水泥稳定级配碎石道路半刚性基层裂缝成因分析与防治研究

陈朝辉

(淮北市公路桥梁建设有限责任公司,安徽淮北 235000)

水泥稳定级配碎石道路半刚性基层裂缝成因分析与防治研究

陈朝辉

(淮北市公路桥梁建设有限责任公司,安徽淮北 235000)

介绍了水泥稳定级配碎石半刚性基层强度的形成原理,并对水泥稳定级配碎石基层裂缝的类型与形成的原因进行系统的分析,并在原材料的选择与控制、施工控制、配比设计、水泥剂量的控制、含水量的控制、拌和、摊铺、压实、养生等施工工艺方面提出了控制裂缝产生的措施。

水泥稳定级配碎石基层强度;裂缝;控制

水泥稳定级配碎石作为高等级道路基层具有整体性好、刚度大、承载力高、水稳性及抗冻性好的特点,但对施工质量的要求较高,若对其材料特性了解不足,施工控制不好,易出现干缩、温缩裂缝。裂缝一旦形成,-方面会降低基层的整体强度,另一方面进一步发展会形成反射裂缝,使路面出现横向裂缝、起拱等病害,直接影响路面的使用质量和行车舒适度。

1 水泥稳定级配碎石强度形成机理及其影响因素

1.1 水泥稳定级配碎石强度的形成主要取决于水泥水化硬化、离子交换、火山灰反应过程和碎石颗粒间的嵌挤摩阻作用

1.1.1 水泥硬化反应

水泥颗粒经水化反应以及火山灰反应生成水化硅酸钙等系列水化物,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,有的则与级配碎石中的其它矿物质发生硬凝反应和碳酸化反应,形成水泥稳定碎石的链条结构,并封闭碎石之间的孔隙,形成稳定的结构。

1.1.2 嵌挤摩阻作用

水泥稳定碎石中的碎石按照最佳级配原理要求,使用碎石、砂等材料,逐级填充空隙。在外力作用下,级配碎石能紧密地嵌固在一起,颗粒之间的嵌挤和摩阻作用而形成的内摩阻力使结构具有一定的强度和稳定性。

1.2 水泥稳定级配碎石强度的影响因素

1.2.1 组成材料对强度的影响

影响水泥稳定级配碎石强度的主要因素有水泥剂量、碎石强度、级配组成等。强度随水泥剂量的增加而增长,然而过多的水泥用量,虽获得了较高的强度,但在经济上不合理,而且容易开裂。以此在保证结构层达到规定的强度和稳定性的前提下,应尽可减少水泥用量。所用碎石必须具备足够的强度和坚固性。实验证明改善级配可以明显增加水泥稳定碎石的强度。

1.2.2 环境因素对强度的影响

水泥稳定碎石从开始加水拌和到完全压实的时间要尽可能缩短,-般不超过6h。施工时间越长,其强度和密度的损失就越大。水泥稳定碎石的强度发展需要适当的温度、湿度。必须保证在潮湿的条件下养护,否则其强度将显著下降。同时,养生温度越高,强度增长越快。

2 裂缝类型及成因分析

2.1 温缩裂缝

组成水泥稳定碎石半刚性基层材料的三相,即不同矿物颗粒组成的固相、液相(水)和气相在降温过程中相互作用的结果,使半刚性材料产生体积收缩,即温缩。

混合料硬化初期,水泥水化放出较多的热量,但散热缓慢,内部温度升高,使内部体积膨胀。而外部如遇气温急剧降低则产生冷却收缩,内胀外缩相互制约,产生较大的自应力。一旦自应力超过结构极限抗拉强度,将产生纵横交错的温缩裂缝。

2.2 干缩裂缝

干缩裂缝是由于内部水份减少而引起体积收缩造成的。水泥稳定碎石经拌和压实后,由于蒸发和混合料内部发生水化作用,水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶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基层产生体积干缩,从而产生干缩裂缝。水泥与水发生水化反应消耗大量水分,水泥剂量越高,则消耗的水分越多。碎石集料表面对水有吸附作用,集料中的细料成分越多,其表面吸附的水分越多。基层施工时气温太高、含水量太大也会引起表面水分的大量蒸发,以上都可引起干缩裂缝的产生。因此水泥稳定碎石基层施工必须及时进行养生。

2.3 沉缩裂缝

在非接茬部位产生的不规则纵向裂缝(有时伴有基层不均匀沉降变形),多是由于局部路基及底基层压实度达不到规范要求,在荷载作用下产生的。这种裂缝往往呈网状和龟背状的分布,且表面形成一定的高度差。另外在填挖交界处及桥涵搭板处会出现横向沉陷裂缝,在雨水支管部位会出现不规则顺管走向的裂缝,在检查井周围出现不规则裂缝。

2.4 局部网状裂缝

网状裂缝也叫“龟裂”,是由于局部承载力不足,在外力作用下产生沉降引起结构性破坏而导致的裂缝。它破坏性较大,如遇下雨,易造成雨水下渗,在汽车荷载作用下引起翻浆。

3 裂缝的防治措施

水泥稳定碎石的干缩和温缩是引起路面基层开裂的主要原因。为减少裂缝的产生,施工时要在原材料的选择与控制、配合比设计、含水量控制、混合料的拌和、摊铺与压实度的控制、接头处理、养生等方面采取相应的措施。

