论文部分内容阅读
摘要：高等级公路水稳碎石基层具有温缩和干缩特性，在收缩应力作用下易产生基层裂缝，从而产生质量缺陷。本文结合工程实例，详细阐述了水稳碎石基層施工过程中产生温缩和干缩裂缝的原因，并从多方面对施工过程中的裂缝预防控制与处理措施进行了深入探讨和总结。
关键词：高等级公路；水稳碎石基层；干缩；温缩；裂缝处理
Abstract: the water stability of high grade highway macadam with temperature shrinkage and dry shrinkage properties, in the shrinking stress cracks under the action of the easy generation, which causes the quality defects. Combining with the project examples, expounds the water stability macadam produced in construction process temperature shrinkage and dry crack reasons, and from various face the construction process of crack prevention and control and treatment measures are discussed and summarized in this paper.
Keywords: high grade highway; The water stability macadam; Dry shrinkage; Temperature shrinkage; Crack processing
中图分类号：X734文献标识码：A 文章编号：
1引言
水稳碎石基层作为半刚性基层，具有整体性好、刚度大、水稳性好、早期强度高等优良路用性能，在水泥稳定碎石混合料中掺入适量的混凝防裂剂，能延长水泥的终凝时间与减少横向收缩裂缝，目前水泥稳定碎石广泛应用于高等级公路的基层。
尽管水泥稳定碎石具有良好的力学性能，优点很多，使用范围也比较广泛，但是若对其特点了解不足，施工过程中质量控制不好，易出现干缩、温缩裂缝，大大降低路基的强度。因此，如何对高等级公路水稳碎石基层施工过程中的裂缝进行合理有效控制是广大技术人员不断探讨的重要课题。
2工程概况
东莞市环莞快速路市政工程第八标段，全长为3.258km。主线设计行车速度为100km/h，路基宽度为46m 。
其路面基层自上而下设计为：基层采用5%水泥稳定碎石36cm；底基层采用4%水泥稳定碎石20cm组成，面层为沥青砼路面厚20cm；下封层1cm乳化沥青稀浆，水泥稳定碎石基层于2004年4月15日开工，下面着重对基层裂缝成因与防治进行分析探讨。
3水稳碎石基层施工过程中裂缝产生的原因分析
水稳碎石半刚性基层在非荷载作用下产生裂缝的主要原因是干缩和温缩。影响半刚性材料干缩和温缩的主要因素与含水量、水泥剂量、集料或粉料的含量、粉料的矿物质成分、环境温度和养生情况有密切联系。
3.1 水稳碎石强度形成原理
3.1.1嵌挤作用
由于水稳碎石中碎石按级配规律，小颗粒填补大颗粒空隙的一级填充一级的原则进行排列组合。它在外力（碾压）的作用下，级配碎石能紧密地嵌固在一起，依靠颗粒之间的嵌挤和摩阻作用而形成的内摩阻力具有一定的强度和稳定性。
3.1.2水泥硬化反应
水泥矿物质与水发生强烈的水解和水化反应，形成水花碳酸钙、水化硅酸钙等水化物，水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与碎石中的其他矿物质发生硬凝反映和碳酸化反应，增大了水稳碎石的强度。
3.2干缩裂缝
水泥与各种集料和水经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用，材料矿物晶或凝胶体间的水化作用和碳化收缩作用等都会引起水泥稳定碎石材料产生体积的干缩，其收缩的程度与水泥、碎石粒料的含量。混合料中小于0.075mm的细颗粒的含量和塑性指数等相关。根据累计干缩应变可计算出干缩系数ad：
ad=Σεdi / Σεwi （式1）
式中：
Σεdi——累计干缩应变
Σεwi——失水量。
3.3温缩裂缝
相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，即温缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中碎石的温度收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大，半刚性材料中胶结物有较大的温度收缩性。温度系数at，计算公式如下：
