高等级城市道路水稳碎石基层抗裂措施分析探讨

　　摘要：本文结合工程实例，分析阐述了高等级城市道路路面基层施工中水稳碎石基层开裂的主要原因即温度收缩、干燥收缩和硬化收缩；并结合施工实践，详细探讨了水稳碎石基层裂缝的具体控制措施，针对性提出了具体施工建议。
　　关键词：城市道路；水泥稳定基层；配合比设计；温度收缩；裂缝控制
　　1引言
　　现代城市道路由于交通量、轴载的增加，都对路面的主要承重层——基层提出了更高的要求。基层的使用性能、耐久性和抗裂性对整个路面的使用性能和使用寿命有十分重要的影响。水泥稳定碎石具有较高的强度，且强度形成快，水稳定性好，耐冲刷，板体性能好，在高等级公路中得到广泛的应用。
　　开裂是水泥稳定碎石基层容易出现和迫切需要解决的问题。水稳碎石基层的开裂经常会反射到沥青路面表层，造成沥青路面表面开裂，形成反射裂缝，这些裂缝如果不能及时处理，在雨雪冰冻等恶劣自然条件和反复车辆动载等因素作用下，很容易导致路面破坏。因此，水泥稳定碎石基层开裂是影响沥青路面路用性能，进而影响沥青路面寿命和使用品质的重要因素。在进行水泥稳定碎石混合料设计时，应当把水泥稳定碎石基层的开裂问题作为重点问题来研究。
　　2工程概况
　　某城市高等级城市市政道路线全长9．845km，路面采用两层改性沥青4cm的Superpave-13和8cm的Superpave-19，下封层采用0．5cm的SBR改性稀浆封层，基层采用2层18cm水泥稳定碎石基层。
　　本文针对水泥稳定碎石基层开裂原因，探索出一种抗裂型水泥稳定碎石级配设计方法，在实践中取得良好使用效果。
　　3水稳碎石基层开裂原因分析
　　水稳碎石基层的收缩裂缝可以形成缝宽达2～5mm的横向裂缝或纵横交错的网状裂缝。基层的开裂不仅破坏了基层结构的整体性而降低其强度，还可能在沥青路面面层顶部形成缝宽12～16mm的反射裂缝。水泥稳定碎石配合比设计的关键就在于采取各种措施来消除稳定类基层的裂缝，将沥青面层反射裂缝出现的概率尽可能地降低。
　　导致水泥稳定碎石基层产生收缩裂缝的因素很多，主要有环境温度、相对湿度等外部因素，以及材料级配组成、材料与外掺剂相互作用等内在因素，这些因素归纳起来分为温度收缩、干燥收缩和硬化收缩3大类。
　　随着摊铺后水泥稳定碎石基层水分的丧失，水泥水化作用的进行，若养生不及时，容易造成水稳碎石基层失水，从而产生于缩裂缝；随着气温的降低，水泥稳定碎石基层受冷收缩，易发生温缩裂缝。干缩开裂和温缩开裂是导致水泥稳定碎石基层开裂的重要原因。应针对水泥稳定碎石基层开裂原因，采取相应措施，尽可能地减少水泥稳定碎石基层的开裂。
　　4高等级城市道路水稳碎石基层抗裂措施
　　4．1水稳碎石基层硬化收缩减缓措施
　　4．1．1原材料要求标准
　　《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）中对基层集料要求较为宽松，对许多关键指标均要求较低，由于劣质石料价格便宜，这就容易误导承包商在选择水泥稳定碎石材料时选择材质较差的石料。水泥剂量是由水泥稳定碎石试件7d无侧限抗压强度标准决定的。若采用的石料性能较差势必将增加混合料中水泥的剂量，来确保7d无侧限抗压强度代表值，以满足设计要求。由于集料原材料品质较差而采用高水泥剂量，是导致水泥稳定碎石基层容易产生裂缝的重要原因。基于此考虑，在选择水泥稳定碎石原材料过程中，结合本地区石料供应情况，有针对性地提高集料标准，以降低水稳碎石水泥用量，达到提高强度、减缓开裂的目的。
　　水泥稳定碎石采用15～31．5mm、5～15mm、0～5mm碎石，为改善细集料特性，添加0～2．36mm机制砂。前3种集料采用本地石料厂生产的碎石及水洗砂,水泥采用普通硅酸盐缓凝水泥，标号为32．5。