3.1 原材料的选择与控制

3.1.1 水泥

不同品种的水泥具有不同的收缩性,如矿渣水泥的收缩性比硅酸盐的水泥大,标号高水泥比标号低的收缩性大,-般多选择 P.O32.5级普通硅酸盐水泥。一般来讲,水泥石抗折强度越大,其抗拉强度越大,结构也不易产生温缩裂缝。因此选择水泥时应注意以下方面:(1)不要为追求高强度而过分提高水泥标号和用量,应在保证设计要求的前提下,尽可能采用强度等级较低的水泥。(2)应选用终凝时间较长(宜在6h以上)的水泥。必要时加入缓凝减水剂、缓凝阻裂剂等外加剂,以延长水泥的初凝时间,减慢水化反应热量。

3.1.2 集料

(1)碎石:水泥稳定碎石基层所用碎石的压碎值、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0.075 mm以下的颗粒含量和塑性指数等指标必须满足规范要求,其级配曲线应在规范要求的范围内。最好采用级配碎石,且含泥量必须满足要求。含泥量大则收缩性大,出现裂缝的可能性也就越大。如果不采用级配碎石,则混合料在摊铺时易出现骨料及细料离析现象而产生缩缝。(2)砂:使用细度模数为2.3～3的中粗砂,砂太细及含泥量超标均会使水泥稳定碎石的干缩性增大,易出现裂缝。(3)外掺剂:在水泥稳定碎石混合料中掺入缓凝阻裂剂补偿收缩,可起到减少缩裂的作用。

3.2 配比设计

严格控制施工配合比。混合料配合比正确与否是影响水泥稳定碎石基层开裂的一个主要因素。有关资料表明0.5 mm及其以下档细集料对水泥稳定碎石基层的干、温缩的影响很大,所以在进行混合料配合比设计时应严格控制集料0.5mm和0.075 mm档的通过率,使之尽量靠低限。为减少基层材料的收缩性和减少基层裂缝,集料中不宜含有缩性指数的土。最近完工的安徽省道101淮北段在施工中采用了液限为19,塑性指数为0,小于0.075 mm的颗粒含量取5.35%。10～30mm碎石:5～10mm碎石: 5mm以下的石屑=45:29:26。从筛分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强度均较高,基本克服了横向贯穿裂缝现象。

3.3 含水量控制

水泥稳定碎石是水泥与集料经拌和后水化凝结硬化的产物。含水量的控制直接影响压实度和基层变形。含水量过小时,基层表层松散,碾压容易起皮,难以压实;含水量过大,碾压时粘轮,表面起拱,而且基层成型后水分散失愈多,形成的裂缝愈多。水泥稳定碎石混合料的用水量必须根据试验配合比来确定,同时根据气温的高低及运距的长短进行适当调整。如运距远且气温高,含水量可比最佳含水量高1%左右;如果气温偏低且湿度大或多雾,含水量可比最佳含水量低1%左右,以摊铺碾压时能否达到最佳含水量为准。运输途中,应考虑用土工布覆盖混合料,以减少水分损失。施工中应根据日照强度和风力大小多次调整含水量。同时,试验人员应在拌和站和摊铺现场用酒精燃烧法快速测定含水量。施工操作的前后台通讯联系应方便和顺畅,当现场的含水量与最佳含水量相差大时及时通知后场调整含水量。

3.4 混合料的拌和

水泥稳定碎石混合料必须按试验最佳配合比标定后拌和均匀。如果拌和时间不足或拌和不均匀,易出现粗细料离析现象。混合料铺筑成型后,由于不同地段、上下层之间的干缩、温缩性不同,易产生裂缝。因此,拌和时间要充分,一般不小于3 min/L,通常采用4 min/L。

3.5 混合料的摊铺与压实

施工时宜采用2台摊铺机平行联铺作业,减少混合料离析现象。混合料摊铺后,应尽快完成碾压,缩短从加水拌和到完成碾压的时间。如不及时碾压,水泥会产生部分凝结作用,碾压时,会破坏已形成的水泥胶结作用,消耗压实功,影响压实度,混合料的强度和性能会下降,抗裂缝能力下降。水泥稳定碎石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%。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。

3.6 接头处理

同时施工的两工作段的衔接处,应采用搭接。前一段整形后,应留5～8m不碾压;后一段施工时,前一段留下来未压部分,应再加部分水泥重新拌和,并与后一段一起碾压。注意,为使水稳基层混合料的温度和所能达到的干密度尽可能少受损失,通过试验应控制从加水拌和到碾压终了的时间应不大干3h。如果水稳基层采用半幅施工,其纵缝应垂直相接,而不应斜接。前半幅施工时,在路中心一侧用方木做支撑,养生结束后,在另半幅施工前拆除支撑木。

3.7 水稳基层养护

水泥稳定碎石基层碾压终了,应开始洒水养生,每天洒水次数应视气温而定,应以整个养生期间水稳基层表面始终保持湿润为度。如因洒水不勤,造成表层轻度破坏,应立即洒水,并用轻型压路机压实。当然,条件许可的话,也可用沥青乳液养生。

责任编辑:文 月

U418.5

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1671-8275(2010)03-0022-02

2010-02-12

陈朝辉(1970-),男,安徽萧县人,淮北市公路桥梁建设有限责任公司工程师,一级注册建造师,交通部注册监理工程师。