at =Σεt /（Ti+1-T0）（式2）
式中：
Σεt——累计温缩应变，取1.0×106；
Ti+1——当前温度，℃；
T0——起始温度。
通过以上分析可以看出：水稳碎石基层随混合料水分减少产生干缩和温缩应力，水分减少的愈多愈快，产生的干缩应力越大，水分减少愈慢，干缩应变愈慢。因此半刚性基层施工时应合理安排工序，金铃子环境温度适宜时施工，以减小干缩、温缩裂缝对质量造成不良影响。
4水稳碎石基层施工过程中预防与控制干缩、温缩裂缝的具体措施
根据水稳碎石基层的非荷载作用开裂机理分析，为减少裂缝产生，施工时要在配比设计、含水量控制、水泥剂量控制、水泥稳定碎石的养生、压实度控制等方面采取措施，具体如下：
4.1严格控制施工配合比
混合料配合比正确与否是影响碎石半刚性基层开裂的一个因素。根据部颁《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）要求，水泥稳定碎石配合比设计中，碎石应占80%-85%（混合料为密实式稳定粒料）。根据技术规范要求，采用3种规格石料进行掺配，即10~30mm粗集粒、5~10mm中集粒、5mm一下的石屑细集料。有关资料表明0.5mm及其以下档细集料对水泥稳定基层的干、温缩的影响很大，所以在进行混合料配合比设计师应严格控制集料0.5mm和0.075mm档的通过率，使之尽量靠低限。其粗集料的压碎值、各种料的颗粒筛分、含水量、相对密度、吸水率以及石屑中小于0.075mm以下的颗粒含量和塑性指数等多项指标必须满足技术规范要求，其级配曲线应在规范要求的范围之内。所采用的碎石的压碎值应不大于30%，坚固性不大于8%，针片状不大于20%，0.075mm以下颗粒含量小于7%，液限小于25，塑性指数小于6，单级配范围应符合混合料级配范围要求，并保持稳定。以减少基层材料的收缩性和减轻基层裂缝，集料中不宜含有缩性指数的土。液限为19，塑性指数为0，小于0.075mm的颗粒含量为5.15%。表中：A为10~30mm碎石，B为5~10mm碎石，C为5mm一下石屑，A:B:C=45:28:27。从筛选结果组成设计来看满足规范要求。其中碎石的级配为骨架密实结构，采用上述配合比和级配施工的基层早期强度，7d强度都较高，基本克服了横向贯穿裂缝现象。
4.2选择适宜季节施工
水稳碎石基层施工最佳季节是春末和夏初，气温相对变化不大且风又小，若在秋末冬初施工，由于温差较大，基层强度增长缓慢，温缩裂缝也会产生；若工期紧张，必须在这个季节施工时，可采取保温措施，避免基层受冻。保温措施可采用料薄膜加麻袋的方法。
4.3水泥剂量的控制
水泥应选用初凝时间3h以上和终凝时间6h以上的品種。水泥剂量是影响水稳碎石强度的重要指标。如果剂量过大，造成水稳碎石干缩和温缩裂缝增多。因此其剂量误差范围应控制在0.5%以内，在满足设计强度的同时尽量限制水泥的用量，以减少基层的干温缩的等非荷载裂缝。
4.4含水量控制
含水量主要控制碾压含水量和养生用水量，碾压时的含水量大，产生裂缝机率就愈高，就会导致面层产生反射裂缝。含水量是水稳碎石中的又一项重要控制指标，本工程施工实践证明，含水量过低，小于最佳含水量2个百分点时，碾压有明显的干缩裂缝，根据国外有关资料统计表明，每增加1%的含水量是每增加1%水泥剂量出现裂缝的2~3倍，这种干缩裂缝随着温差的加大而变宽，形成反射裂缝，对路面构成威胁，因此施工过程必须严格掌握。
4.5压实度控制
压实度也是影响路面基层开裂的一个因素。水泥稳定基层混合料应在处于或略大于最佳含水量时碾压。碾压应一次完成，直至达到按重型实验法确定的要求压实度98%（高速公路基层）。实验表明重型标准比轻型标准干缩应变小，提高水稳基层的压实度对减少干缩应变非常有利。
4.6水泥稳定碎石的养护
水泥稳定碎石是水硬性材料，碾压完成后要及时养生，保持混合料的含水量不受损失，绝不能让基层曝晒变干裂缝。有资料表明在同期内通过养生的水泥稳定碎石是不养生的水稳碎石强度的1.5~2倍，而且养生的水稳碎石出现干缩裂缝比不养生的要少得多。基层施工完后，表面没及时覆盖受自然环境的影响，表面游离水蒸发过快，产生急剧体积收缩，而此时集体料早期强度低，不能抵抗这种应力也易导致开裂。因此要求在基层施工完后，对其裸露表面应及时用潮湿材料覆盖，认真养护，同时进行交通管制。在气温很高风速很大时，施工应及早喷水覆盖降温、保湿养护。在气温较低时，施工后应在覆盖物表面喷温水进行覆盖保温、保湿养护。
4.7基层完工后应立即进行下道工序施工