　　对于水泥稳定粗集料，制定了高于规范的技术标准，要求在材料上岸前加强3项检测：级配检验、针片状检验和压碎值检验，级配要求±10，针片状要求不大于13％，压碎值要求不大于28％。针片状和压碎值是影响粗集料性能的最重要指标，也是影响水泥稳定混合料强度的关键指标。
　　水泥稳定碎石细集料中粉料的含量、含泥量是关系到水泥稳定碎石开裂率的关键指标，粉料含量高、含泥量高的混合料导致收缩应变大，容易开裂。因此细集料以石粉为主，应洁净且含泥量少。采用两种细集料掺配，分别为0～5mm碎石和0～2．36mm机制砂，要求细集料砂当量在60以上，级配容许误差±5。集料中小于0．6mm的颗粒必须进行液限和塑性指数试验，要求液限小于28％，塑性指数﹤9。
　　水泥稳定碎石基层施工所用水泥以普通硅酸盐水泥为宜，禁止使用快硬水泥、早强水泥、粉煤灰水泥和其它受外界影响而变质的水泥，应使用缓凝水泥。路面基层宜采用强度等级适中的水泥，水泥强度不宜过低；水泥各龄期强度、安定性等应达到相应指标要求；要求水泥初凝时间3h以上，终凝时间不小于6h。如采用散装水泥，在水泥进场入罐时，要了解其出炉天数。刚出炉的水泥，要停放7d，且安定性合格后才能使用。夏季高温作业时，散装水泥入罐温度不能高于50℃，高于这个温度，若必须使用时，应采取降温措施。
　　4．1．2原材料试验结果
　　根据施工指导意见，各项目部进行了广泛的材料采供调查，最后确定了原材料、石料各项试验检测数据分别见表l。水泥各项检测指标见表2。
　　表1集料技术指标检测结果
　　技术指标 针片状/% 压碎值/% ﹤0.6mm塑性指数
　　技术要求 ≤13 ≤28 ﹤9
　　15~31.5mm碎石 11.1 20.5 
　　5~15mm碎石 12.1  
　　 12.3  
　　0~5mm石屑   3.9
　　0~2.36mm机制砂   3.9
　　表2水泥物理性能检测
　　技术指标 细度/% 凝结时间/min 安定性 3d抗压强度/MPa 3d抗折强度/MPa
　　  初凝 终凝   
　　技术要求 ≤10 ≥180 ≥360 合格 ≥11.0 ≥2.5
　　检测结果 4.1 332 387 合格 20.6 4.1
　　4．1．3水泥剂量的控制
　　水泥稳定碎石中水泥剂量是影响水稳开裂的重要原因，而通常高等级公路设计交通量都很大，在选择设计强度时一般会选择较高值，如一般高速公路水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度设计值一般介于4．5～5．0MPa，而施工指导意见中通常对碎石材料要求不高，这就必然导致了高水泥用量，容易造成路面开裂。
　　在高等级道路采用了优质碎石材料，在选择设计强度时充分考虑到交通量和交通轴载较重这一特点，确定7d无侧限抗压强度不小于3．5MPa。
　　在混合料配合比设计中，选取了两种级配进行强度试验，分别采用水泥剂量为3．5％、4．0％、4．5％、5．0％、5．5％五种配比进行试验。试验结果见表3、表4。
　　表3两种级配通过率％
　　级配 通过下列筛孔（mm）的百分率
　　 31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
　　级配A 100.0 92.7 78.3 50.4 32.3 19.7 8.7 0.7
　　级配B 100.0 97.4 75.5 53.2 35.8 22.0 8.7 1.7
　　表4两种级配7d无侧限抗压强度对比试验
　　水泥剂量/% 最大干密度/（g•cm-1） 最佳含水量/% 7d无侧限强度/MPa
　　 级配A 级配B 级配A 级配B 级配A 级配B
　　3.5 2.26 3.32 5.3 4.9 3.1 2.6
　　4.0 2.27 2.33 5.5 5.1 3.5 3.3
　　4.5 2.28 2.34 5.6 5.2 4.1 3.9
　　5.0 2.28 2.34 5.7 5.3 4.4 4.1
