水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石道路半剛性基層裂縫成因分析與防治研究

陳朝輝

(淮北市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司,安徽淮北 235000)

水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石道路半剛性基層裂縫成因分析與防治研究

陳朝輝

(淮北市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司,安徽淮北 235000)

介紹了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層強(qiáng)度的形成原理,并對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層裂縫的類(lèi)型與形成的原因進(jìn)行系統(tǒng)的分析,并在原材料的選擇與控制、施工控制、配比設(shè)計(jì)、水泥劑量的控制、含水量的控制、拌和、攤鋪、壓實(shí)、養(yǎng)生等施工工藝方面提出了控制裂縫產(chǎn)生的措施。

水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層強(qiáng)度;裂縫;控制

水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石作為高等級(jí)道路基層具有整體性好、剛度大、承載力高、水穩(wěn)性及抗凍性好的特點(diǎn),但對(duì)施工質(zhì)量的要求較高,若對(duì)其材料特性了解不足,施工控制不好,易出現(xiàn)干縮、溫縮裂縫。裂縫一旦形成,-方面會(huì)降低基層的整體強(qiáng)度,另一方面進(jìn)一步發(fā)展會(huì)形成反射裂縫,使路面出現(xiàn)橫向裂縫、起拱等病害,直接影響路面的使用質(zhì)量和行車(chē)舒適度。

1 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度形成機(jī)理及其影響因素

1.1 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度的形成主要取決于水泥水化硬化、離子交換、火山灰反應(yīng)過(guò)程和碎石顆粒間的嵌擠摩阻作用

1.1.1 水泥硬化反應(yīng)

水泥顆粒經(jīng)水化反應(yīng)以及火山灰反應(yīng)生成水化硅酸鈣等系列水化物,水泥的各種水化物生成后,有的自行繼續(xù)硬化,形成水泥石骨架,有的則與級(jí)配碎石中的其它礦物質(zhì)發(fā)生硬凝反應(yīng)和碳酸化反應(yīng),形成水泥穩(wěn)定碎石的鏈條結(jié)構(gòu),并封閉碎石之間的孔隙,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

1.1.2 嵌擠摩阻作用

水泥穩(wěn)定碎石中的碎石按照最佳級(jí)配原理要求,使用碎石、砂等材料,逐級(jí)填充空隙。在外力作用下,級(jí)配碎石能緊密地嵌固在一起,顆粒之間的嵌擠和摩阻作用而形成的內(nèi)摩阻力使結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1.2 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度的影響因素

1.2.1 組成材料對(duì)強(qiáng)度的影響

影響水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度的主要因素有水泥劑量、碎石強(qiáng)度、級(jí)配組成等。強(qiáng)度隨水泥劑量的增加而增長(zhǎng),然而過(guò)多的水泥用量,雖獲得了較高的強(qiáng)度,但在經(jīng)濟(jì)上不合理,而且容易開(kāi)裂。以此在保證結(jié)構(gòu)層達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)盡可減少水泥用量。所用碎石必須具備足夠的強(qiáng)度和堅(jiān)固性。實(shí)驗(yàn)證明改善級(jí)配可以明顯增加水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

1.2.2 環(huán)境因素對(duì)強(qiáng)度的影響

水泥穩(wěn)定碎石從開(kāi)始加水拌和到完全壓實(shí)的時(shí)間要盡可能縮短,-般不超過(guò)6h。施工時(shí)間越長(zhǎng),其強(qiáng)度和密度的損失就越大。水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度發(fā)展需要適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度。必須保證在潮濕的條件下養(yǎng)護(hù),否則其強(qiáng)度將顯著下降。同時(shí),養(yǎng)生溫度越高,強(qiáng)度增長(zhǎng)越快。

2 裂縫類(lèi)型及成因分析

2.1 溫縮裂縫

組成水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的三相,即不同礦物顆粒組成的固相、液相(水)和氣相在降溫過(guò)程中相互作用的結(jié)果,使半剛性材料產(chǎn)生體積收縮,即溫縮。

混合料硬化初期,水泥水化放出較多的熱量,但散熱緩慢,內(nèi)部溫度升高,使內(nèi)部體積膨脹。而外部如遇氣溫急劇降低則產(chǎn)生冷卻收縮,內(nèi)脹外縮相互制約,產(chǎn)生較大的自應(yīng)力。一旦自應(yīng)力超過(guò)結(jié)構(gòu)極限抗拉強(qiáng)度,將產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的溫縮裂縫。

2.2 干縮裂縫

干縮裂縫是由于內(nèi)部水份減少而引起體積收縮造成的。水泥穩(wěn)定碎石經(jīng)拌和壓實(shí)后,由于蒸發(fā)和混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用,水份會(huì)不斷減少。由于水的減少而發(fā)生的毛細(xì)作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體間的水化作用和碳化收縮作用等都會(huì)引起水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生體積干縮,從而產(chǎn)生干縮裂縫。水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)消耗大量水分,水泥劑量越高,則消耗的水分越多。碎石集料表面對(duì)水有吸附作用,集料中的細(xì)料成分越多,其表面吸附的水分越多?；鶎邮┕r(shí)氣溫太高、含水量太大也會(huì)引起表面水分的大量蒸發(fā),以上都可引起干縮裂縫的產(chǎn)生。因此水泥穩(wěn)定碎石基層施工必須及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)生。

