高等級(jí)公路水穩(wěn)層裂縫的所致成因及應(yīng)對(duì)舉措

周 忠

安徽建工集團(tuán)投資管理公司

1 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高等級(jí)公路的底基層及路面基層有90%以上為水穩(wěn)層，其脆性偏大、抗變形能力較低，往往易因濕度、溫度驟變或是荷載作用而生成裂縫，以致基層的力學(xué)性能嚴(yán)重降低，甚至?xí)率顾嗷炷谅访婊驗(yàn)r青混凝土面層生成發(fā)射裂縫，導(dǎo)致路面出現(xiàn)起拱、碎裂、坑洞、剝離，使用壽命縮短。因此，加強(qiáng)對(duì)水穩(wěn)層裂縫的研究極具實(shí)際價(jià)值意義。

2 水穩(wěn)層裂縫現(xiàn)象

水穩(wěn)層是以級(jí)配碎石、膠凝材料和灰漿按照一定比例混合，攤鋪后壓實(shí)到一定的密實(shí)度，靠碎石間的嵌擠鎖結(jié)形成初期強(qiáng)度，并隨著齡期的增加凝結(jié)形成整個(gè)板體。實(shí)踐研究表明，混合料中水泥用量一般在3%～7%，7天抗壓強(qiáng)度在1.5MP～4.0MPa，相對(duì)其他路基如土石、三合土等的強(qiáng)度要高，有良好的板體性，成活后表面堅(jiān)實(shí)，遇雨水不會(huì)泥濘，且力學(xué)性能良好，其強(qiáng)度根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以隨混合料的配比做調(diào)整。然而，水穩(wěn)結(jié)構(gòu)脆性大，對(duì)濕度和溫度變化的敏感性很強(qiáng)，很容易因濕度和溫度的變化產(chǎn)生裂縫，通常較早出現(xiàn)的裂縫是在水穩(wěn)層初期，也有的是在路面終凝養(yǎng)護(hù)期后車輛荷載作用下出現(xiàn)，這些裂縫反射到路面，破壞表層混凝土路面或?yàn)r青面層。通過對(duì)水穩(wěn)層的長期跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路面均有不同程度的裂縫出現(xiàn)，以橫向裂縫諸多，也伴有部分縱向裂縫以及個(gè)別部位的網(wǎng)狀裂縫，按裂縫的嚴(yán)重與否通常分為：（1）微小型裂縫。裂縫寬在0.5mm～1.5mm，裂縫間距較大，基本是橫向裂縫無縱向裂縫，該情況發(fā)生的公路結(jié)構(gòu)形式是有兩層石灰穩(wěn)定土和兩層骨架密實(shí)級(jí)配水穩(wěn)混凝土面層或?yàn)r青路面。（2）顯著型裂縫。裂縫寬1.5mm～4mm，橫縫諸多伴有少量縱縫，平均間距在25m左右，該情況發(fā)生的公路結(jié)構(gòu)形式是有兩層石灰穩(wěn)定土和兩層懸浮密實(shí)級(jí)配水穩(wěn)混凝土面層或?yàn)r青路面。（3）嚴(yán)重型裂縫。裂縫寬4mm以上，平均間距12m，橫縫較嚴(yán)重，縱向裂縫且還伴有支縫，裂縫多且很明顯，該情況發(fā)生的公路結(jié)構(gòu)一般是兩層石灰穩(wěn)定土和一層密實(shí)型級(jí)配水穩(wěn)混凝土面層或?yàn)r青面層。

3 水穩(wěn)層裂縫的所致成因

高等級(jí)公路水穩(wěn)材料屬于半剛性材料，收縮性很小，引起收縮不外乎兩個(gè)方面：一是，水分子的水化或蒸發(fā)產(chǎn)生的干縮裂縫，二是，溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力造成的溫度收縮裂縫，干縮和溫度收縮是引起水穩(wěn)層產(chǎn)生橫向裂縫的主要原因。另外，路基基礎(chǔ)不穩(wěn)定或者外界荷載產(chǎn)生擠壓，也可能造成水穩(wěn)層裂縫的出現(xiàn)。