基层在养生后，即刻验收。喷洒稀释沥青或乳化沥青形成稀浆封层，撒完油后应尽快铺筑面层，透层油沥青虽有一定的保温作用，但随时间延长，半刚性基层混合料中由于水分损失而产生干缩裂缝；在温差大时半刚性基层也可能产生温缩裂缝，为保护基层不产生收缩裂缝，必须尽快铺筑面层。随着基层暴露时间的增加，平均干应变和干缩系数都在增长，因此强度形成初期加强养护具有重要意义。
5水稳碎石基层裂缝的处理
水稳碎石基层出现裂缝后，可以采取以下措施进行处理：
（1）在基层清扫时详细调查裂缝，确保裂缝不遗漏，并做好记录。基层裂缝处着重清理，保证缝内无杂物，清理完毕后向裂缝内灌注改性乳化沥青，其灌注深度为缝深度的2/3。
（2）基层裂缝清理后在其上铺设自粘式玻璃纤维格栅，铺设宽度为100cm，裂缝两侧各50cm，长度为横向满铺，如纵向缝则两端超出裂缝长度50cm。铺设时间在透层施工之后，改性沥青下封层施工之前，固定方式为水泥钉（8~10cm）、铁皮（1cm²）将一端固定，再用人力拉紧。铺设时应保持其平整度、拉紧、不起皱，并具备有效的张力。
（3）铺设完自粘式玻璃纤维格栅后，应派专人维护，当进行下封层施工时，洒布车及运输车行驶在其上不可急转弯、掉头，以免自粘式玻璃纤维格栅松弛、扭曲而影响其力学性能。
通过上述处理措施的应用，可以消解基层裂缝处应力集中，可减少裂缝传递反射至面层，从而减少反射裂缝的产生。其次可以增加基层和沥青面层层间的摩阻力，有效地克服基层收缩裂缝的产生。
6结语
综上所诉，本工程通过施工过程中采取严格的控制措施，使水稳级配碎石基层施工过程中常见的干缩、温缩裂缝得到了有效控制，取得了良好的效果。当然，在水稳级配碎石基层设计与施工时，无论哪一个环节都不能放松质量要求，特别是对于容易出现质量问题的影响因素，应积极采取预防措施，避免施工过程中出现质量问题。出现裂缝后可以采取铺设玻璃纤维格栅进行处理，确保水稳碎石基层整体质量。
【参考文献】
[1]JTT034-2000，公路路面基层施工技术规范[S]
[2]JTG E51-2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S]
[3]JTG E4251-2005 公路工程集料试验规程[S]
[4]钱进，王冠，水泥稳定碎石基层施工的质量控制要点[J]，华东公路，2001，4
[5]徐忠阳，水泥稳定碎石基层配合比试验和施工技术控制[J]，交通标准化，2006，8
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：高等级公路；水稳碎石基层；干缩；温缩；裂缝处理
Abstract: the water stability of high grade highway macadam with temperature shrinkage and dry shrinkage properties, in the shrinking stress cracks under the action of the easy generation, which causes the quality defects. Combining with the project examples, expounds the water stability macadam produced in construction process temperature shrinkage and dry crack reasons, and from various face the construction process of crack prevention and control and treatment measures are discussed and summarized in this paper.
Keywords: high grade highway; The water stability macadam; Dry shrinkage; Temperature shrinkage; Crack processing
中图分类号：X734文献标识码：A 文章编号：
1引言
水稳碎石基层作为半刚性基层，具有整体性好、刚度大、水稳性好、早期强度高等优良路用性能，在水泥稳定碎石混合料中掺入适量的混凝防裂剂，能延长水泥的终凝时间与减少横向收缩裂缝，目前水泥稳定碎石广泛应用于高等级公路的基层。
尽管水泥稳定碎石具有良好的力学性能，优点很多，使用范围也比较广泛，但是若对其特点了解不足，施工过程中质量控制不好，易出现干缩、温缩裂缝，大大降低路基的强度。因此，如何对高等级公路水稳碎石基层施工过程中的裂缝进行合理有效控制是广大技术人员不断探讨的重要课题。
2工程概况
