水穩(wěn)碎石基層裂縫的成因和防治措施

蔚 佳 偉

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層施工是以級(jí)配碎石作骨料，將級(jí)配碎石與水泥灰漿按照一定的配比進(jìn)行施工，通過(guò)攤鋪振搗進(jìn)行壓實(shí)的施工方式。水泥穩(wěn)定碎石基層具有穩(wěn)定性強(qiáng)、強(qiáng)度高、施工方便、水穩(wěn)性好、板結(jié)性能高等優(yōu)點(diǎn)。但是水泥穩(wěn)定碎石基層的熱脹性能較差，基層整體的延展性能差，外界環(huán)境(溫度變化、濕度變化)的變化容易在水穩(wěn)基層內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，微裂紋通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)成裂縫，繼而裂紋逐漸擴(kuò)展到路面形成裂縫，最后形成混凝土路面的初期破壞，導(dǎo)致道路的力學(xué)性能和使用性能大幅下降。

本文針對(duì)西中環(huán)南延(西中環(huán)—姚村連接線(xiàn))道路工程，道路全長(zhǎng)約1 345 m，該道路設(shè)計(jì)的行車(chē)速度為80 km/h，路基寬14 m，路面寬14 m。路面基層結(jié)構(gòu)由細(xì)粒改性瀝青混凝土、粗粒改性瀝青混凝土、水泥穩(wěn)定碎石和水泥灰漿組成。水穩(wěn)基層在攤鋪振搗施工15 d后，出現(xiàn)多條橫向裂縫和縱向衍生微裂紋。本文就水穩(wěn)碎石基層裂縫成因及防治措施進(jìn)行分析探討。

1 水穩(wěn)基層裂縫分布

本文針對(duì)西中環(huán)南延道路工程水穩(wěn)基層產(chǎn)生的裂縫現(xiàn)象，對(duì)水穩(wěn)基層的裂縫分布及開(kāi)裂程度進(jìn)行研究?，F(xiàn)場(chǎng)施工看出橫向裂縫沿道路方向呈規(guī)則分布，裂縫間距一般為7 m～15 m。圖1給出了路面水穩(wěn)基層橫向裂縫和縱向微裂紋的示意圖，橫向裂縫寬度約為1 mm～6 mm，部分橫向裂縫已貫通上基層為20 cm，且在縱向衍生出許多微裂紋，該微裂紋也可以逐漸擴(kuò)展為裂縫。

2 水穩(wěn)基層裂縫產(chǎn)生的原因

水泥穩(wěn)定碎石基層施工是以級(jí)配碎石作骨料，將級(jí)配碎石與水泥灰漿按照一定的配比進(jìn)行施工，通過(guò)攤鋪振搗方式進(jìn)行壓實(shí)的施工方式。水穩(wěn)基層經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)可以達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度和剛度，但是在這種半剛性結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程中，裂縫也逐漸形成，根據(jù)施工線(xiàn)程的調(diào)查和研究，得到水穩(wěn)基層裂縫產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

1)養(yǎng)護(hù)不及時(shí)。水穩(wěn)施工過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)是施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如果養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，會(huì)造成水穩(wěn)基層的干縮?；炷羶?nèi)部會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，水化反應(yīng)釋放的熱量會(huì)加速水穩(wěn)基層表面的吸附水的蒸發(fā)，水穩(wěn)基層內(nèi)部的顆粒分子的分子作用力增加，導(dǎo)致顆粒分子之間的距離逐漸減小，整體上造成混凝土的干縮，混凝土內(nèi)部的壓縮應(yīng)力會(huì)促進(jìn)基層裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

2)水穩(wěn)材料不均勻。水穩(wěn)基層施工過(guò)程中容易產(chǎn)生水穩(wěn)材料內(nèi)部分布不均勻的現(xiàn)象(粗細(xì)料集中現(xiàn)象)，該現(xiàn)象也稱(chēng)為離析現(xiàn)象。造成水穩(wěn)材料不均勻的原因是：在攪拌過(guò)程中發(fā)生的攪拌不均勻，在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生沉淀現(xiàn)象，在卸料過(guò)程中發(fā)生重力重分布，在振搗過(guò)程中發(fā)生振搗不均勻，在攤鋪過(guò)程中發(fā)生攤鋪不均勻等。水穩(wěn)材料分布的不均勻容易造成路面不同區(qū)域的強(qiáng)度不同，裂縫產(chǎn)生的區(qū)域也是細(xì)料相對(duì)集中的區(qū)域，也是干縮裂縫產(chǎn)生區(qū)域。

3)水穩(wěn)材料溫度應(yīng)力。水穩(wěn)基層屬于半剛性基層，熱脹性能較差，基層整體的延展性能差。水穩(wěn)基層組成的不同材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，水穩(wěn)材料溫度應(yīng)力由于溫度變化使水穩(wěn)材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在施工過(guò)程中，水穩(wěn)材料溫度應(yīng)力常常會(huì)導(dǎo)致溫度裂縫，從而影響水穩(wěn)材料的結(jié)構(gòu)性和耐久性。水穩(wěn)材料的溫度應(yīng)力為：