3.1 干縮裂縫的成因

按齡期或者養(yǎng)護(hù)期劃分，干縮裂縫在兩個(gè)時(shí)段的損害程度有所差異。一個(gè)時(shí)段是水穩(wěn)碎石壓實(shí)成型到養(yǎng)護(hù)期，一般是在初凝7天的干縮：這個(gè)時(shí)段是由于水穩(wěn)混合料內(nèi)部水化作用，使毛細(xì)管作用力、分子間吸附力以及碳化作用引起混合料本身體積趨于減小的收縮，或者混合料本身水分和養(yǎng)護(hù)灑水的蒸發(fā)，如果天氣正常、氣溫波動(dòng)較小，則干縮顯示不會(huì)太明顯，往往是一次性干縮，引起混合料的收縮而產(chǎn)生的裂縫基本是有限的；另一個(gè)時(shí)段是養(yǎng)護(hù)期后到混凝土面層或?yàn)r青封層透層、瀝青路面施工期的干縮：這個(gè)時(shí)段時(shí)間較長，如果天氣變化較多，水穩(wěn)層必然經(jīng)過干燥和飽水的反復(fù)過程，也就引起水穩(wěn)層的多次重復(fù)干縮，反反復(fù)復(fù)，必將導(dǎo)致水穩(wěn)基層嚴(yán)重地拉裂，甚至在薄弱的地方出現(xiàn)較為嚴(yán)重地貫穿性裂縫。

3.2 溫縮裂縫的成因

熱脹冷縮原理而產(chǎn)生的裂縫，即由于對(duì)水穩(wěn)基層的結(jié)合料可以看成是不同顆粒構(gòu)成的固相、氣相與液相，在溫差作用下產(chǎn)生熱脹冷縮的體積變化，從而引起溫度收縮性裂縫。

（1）構(gòu)成固相礦物的原材料具有不同的膨脹收縮性，如碎石主要成分是SiO2、Al2O3，其熱膨脹冷收縮系數(shù)為8×10-6/℃，而水穩(wěn)碎石結(jié)成的新膠礦物凝膠體，熱膨脹冷收縮系數(shù)為10～20×10-6/℃，顯然兩者具有完全不同的熱脹冷縮性，在組成固相復(fù)合結(jié)合料時(shí)因溫度變化不同的脹縮必然引起裂縫。（2）水穩(wěn)混合料內(nèi)部毛細(xì)孔不可避免充盈氣體，在高溫季節(jié)時(shí)氣體受熱膨脹，水穩(wěn)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)顆粒產(chǎn)生擴(kuò)張力，當(dāng)該擴(kuò)張力大于內(nèi)部臨界值時(shí)，勢(shì)必引起水穩(wěn)層膨脹起拱；在低溫冷凍季節(jié)時(shí)，氣體冷縮體積縮小，水穩(wěn)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)顆粒的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相應(yīng)減小產(chǎn)生收縮力，當(dāng)該收縮力超過結(jié)構(gòu)本身的極限拉應(yīng)力時(shí)，將會(huì)引起橫向裂縫出現(xiàn)。（3）水穩(wěn)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的孔隙中和膠凝體內(nèi)，存在毛細(xì)水、自由水、結(jié)晶水，當(dāng)外界或者結(jié)合體內(nèi)部升溫時(shí)，水產(chǎn)生巨大的擴(kuò)張力（水的熱脹系數(shù)70×10-6/℃）致使結(jié)合物顆粒增大間距，產(chǎn)生的膨脹到一定程度將出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。盡管高等級(jí)公路路面在設(shè)計(jì)和施工中設(shè)置伸縮縫，在規(guī)范中和實(shí)際施工中也已廣泛應(yīng)用，減少了不規(guī)則裂縫對(duì)路面的影響，成效顯著，但如何規(guī)避水穩(wěn)層產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，在設(shè)計(jì)規(guī)范和施工技術(shù)中還沒得到體現(xiàn)，目前對(duì)水穩(wěn)結(jié)構(gòu)造成了極不良的質(zhì)量影響。