东莞市环莞快速路市政工程第八标段，全长为3.258km。主线设计行车速度为100km/h，路基宽度为46m 。
其路面基层自上而下设计为：基层采用5%水泥稳定碎石36cm；底基层采用4%水泥稳定碎石20cm组成，面层为沥青砼路面厚20cm；下封层1cm乳化沥青稀浆，水泥稳定碎石基层于2004年4月15日开工，下面着重对基层裂缝成因与防治进行分析探讨。
3水稳碎石基层施工过程中裂缝产生的原因分析
水稳碎石半刚性基层在非荷载作用下产生裂缝的主要原因是干缩和温缩。影响半刚性材料干缩和温缩的主要因素与含水量、水泥剂量、集料或粉料的含量、粉料的矿物质成分、环境温度和养生情况有密切联系。
3.1 水稳碎石强度形成原理
3.1.1嵌挤作用
由于水稳碎石中碎石按级配规律，小颗粒填补大颗粒空隙的一级填充一级的原则进行排列组合。它在外力（碾压）的作用下，级配碎石能紧密地嵌固在一起，依靠颗粒之间的嵌挤和摩阻作用而形成的内摩阻力具有一定的强度和稳定性。
3.1.2水泥硬化反应
水泥矿物质与水发生强烈的水解和水化反应，形成水花碳酸钙、水化硅酸钙等水化物，水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与碎石中的其他矿物质发生硬凝反映和碳酸化反应，增大了水稳碎石的强度。
3.2干缩裂缝
水泥与各种集料和水经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用，材料矿物晶或凝胶体间的水化作用和碳化收缩作用等都会引起水泥稳定碎石材料产生体积的干缩，其收缩的程度与水泥、碎石粒料的含量。混合料中小于0.075mm的细颗粒的含量和塑性指数等相关。根据累计干缩应变可计算出干缩系数ad：
ad=Σεdi / Σεwi （式1）
式中：
Σεdi——累计干缩应变
Σεwi——失水量。
3.3温缩裂缝
相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，即温缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中碎石的温度收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大，半刚性材料中胶结物有较大的温度收缩性。温度系数at，计算公式如下：
at =Σεt /（Ti+1-T0）（式2）
式中：
Σεt——累计温缩应变，取1.0×106；
Ti+1——当前温度，℃；
T0——起始温度。
通过以上分析可以看出：水稳碎石基层随混合料水分减少产生干缩和温缩应力，水分减少的愈多愈快，产生的干缩应力越大，水分减少愈慢，干缩应变愈慢。因此半刚性基层施工时应合理安排工序，金铃子环境温度适宜时施工，以减小干缩、温缩裂缝对质量造成不良影响。
4水稳碎石基层施工过程中预防与控制干缩、温缩裂缝的具体措施
根据水稳碎石基层的非荷载作用开裂机理分析，为减少裂缝产生，施工时要在配比设计、含水量控制、水泥剂量控制、水泥稳定碎石的养生、压实度控制等方面采取措施，具体如下：
4.1严格控制施工配合比
混合料配合比正确与否是影响碎石半刚性基层开裂的一个因素。根据部颁《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）要求，水泥稳定碎石配合比设计中，碎石应占80%-85%（混合料为密实式稳定粒料）。根据技术规范要求，采用3种规格石料进行掺配，即10~30mm粗集粒、5~10mm中集粒、5mm一下的石屑细集料。有关资料表明0.5mm及其以下档细集料对水泥稳定基层的干、温缩的影响很大，所以在进行混合料配合比设计师应严格控制集料0.5mm和0.075mm档的通过率，使之尽量靠低限。其粗集料的压碎值、各种料的颗粒筛分、含水量、相对密度、吸水率以及石屑中小于0.075mm以下的颗粒含量和塑性指数等多项指标必须满足技术规范要求，其级配曲线应在规范要求的范围之内。所采用的碎石的压碎值应不大于30%，坚固性不大于8%，针片状不大于20%，0.075mm以下颗粒含量小于7%，液限小于25，塑性指数小于6，单级配范围应符合混合料级配范围要求，并保持稳定。以减少基层材料的收缩性和减轻基层裂缝，集料中不宜含有缩性指数的土。液限为19，塑性指数为0，小于0.075mm的颗粒含量为5.15%。表中：A为10~30mm碎石，B为5~10mm碎石，C为5mm一下石屑，A:B:C=45:28:27。从筛选结果组成设计来看满足规范要求。其中碎石的级配为骨架密实结构，采用上述配合比和级配施工的基层早期强度，7d强度都较高，基本克服了横向贯穿裂缝现象。
4.2选择适宜季节施工