2.3 沉縮裂縫

在非接茬部位產(chǎn)生的不規(guī)則縱向裂縫(有時(shí)伴有基層不均勻沉降變形),多是由于局部路基及底基層壓實(shí)度達(dá)不到規(guī)范要求,在荷載作用下產(chǎn)生的。這種裂縫往往呈網(wǎng)狀和龜背狀的分布,且表面形成一定的高度差。另外在填挖交界處及橋涵搭板處會(huì)出現(xiàn)橫向沉陷裂縫,在雨水支管部位會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則順管走向的裂縫,在檢查井周?chē)霈F(xiàn)不規(guī)則裂縫。

2.4 局部網(wǎng)狀裂縫

網(wǎng)狀裂縫也叫“龜裂”,是由于局部承載力不足,在外力作用下產(chǎn)生沉降引起結(jié)構(gòu)性破壞而導(dǎo)致的裂縫。它破壞性較大,如遇下雨,易造成雨水下滲,在汽車(chē)荷載作用下引起翻漿。

3 裂縫的防治措施

水泥穩(wěn)定碎石的干縮和溫縮是引起路面基層開(kāi)裂的主要原因。為減少裂縫的產(chǎn)生,施工時(shí)要在原材料的選擇與控制、配合比設(shè)計(jì)、含水量控制、混合料的拌和、攤鋪與壓實(shí)度的控制、接頭處理、養(yǎng)生等方面采取相應(yīng)的措施。

3.1 原材料的選擇與控制

3.1.1 水泥

不同品種的水泥具有不同的收縮性,如礦渣水泥的收縮性比硅酸鹽的水泥大,標(biāo)號(hào)高水泥比標(biāo)號(hào)低的收縮性大,-般多選擇 P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。一般來(lái)講,水泥石抗折強(qiáng)度越大,其抗拉強(qiáng)度越大,結(jié)構(gòu)也不易產(chǎn)生溫縮裂縫。因此選擇水泥時(shí)應(yīng)注意以下方面:(1)不要為追求高強(qiáng)度而過(guò)分提高水泥標(biāo)號(hào)和用量,應(yīng)在保證設(shè)計(jì)要求的前提下,盡可能采用強(qiáng)度等級(jí)較低的水泥。(2)應(yīng)選用終凝時(shí)間較長(zhǎng)(宜在6h以上)的水泥。必要時(shí)加入緩凝減水劑、緩凝阻裂劑等外加劑,以延長(zhǎng)水泥的初凝時(shí)間,減慢水化反應(yīng)熱量。

3.1.2 集料

(1)碎石:水泥穩(wěn)定碎石基層所用碎石的壓碎值、各種料的顆粒篩分、含水量、相對(duì)密度、吸水率以及石屑中小于0.075 mm以下的顆粒含量和塑性指數(shù)等指標(biāo)必須滿足規(guī)范要求,其級(jí)配曲線應(yīng)在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。最好采用級(jí)配碎石,且含泥量必須滿足要求。含泥量大則收縮性大,出現(xiàn)裂縫的可能性也就越大。如果不采用級(jí)配碎石,則混合料在攤鋪時(shí)易出現(xiàn)骨料及細(xì)料離析現(xiàn)象而產(chǎn)生縮縫。(2)砂:使用細(xì)度模數(shù)為2.3～3的中粗砂,砂太細(xì)及含泥量超標(biāo)均會(huì)使水泥穩(wěn)定碎石的干縮性增大,易出現(xiàn)裂縫。(3)外摻劑:在水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻入緩凝阻裂劑補(bǔ)償收縮,可起到減少縮裂的作用。

3.2 配比設(shè)計(jì)

嚴(yán)格控制施工配合比?；旌狭吓浜媳日_與否是影響水泥穩(wěn)定碎石基層開(kāi)裂的一個(gè)主要因素。有關(guān)資料表明0.5 mm及其以下檔細(xì)集料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的干、溫縮的影響很大,所以在進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制集料0.5mm和0.075 mm檔的通過(guò)率,使之盡量靠低限。為減少基層材料的收縮性和減少基層裂縫,集料中不宜含有縮性指數(shù)的土。最近完工的安徽省道101淮北段在施工中采用了液限為19,塑性指數(shù)為0,小于0.075 mm的顆粒含量取5.35%。10～30mm碎石:5～10mm碎石: 5mm以下的石屑=45:29:26。從篩分結(jié)果組成設(shè)計(jì)來(lái)看滿足規(guī)范要求。其中碎石的級(jí)配為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),采用上述配合比和級(jí)配施工的基層早期強(qiáng)度、7d強(qiáng)度均較高,基本克服了橫向貫穿裂縫現(xiàn)象。