引起水穩(wěn)層干縮和溫縮主要有幾個(gè)方面的原因：首先，水穩(wěn)層集料級(jí)配設(shè)計(jì)不太合理。在強(qiáng)度一定的情況下，水穩(wěn)集料需要空隙越小、水泥劑量越小、骨架料越大，則產(chǎn)生裂縫的可能性越小，反而越容易產(chǎn)生裂縫，為降低水穩(wěn)層產(chǎn)生裂縫的概率，須盡可能采用骨架密實(shí)型級(jí)配而減少懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配。其次，施工工藝欠妥壓實(shí)度不夠。施工時(shí)水穩(wěn)混合料推擠攤鋪不均、工序不當(dāng)、碾壓次數(shù)少，造成密實(shí)度小誘發(fā)裂縫。另外，施工環(huán)境影響，特別是溫度影響極大。如果高溫天氣超28℃，水分蒸發(fā)快、水泥凝固時(shí)間縮短，水穩(wěn)層干密實(shí)度隨之降低，引發(fā)裂縫；如低于5℃的寒冷天氣，壓實(shí)度難以保證，變形量增大，誘發(fā)裂縫的概率增加。此外，碾壓完成后的保濕、保溫養(yǎng)護(hù)不到位，水穩(wěn)層施工類同混凝土路面施工，需要精心養(yǎng)護(hù)，如若在設(shè)計(jì)齡期內(nèi)未按規(guī)定采取保溫、保濕措施，并做好交通改道管制，就會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)層的早期損壞而引發(fā)裂縫。

3.3 荷載裂縫的成因

水穩(wěn)層之下的基礎(chǔ)處理不夠堅(jiān)實(shí)，特別是在回填基礎(chǔ)上壓實(shí)不夠密實(shí)，或地質(zhì)條件差又未做地基處理如換填，往往會(huì)因承重車輛的反復(fù)碾壓，在荷載力作用下，基層底部裂縫逐漸向上擴(kuò)展，承載力超過公路抗彎拉強(qiáng)度引起基層變形過大甚至斷裂，直至到達(dá)面層產(chǎn)生稠密不規(guī)則的裂縫。

4 水穩(wěn)層裂縫的應(yīng)對(duì)舉措

4.1 預(yù)防舉措

（1）重視地勘與基礎(chǔ)處理。高等級(jí)公路施工前的地勘資料很重要，由于公路工程屬線性工程，可能地質(zhì)情況千變?nèi)f化，因此，在開工前需要進(jìn)行地勘，取出樣本做土工試驗(yàn)得出含水率、孔隙率、抗壓抗剪等性能指標(biāo)。如果是軟基或者松散土質(zhì)，則需要改善含水率、承載力等指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要采取置換回填壓實(shí)、水泥粉煤灰打夯等處理措施，且需要按要求進(jìn)行檢驗(yàn)，確?；A(chǔ)處理達(dá)到設(shè)計(jì)承載力要求后方可鋪筑水穩(wěn)層；另外，在水穩(wěn)層施工和道路面層澆筑前，加強(qiáng)沿線的交通管制，避免重車在原基礎(chǔ)上行使，以免不平衡受力而破壞路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）嚴(yán)控所用混合料配比。水穩(wěn)層骨料級(jí)配直接影響到基層的干縮性和耐凍性，因此，務(wù)須嚴(yán)格把控水穩(wěn)層混合料配比：①原材料中固相部分的成分、含量決定收縮系數(shù)，對(duì)水穩(wěn)層集料適當(dāng)調(diào)整可以減少整體結(jié)合的孔隙率和含水量，大幅度降低基層的干縮性，其中粉粒特別是黏土對(duì)溫度敏感度及其收縮性很大，砂粒及其以上顆粒的溫度收縮性較小，因此，為減少混合料溫度收縮，需要嚴(yán)格控制混合料級(jí)配，減少細(xì)集料用量或者摻加膨縮小的材料替代，通常要保證最大粒徑≤10cm，最小粒徑≥1cm，且集料中的化學(xué)成分監(jiān)測(cè)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，特別是對(duì)硫酸鹽、氯離子含量等各項(xiàng)指標(biāo)予以檢測(cè)，以免在混合料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)開裂。②嚴(yán)格控制水穩(wěn)碎石基層的水泥劑量，水穩(wěn)層設(shè)計(jì)強(qiáng)度越高，則水泥用量越大，剛性也會(huì)越大，干縮裂縫越容易產(chǎn)生，因此通常規(guī)定設(shè)計(jì)強(qiáng)度3MP～5MPa，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量采取偏低強(qiáng)度，所配水泥劑量不得大于6%。③用水量需要根據(jù)水泥水化需要、施工環(huán)境適當(dāng)調(diào)整在最佳范圍內(nèi)，一般來說，配合比水量根據(jù)水泥劑量計(jì)算，混合料加水拌制碾壓，水泥即發(fā)生水化作用以及水分蒸發(fā)，體積收縮，用水量過多，水分上浮于表面更快，產(chǎn)生干縮性裂縫的可能性更大。