　　5.5 2.29 2.35 5.9 5.5 4.8 4.5
　　两种级配所用原材料均相同，经过比选，为满足设计强度要求并达到一定的保证率，级配B采用了5．0％的水泥剂量，级配A采用4．5％的水泥剂量，并分别铺筑了各300m的试验段进行对比。拌和、运输、摊铺、碾压、养生等各项施工工艺均相同，在施工养生满10d后进行了路况调查。由于前后时间较短，昼夜温差小，可以认为未发生温缩裂缝，路面仅发生了硬化裂缝和干缩裂缝，两种级配结果相差较大。从表3可以看出两种级配比较接近，采用级配B即水泥剂量5．0％的试验段落出现了11条微细的裂缝，其中6条贯通整个半幅路面，5条贯通半幅；而采用级配A即水泥剂量为4．5％的试验段落仅出现了1条微细的裂缝，贯通整个路幅。
　　从两条试验段调查情况看，水泥剂量对硬化开裂和干缩开裂影响是非常显著的，水泥剂量的增加，将导致水稳基层裂缝数量急剧的增加，但其对基层强度的增加影响并不显著，从表4可以看出，两种级配A和B，水泥剂量增加了0．5％，强度均为4．1MPa，而裂缝数量增加了11倍。
　　4．1．4水稳混合料级配控制
　　《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）中对半刚性基层级配要求较宽，级配偏细，细集料偏多容易导致开裂的发生。
　　本城市道路采用了较粗的级配形式，通过K法计算出集料级配范围，通过率范围见表5。
　　表5水泥稳定碎石级配范围％
　　级配 通过下列筛孔（mm）的百分率
　　 31.5 26.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
　　规范 100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7
　　本道路 100 90~100 72~84 45~57 29~41 18~29 7~16 0~6
　　4．1．5水泥稳定混合料含水量控制
　　水泥稳定碎石施工中，为了防止强度形成过程中水泥水化缺水，施工中控制用水量高于最佳含水量1％～2％左右，但不宜过高，以防止碾压过程中形成轮辙影响路面平整度。
　　4．2水稳基层干燥收缩减缓措施
　　水稳碎石强度形成过程中需要大量水分，若养生不充分、洒水不及时，很容易发生干缩裂缝。
　　在本城市市政道路公路采用表面覆盖养生方法，在水稳基层表面覆盖土工布或麻袋片。在初期洒水养生非常重要，在施工后的7d内，必须不停地洒水，保持基层表面始终潮湿，这段时间干缩裂缝最容易出现，在养生7d后，可以将表面覆盖物清除，此时早期强度已基本形成，但应该继续洒水，直到28d。
　　存在一种观点，认为水泥稳定碎石基层产生干缩裂缝的主要起因是施工含水量偏高，必须严格控制施工含水量不能过高于最佳含水量，否则容易发生干缩裂缝。但是，在下基层施工中发现这一现象，在K5+100～K5+300右幅施工过程中，由于之前雨水较多，材料普遍含水量偏高，因此该段施工含水量偏大，碾压过程产生严重车辙，轮迹明显。由于其它各项指标均较好，对其进行返工，加强了养生。2007年初基层开裂调查中发现，该段前后1km，未发现一条裂缝，甚至微细开裂也未出现。由此可知，施工含水量对施工中平整度、轮辙影响较为显著，含水量偏大将严重影响路面平整度，而与路面开裂并没有直接关系，要防止水泥稳定碎石基层产生干缩开裂，应加强早期养护，加强洒水保湿，并应持续到强度完全形成。
　　4．3水稳碎石基层温度收缩减缓措施
　　《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）中要求水泥稳定土结构层宜在春末和气温较高季节组织施工，施工期的日最低温度应在5℃以上，在有冰冻的地区，应在第一次重冰冻到来之前半个月到一个月前完成。
　　然而，在工程实践中发现，水泥稳定碎石的强度形成和二灰碎石有着显著区别。在低温下施工水泥稳定碎石基层不但没有损害质量，反而可以减少裂缝的产生，降低基层的开裂率。
