒸发降低，失水量大大降低从而提高抗干缩性能；早强剂还能改善水泥与集料粘结界面，因此水稳的微观结构也得到了改善。它提高了抗微裂缝产生的能力，材料收缩应变减小，相应的材料的抗裂性能得到提高。早强剂的掺量需通过试验确定。

图1 伸缩缝设置图

3.2 养护方面

水泥稳定基层通常在碾压完成后立即使用土工布加塑料薄膜等不透水材料进行覆盖养护。但施工现场风力较大，覆盖不到位会导致覆盖材料被吹开或刮走，水稳基层的水分散失加快，局部养护不充分。通过补水再养护是不现实的，因为覆盖材料不透水，水分不足造成水稳水化不充分，水稳强度无法提高，导致无法钻出芯样或者芯样不全，产生质量隐患。

另外采用塑料薄膜养护还会造成白色污染，因其是不可重复利用的产品。

土工布能有效防止水分挥发，但是需要用沙袋或土进行压面，养护完毕后还须清理沙袋或土，养护过程耗费大量人工，且效率不高。

因此需要找到一种经济高效环保的养护方式。通过对工艺的探索找到了一种有效的方式，即及时洒布透层油。透层油渗透到水稳下面，覆盖了水稳表面，水分就无法挥发，保持了水分从而实现了养生的效果；其能封闭表面的缝隙，还可以在面层与基层之间发挥承上启下的粘结作用，改善整体受力。

透层油还可以保护水稳材料不因日照高温而开裂，基层强度因内部温度得到保持而加快增长。

透层油喷洒时机宜在基层碾压完成后表面稍干但还没有形成强度时进行，透层油采用PC-2型阳离子改性乳化沥青，洒布量为1.2～1.5L/m2。

由于高温地区空气干燥，为了保证基层表面的湿润，碾压完成需先对表面进行补水。补水方式最好通过雾化，这样能使水分均匀并且不会因冲刷而破坏表面，补水完成马上洒布乳化沥青。

3.3 伸缩缝设置

高温高寒气候极易使水稳基层出现裂缝,同时基层裂缝反射到沥青面层使沥青路面出现裂缝破坏,导致道路的整体性能降低。通常锯缝深度只是水稳基层的部分厚度，在热胀冷缩作用下，易产生受力不均，在集中应力作用下更容易发生开裂，水稳裂缝容易往上反射破坏面层。

温度疲劳裂缝：在日照强烈、昼夜温差大的气候环境下，基层因热胀冷缩产生较大温度应力，这种温度应力反复作用直接导致基层产生疲劳开裂。

为了改善这种情况，本项目结合气候环境探索了一种有效的伸缩缝设置方法。

（1）施工放样：在基层施工完成一周内，每100m设置一道伸缩缝，并做好标线。

（2）切缝：使用带合金钢片的切割机对基层进行宽2cm的缝隙切割，缝深为基层厚度。

（3）切缝清理：使用高压气泵清理切缝内的石子粉尘等杂物，保证缝隙整洁。

（4）灌缝：使用热沥青进行灌缝并要缝隙饱满密实。

（5）玻纤格栅铺设：玻纤格栅宽度以伸缩缝为中心，左右各长1m，使用2英寸钢钉和50mm×30mm×1mm的铁皮进行固定，从而解决路面反射裂缝和拱胀问题。如图2所示。

3.4 摊铺工艺

传统基层施工方法是把水稳层分层施工，先摊铺下基层，至少养生7天满足强度后，才能施工上基层；上层摊铺完后，同样需养护7天。对于半刚性材料，分层施工易导致层间粘结性差，当拉应力超过单层受力时就会发生开裂，破坏了水稳层的整体性和结构强度。尤其在低温高寒气候下，路面温度随着冬季温度的下降而下降，基层材料开始收缩，由于基层材料的收缩量与面层不同以及基层受到上下约束，当气温下降到一定极限时，基层材料的拉应变、拉应力超过材料的抗拉强度时，产生低温收缩裂缝，就会引起基层开裂。

层间含水量不同、或层间污染使两层很难结成一体,虽然可采取在层间洒水泥浆的措施进行层间连接，但撒水泥浆的效果和均匀性不是很理想。如上下层摊铺间隔时间长导致膨胀系数不同、密实度不同、水稳养生不及时、洒水养生及覆盖不到位都是水稳裂缝出现的重要原因。

经过项目实践采用一次性摊铺碾压成型工艺可解决以上问题。一次性全厚度摊铺工艺，使水稳结构整体性好，抗拉伸能力强。不存在并机接缝离析，避免了纵向裂缝、含水量损失小。

具体做法为：基层总厚度分为两层，在水泥初凝之前,使用两组作业设备，同步一前一后连续上下层摊铺、碾压，并采用侧向物料转运车给后排的摊铺机上料。每组设备的作业顺序为抗离析摊铺机，振动压路机,胶轮式压路机。这样连续的摊铺工艺实现了基层不间断流水作业，基层由两层变成一层，节省了养生时间，简化了水稳的工序，提高了基层结构的整体性和完整性。