（3）抓好相應(yīng)壓實(shí)度控制。對(duì)水穩(wěn)層設(shè)計(jì)厚度較大的公路基層，應(yīng)注意混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)，盡量不要采用粒徑較大的粗骨料，壓實(shí)難度較大。在施工方案中，可以采取分層攤鋪碾壓，并逐層完成碾壓試驗(yàn)檢測(cè)，符合設(shè)計(jì)要求后進(jìn)入下一層；對(duì)于管線、井圈等異型結(jié)構(gòu)物周圍，大型設(shè)備很難壓實(shí)，這些拐角或臨邊部位可以適當(dāng)提高水泥含量、采用相對(duì)較小粒徑骨料，增加混合結(jié)實(shí)強(qiáng)度，同時(shí)采用小型機(jī)械壓實(shí)，必要時(shí)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，在井圈周圍結(jié)合路面結(jié)構(gòu)配筋混凝土加固，確保設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)要求。

（4）確保施工環(huán)境適宜。公路工程施工通常有工期要求，施工單位通常要擇時(shí)趕進(jìn)度，選擇氣溫變化較平緩的時(shí)間段施工，溫差越大越易產(chǎn)生裂縫。如果水穩(wěn)基層必需在夏日酷暑施工，盡可能避開酷暑，選擇早晚時(shí)段，并采取措施如噴霧、灑水等及時(shí)做好外部環(huán)境的保濕，防止表面急性過度水分蒸發(fā)而產(chǎn)生干縮裂縫。實(shí)踐證明，在25℃～40℃及保濕環(huán)境下，能保證水穩(wěn)混合體的水化作用順利進(jìn)展，且提高內(nèi)部極限拉升強(qiáng)度；如果在低于5℃環(huán)境下，在外部設(shè)置避風(fēng)屏障的同時(shí)，需要充分利用水穩(wěn)混合體的強(qiáng)度潛力，控制溫差應(yīng)力，防止裂縫的產(chǎn)生。

（5）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)及早后續(xù)施工。施工單位對(duì)高等級(jí)公路混凝土或?yàn)r青路面的養(yǎng)護(hù)比較重視，往往忽視對(duì)水穩(wěn)層的工后養(yǎng)護(hù)。水穩(wěn)混合料攤鋪碾壓完成后，需要及時(shí)用麻袋覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，防止因混合料的水化作用以及水分過度蒸發(fā)引起表層的干縮裂縫；在寒冬季節(jié)，則可以用土工布和塑料薄膜保溫養(yǎng)護(hù)，不需要灑水，以免凍凝；養(yǎng)生期后，盡量安排及早攤鋪瀝青混凝土面層或進(jìn)行混凝土施工，減少長時(shí)間的水穩(wěn)層裸露可以降低重復(fù)干縮產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 處治舉措

一旦水穩(wěn)層有裂縫出現(xiàn)，需要及時(shí)封填處理以防水分滲入造成更嚴(yán)重地質(zhì)量缺陷，目前，通常采取的處理措施為密封膠封縫、瀝青膠填灌+土工布鋪設(shè)技術(shù)，這兩種技術(shù)對(duì)處理較寬裂縫和基層反射裂縫效果明顯。

所謂的密封膠封縫，即把密封膠高溫加熱到180℃左右其黏度很低，直接灌注到裂縫，或者預(yù)先已做切縫處理的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)內(nèi)（通常裂縫超3mm要進(jìn)行切縫處理），密封膠在冷卻前滲透到裂縫兩側(cè)與水穩(wěn)混合料融合，密封膠冷卻后恢復(fù)彈性，可以隨裂縫膨脹收縮變形而變形，長期有效封閉已發(fā)生的裂縫。

所謂的瀝青膠填灌，即對(duì)基層面層較寬裂縫做切縫處理后，填灌瀝青膠，對(duì)細(xì)小裂紋灑布透層油后直接鋪土工布，一般橫向搭接10cm、縱向搭接5cm 即可，再在土工布上碾壓，之后灑一次粘層油后施工面層，工藝較為簡單，裂縫防治效果較為理想。

5 結(jié)語

水穩(wěn)層鋪筑作為公路建設(shè)施工的關(guān)鍵，開裂問題不得小覷。對(duì)此，參建各方須重視結(jié)構(gòu)安全，嚴(yán)抓水穩(wěn)層鋪筑質(zhì)量，切實(shí)采取相應(yīng)技術(shù)、管理舉措從根本上規(guī)避裂縫的生成，為公路建設(shè)質(zhì)量的有效確保夯牢基礎(chǔ)。