　　水泥稳定碎石基层在水泥水化过程中，需要大量水分且产生热量。因此，水泥稳定碎石施工后在养生期间，表面迅速干燥，即使遭受到寒流突袭、冰雪袭击，也会迅速吸收表面水份，使表面迅速干燥，此时温度下降到0℃以下，也不会发生冰冻，破坏水泥稳定碎石基层的结构，只需加强表面覆盖，加强洒水养生即可。
　　因此，水泥稳定碎石基层即使在较低温度下施工，也不会发生冰冻损坏结构，而在较低温度下施工，有利于避免温度收缩裂缝的发生。温度开裂主要是由于温度梯度过大引起的，发生冰冻时或温度骤降时的温度与施工温度之间温差过大，产生较大的温度梯度，最终导致开裂。因此，尽可能地降低施工温度，降低最不利情况下的温度梯度，减缓开裂。
　　从该高等级道路施工实践来看，其他条件完全相同，同样的材料、级配、水泥剂量、施工工艺、养生养护条件下，在温度较高施工的水泥稳定碎石段落开裂率明显高于低温施工的段落。
　　过冬后，组织全线各单位对部分施工的第一层水泥稳定碎石开裂情况进行调查。在2月初调查中，共发现裂缝71条，其中21条裂缝贯通左右双幅路面，疑为路基沉降引起，扣除这21条裂缝，平均197m出现1条裂缝。其中采用水泥剂量5．0％的段落5km，共出现裂缝28条，平均178m出现1条，而采用水泥剂量4．5％的段落4.8km，共出现裂缝22条，平均218m出现1条。表6所列为采用水泥剂量4．5％的4.8km段落施工后开裂情况。
　　表6部分段落开裂情况调查
　　桩号范围 路幅 平均气温/℃ 路段长度 裂缝数量 开裂间距/（m•缝-1）
　　K5~K6 左幅 10 1000 6 166.6
　　K6~K7 右幅 9 1000 7 142.8
　　K7+500~K8 右幅 8 500 2 250
　　K8~K9 右幅 3 1000 3 333.3
　　K5~K6 右幅 3 1000 1 1000.0
　　K6~K8 左幅 2 2000 3 666.7
　　从表6中可以看出，随着施工温度的降低，开裂的几率降低，发生裂缝的间距增大。以最后施工的K8～K9+600段为例，1.6km路段仅出现3条细微开裂，裂缝产生几率明显下降。
　　5结论及建议
　　根据该条高等级级公路水稳碎石的施工与管理实践可知，水泥稳定碎石作为路面基层，确实是一种很好的路面结构，路用性能表现优异，而且可以采取一些措施降低基层本身开裂并防止其产生反射裂缝,具体建议如下:
　　1）《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）中对石料要求过低，而对水泥稳定混合料强度要求偏高，这就导致必须采用高水泥剂量以满足强度需要，从而易导致基层开裂。如果不降低强度标准，应提高石料品质，粗集料要降低针片状和压碎值，细集料要减少含泥量，提高砂当量（建议60以上）。
　　2）水泥剂量对硬化开裂和干缩开裂影响是非常显著的，水泥剂量的增加将导致水泥稳定碎石基层裂缝数量大大增加，而对基层强度的增加并不显著。因此，在满足足够的设计强度的情况下，尽可能地降低水泥剂量是防止水稳基层抗裂的重要措施。
　　3）水稳碎石7d抗压强度选取应谨慎，建议采用3．0～4．0MPa为宜。强度标准过高，容易造成相应的水泥剂量偏高，易造成基层开裂。
　　4）水稳碎石产生干缩裂缝的主要原因是养生不当，应在早期强度形成过程中保湿养生，建议7d内保持覆盖养生，持续洒水直到28d。
　　5）较低温施工可以降低裂缝的发生几率，只要覆盖措施得当，对于提高路面施工质量是有益的。
　　参考文献：
　　[1]姜永昌．水泥稳定碎石抗压强度试验变异分析与预控[J]．公路，2004，6．
　　[2]郑南翔，吴传海．高性能二灰稳定碎石混合料设计方法研究[J]．公路，2004，7．
　　[3]沙爱民．半刚性路面材料结构与性能[M]．北京：人民交通出版社．1998