3.3 含水量控制

水泥穩(wěn)定碎石是水泥與集料經(jīng)拌和后水化凝結(jié)硬化的產(chǎn)物。含水量的控制直接影響壓實(shí)度和基層變形。含水量過(guò)小時(shí),基層表層松散,碾壓容易起皮,難以壓實(shí);含水量過(guò)大,碾壓時(shí)粘輪,表面起拱,而且基層成型后水分散失愈多,形成的裂縫愈多。水泥穩(wěn)定碎石混合料的用水量必須根據(jù)試驗(yàn)配合比來(lái)確定,同時(shí)根據(jù)氣溫的高低及運(yùn)距的長(zhǎng)短進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如運(yùn)距遠(yuǎn)且氣溫高,含水量可比最佳含水量高1%左右;如果氣溫偏低且濕度大或多霧,含水量可比最佳含水量低1%左右,以攤鋪碾壓時(shí)能否達(dá)到最佳含水量為準(zhǔn)。運(yùn)輸途中,應(yīng)考慮用土工布覆蓋混合料,以減少水分損失。施工中應(yīng)根據(jù)日照強(qiáng)度和風(fēng)力大小多次調(diào)整含水量。同時(shí),試驗(yàn)人員應(yīng)在拌和站和攤鋪現(xiàn)場(chǎng)用酒精燃燒法快速測(cè)定含水量。施工操作的前后臺(tái)通訊聯(lián)系應(yīng)方便和順暢,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的含水量與最佳含水量相差大時(shí)及時(shí)通知后場(chǎng)調(diào)整含水量。

3.4 混合料的拌和

水泥穩(wěn)定碎石混合料必須按試驗(yàn)最佳配合比標(biāo)定后拌和均勻。如果拌和時(shí)間不足或拌和不均勻,易出現(xiàn)粗細(xì)料離析現(xiàn)象?；旌狭箱佒尚秃?由于不同地段、上下層之間的干縮、溫縮性不同,易產(chǎn)生裂縫。因此,拌和時(shí)間要充分,一般不小于3 min/L,通常采用4 min/L。

3.5 混合料的攤鋪與壓實(shí)

施工時(shí)宜采用2臺(tái)攤鋪機(jī)平行聯(lián)鋪?zhàn)鳂I(yè),減少混合料離析現(xiàn)象。混合料攤鋪后,應(yīng)盡快完成碾壓,縮短從加水拌和到完成碾壓的時(shí)間。如不及時(shí)碾壓,水泥會(huì)產(chǎn)生部分凝結(jié)作用,碾壓時(shí),會(huì)破壞已形成的水泥膠結(jié)作用,消耗壓實(shí)功,影響壓實(shí)度,混合料的強(qiáng)度和性能會(huì)下降,抗裂縫能力下降。水泥穩(wěn)定碎石基層混合料應(yīng)在處于或略大于最佳含水量時(shí)碾壓。碾壓應(yīng)一次完成,直至達(dá)到按重型實(shí)驗(yàn)法確定的要求壓實(shí)度98%。實(shí)驗(yàn)表明重型標(biāo)準(zhǔn)比輕型標(biāo)準(zhǔn)干縮應(yīng)變小,提高水穩(wěn)基層的壓實(shí)度對(duì)減少干縮應(yīng)變非常有利。

3.6 接頭處理

同時(shí)施工的兩工作段的銜接處,應(yīng)采用搭接。前一段整形后,應(yīng)留5～8m不碾壓;后一段施工時(shí),前一段留下來(lái)未壓部分,應(yīng)再加部分水泥重新拌和,并與后一段一起碾壓。注意,為使水穩(wěn)基層混合料的溫度和所能達(dá)到的干密度盡可能少受損失,通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)控制從加水拌和到碾壓終了的時(shí)間應(yīng)不大干3h。如果水穩(wěn)基層采用半幅施工,其縱縫應(yīng)垂直相接,而不應(yīng)斜接。前半幅施工時(shí),在路中心一側(cè)用方木做支撐,養(yǎng)生結(jié)束后,在另半幅施工前拆除支撐木。

3.7 水穩(wěn)基層養(yǎng)護(hù)

水泥穩(wěn)定碎石基層碾壓終了,應(yīng)開(kāi)始灑水養(yǎng)生,每天灑水次數(shù)應(yīng)視氣溫而定,應(yīng)以整個(gè)養(yǎng)生期間水穩(wěn)基層表面始終保持濕潤(rùn)為度。如因?yàn)⑺磺?造成表層輕度破壞,應(yīng)立即灑水,并用輕型壓路機(jī)壓實(shí)。當(dāng)然,條件許可的話,也可用瀝青乳液養(yǎng)生。

責(zé)任編輯:文 月

U418.5

A

1671-8275(2010)03-0022-02

2010-02-12

陳朝輝(1970-),男,安徽蕭縣人,淮北市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司工程師,一級(jí)注冊(cè)建造師,交通部注冊(cè)監(jiān)理工程師。