水稳碎石基层施工最佳季节是春末和夏初，气温相对变化不大且风又小，若在秋末冬初施工，由于温差较大，基层强度增长缓慢，温缩裂缝也会产生；若工期紧张，必须在这个季节施工时，可采取保温措施，避免基层受冻。保温措施可采用料薄膜加麻袋的方法。
4.3水泥剂量的控制
水泥应选用初凝时间3h以上和终凝时间6h以上的品種。水泥剂量是影响水稳碎石强度的重要指标。如果剂量过大，造成水稳碎石干缩和温缩裂缝增多。因此其剂量误差范围应控制在0.5%以内，在满足设计强度的同时尽量限制水泥的用量，以减少基层的干温缩的等非荷载裂缝。
4.4含水量控制
含水量主要控制碾压含水量和养生用水量，碾压时的含水量大，产生裂缝机率就愈高，就会导致面层产生反射裂缝。含水量是水稳碎石中的又一项重要控制指标，本工程施工实践证明，含水量过低，小于最佳含水量2个百分点时，碾压有明显的干缩裂缝，根据国外有关资料统计表明，每增加1%的含水量是每增加1%水泥剂量出现裂缝的2~3倍，这种干缩裂缝随着温差的加大而变宽，形成反射裂缝，对路面构成威胁，因此施工过程必须严格掌握。
4.5压实度控制
压实度也是影响路面基层开裂的一个因素。水泥稳定基层混合料应在处于或略大于最佳含水量时碾压。碾压应一次完成，直至达到按重型实验法确定的要求压实度98%（高速公路基层）。实验表明重型标准比轻型标准干缩应变小，提高水稳基层的压实度对减少干缩应变非常有利。
4.6水泥稳定碎石的养护
水泥稳定碎石是水硬性材料，碾压完成后要及时养生，保持混合料的含水量不受损失，绝不能让基层曝晒变干裂缝。有资料表明在同期内通过养生的水泥稳定碎石是不养生的水稳碎石强度的1.5~2倍，而且养生的水稳碎石出现干缩裂缝比不养生的要少得多。基层施工完后，表面没及时覆盖受自然环境的影响，表面游离水蒸发过快，产生急剧体积收缩，而此时集体料早期强度低，不能抵抗这种应力也易导致开裂。因此要求在基层施工完后，对其裸露表面应及时用潮湿材料覆盖，认真养护，同时进行交通管制。在气温很高风速很大时，施工应及早喷水覆盖降温、保湿养护。在气温较低时，施工后应在覆盖物表面喷温水进行覆盖保温、保湿养护。
4.7基层完工后应立即进行下道工序施工
基层在养生后，即刻验收。喷洒稀释沥青或乳化沥青形成稀浆封层，撒完油后应尽快铺筑面层，透层油沥青虽有一定的保温作用，但随时间延长，半刚性基层混合料中由于水分损失而产生干缩裂缝；在温差大时半刚性基层也可能产生温缩裂缝，为保护基层不产生收缩裂缝，必须尽快铺筑面层。随着基层暴露时间的增加，平均干应变和干缩系数都在增长，因此强度形成初期加强养护具有重要意义。
5水稳碎石基层裂缝的处理
水稳碎石基层出现裂缝后，可以采取以下措施进行处理：
（1）在基层清扫时详细调查裂缝，确保裂缝不遗漏，并做好记录。基层裂缝处着重清理，保证缝内无杂物，清理完毕后向裂缝内灌注改性乳化沥青，其灌注深度为缝深度的2/3。
（2）基层裂缝清理后在其上铺设自粘式玻璃纤维格栅，铺设宽度为100cm，裂缝两侧各50cm，长度为横向满铺，如纵向缝则两端超出裂缝长度50cm。铺设时间在透层施工之后，改性沥青下封层施工之前，固定方式为水泥钉（8~10cm）、铁皮（1cm²）将一端固定，再用人力拉紧。铺设时应保持其平整度、拉紧、不起皱，并具备有效的张力。
（3）铺设完自粘式玻璃纤维格栅后，应派专人维护，当进行下封层施工时，洒布车及运输车行驶在其上不可急转弯、掉头，以免自粘式玻璃纤维格栅松弛、扭曲而影响其力学性能。
通过上述处理措施的应用，可以消解基层裂缝处应力集中，可减少裂缝传递反射至面层，从而减少反射裂缝的产生。其次可以增加基层和沥青面层层间的摩阻力，有效地克服基层收缩裂缝的产生。
6结语
综上所诉，本工程通过施工过程中采取严格的控制措施，使水稳级配碎石基层施工过程中常见的干缩、温缩裂缝得到了有效控制，取得了良好的效果。当然，在水稳级配碎石基层设计与施工时，无论哪一个环节都不能放松质量要求，特别是对于容易出现质量问题的影响因素，应积极采取预防措施，避免施工过程中出现质量问题。出现裂缝后可以采取铺设玻璃纤维格栅进行处理，确保水稳碎石基层整体质量。
【参考文献】
[1]JTT034-2000，公路路面基层施工技术规范[S]
[2]JTG E51-2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S]
[3]JTG E4251-2005 公路工程集料试验规程[S]
[4]钱进，王冠，水泥稳定碎石基层施工的质量控制要点[J]，华东公路，2001，4
[5]徐忠阳，水泥稳定碎石基层配合比试验和施工技术控制[J]，交通标准化，2006，8
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。