σT=σ1+σ2+σ3=E1α1ΔT+E2α2ΔT+E3α3ΔT

(1)

其中,σ1，σ2，σ3分別為細(xì)料的溫度應(yīng)力，粗料的溫度應(yīng)力和水泥灰漿的溫度應(yīng)力；E1，E2，E3分別為細(xì)料的彈性模量，粗料的彈性模量和水泥灰漿的彈性模量；α1，α2，α3分別為細(xì)料的熱膨脹系數(shù)，粗料的熱膨脹系數(shù)和水泥灰漿的熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫差，溫差包括晝夜溫差、季節(jié)溫差、施工溫差等。

太原地區(qū)氣候溫差較大，根據(jù)式(1)可以得到整體水穩(wěn)基層的溫度應(yīng)力。當(dāng)水穩(wěn)材料溫度應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)的極限抗拉壓強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生溫縮裂縫。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，水穩(wěn)基層材料中細(xì)料成分越多，水穩(wěn)材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度降低而增大，溫度應(yīng)力逐漸增大，粗料成分越多，熱膨脹系數(shù)和溫度應(yīng)力相對(duì)要小。

4)其他原因。從水穩(wěn)基層施工現(xiàn)場(chǎng)的裂縫調(diào)查情況看，水穩(wěn)基層的裂縫產(chǎn)生也存在其他原因。其主要原因是：第一，秋冬季節(jié)施工時(shí)水分蒸發(fā)較慢，水泥終凝時(shí)間縮短。第二，攤鋪時(shí)沒(méi)有根據(jù)季節(jié)溫差來(lái)合理調(diào)整骨料、水泥灰漿和水的配比量，施工過(guò)程要保證攤鋪振搗時(shí)水穩(wěn)材料含水量在合理的含水量范圍。第三，水穩(wěn)施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制水泥灰漿用量，水泥灰漿量越多越容易產(chǎn)生收縮裂紋和縱向微裂紋。

3 水穩(wěn)材料裂紋的影響因素

通過(guò)相應(yīng)的壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)對(duì)振動(dòng)壓實(shí)成型不同養(yǎng)護(hù)期試件進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到水穩(wěn)材料裂紋的影響因素。實(shí)驗(yàn)制備試件材料與現(xiàn)場(chǎng)施工用的水穩(wěn)材料一致，水穩(wěn)材料的級(jí)配用料如表1所示。

表1 水穩(wěn)材料的級(jí)配用料

通過(guò)對(duì)水穩(wěn)材料試件在不同振動(dòng)時(shí)間下和不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度得到含4%水泥灰漿劑量的裂紋形成程度。不同振動(dòng)時(shí)間下和不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度和裂紋形成程度如表2所示。

表2 不同振動(dòng)時(shí)間下和不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度和裂紋形成程度

如表2所示，試件裂紋形成程度隨振動(dòng)時(shí)間(0 s～160 s)呈先增大后降低的趨勢(shì)，存在最大裂紋形成程度，試件的壓縮強(qiáng)度隨著振動(dòng)時(shí)間的增大逐漸增大。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d的試件的裂紋形成程度范圍為3%～20%，壓縮強(qiáng)度的范圍為2 MPa～4 MPa。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d的試件的裂紋形成程度范圍為12%～40%，壓縮強(qiáng)度的范圍為4 MPa～6 MPa。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為5 d的試件的裂紋形成程度范圍為20%～50%，壓縮強(qiáng)度的范圍為7 MPa～9 MPa。

4 水穩(wěn)基層裂縫的防治措施

根據(jù)施工過(guò)程的調(diào)查以及壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的研究，針對(duì)水穩(wěn)基層裂縫產(chǎn)生的原因總結(jié)得到以下幾個(gè)防治措施：

1)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)控制。在水穩(wěn)施工過(guò)程中，加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)的防治措施。在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，要避免水穩(wěn)基層直接的暴露在空氣中，可將草袋或塑料薄膜等材料覆蓋在水穩(wěn)基層表面，避免水穩(wěn)層與空氣隔絕。

2)控制溫差。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，水穩(wěn)基層的表面容易結(jié)冰，容易產(chǎn)生體積膨脹的情況，這樣會(huì)在水穩(wěn)基層內(nèi)部產(chǎn)生裂縫降低水穩(wěn)層的強(qiáng)度。因此在秋冬季節(jié)施工時(shí)，需要降低溫差，采取防凍措施，防止產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力。

3)嚴(yán)格控制水穩(wěn)材料的均勻性。水穩(wěn)基層施工過(guò)程中合理控制水穩(wěn)材料內(nèi)部分布現(xiàn)象。在攪拌、運(yùn)輸、卸料、振搗、攤鋪過(guò)程中要隨時(shí)監(jiān)測(cè)和控制水穩(wěn)材料的均勻性。同時(shí)需要限制水泥灰漿的終凝時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)，水泥的終凝時(shí)間是在6 h～10 h。春秋季節(jié)，因?yàn)闇囟冗m中，水分蒸發(fā)的速度也相對(duì)較慢，所以終凝時(shí)間被大大縮短，基本保證在6 h，夏季由于溫度較高，水泥終凝時(shí)間會(huì)被延長(zhǎng)，大概要10 h。