水泥稳定碎石基层裂缝成因分析与防治措施

李雅洁 刘朝阳 刘珊珊 王 波 李 晨

（长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安 710064）

我国公路交通事业在近几年来飞速发展，如表1所示。预计到2030年，实现首都辐射省会，1000km以内的省会之间当日即可抵达。我国公路建设的迅速发展、整体水平的大幅度改善离不开基层的高水平。由于基层主要用于承载，因此它的强弱和好坏必然决定着道路的质量和寿命。

表1 近几年公路里程发展情况

调查发现，我国水泥稳定碎石基层已占到沥青路面基层用量的75%（各级公路）～90%（高速公路）。但是，其脆性大、温湿敏感性强，容易产生收缩裂缝，在车辆载荷和温度、湿度条件的循环作用下，会使基层裂缝向上反射到沥青面层产生反射裂缝且这一比例通常超过50%。同时，沥青面层在温度和行车载荷综合作用下也会产生表面裂缝，并随时间的推移逐渐往下层结构中发展形成对应裂缝。半刚性路面基层裂缝（见图1）严重影响着路面的使用性能并危害交通安全[1-2]。因此，深入开展水泥稳定碎石基层裂缝成因及防裂措施的研究，提出合理而实用的预防和解决路面裂缝的措施，有效地提高半刚性基层的抗裂能力，使其发挥更好的使用性能以适应我国公路事业迅速发展的需要，意义重大。

图1 路面裂缝及危害

1 裂缝成因分析

水泥稳定碎石基层裂缝的产生原因和裂缝形式是多方面的，且各影响因素之间相互关联。

1.1 水泥剂量大

水泥用量的多少决定着水稳碎石材料的强度、弹性模量、温缩及干缩系数。水泥剂量越高，其强度和弹性模量相应增加，但是收缩系数也随之增加，致使水泥稳定碎石在使用中很容易产生裂纹。水泥剂量增加时，收缩应力的增长速率远大于材料强度的增长速率，因此水泥剂量高的基层更易产生收缩裂缝[3]。

水泥剂量大的原因包括：成型方式不匹配，施工单位担心压实度过百而减少压实遍数造成压实度不足，为增加强度便加大水泥剂量；室内静压成型方式与室外振动施工不匹配，调整级配对强度增加效果不大，于是就通过加大水泥剂量解决；连续式搅拌装置的搅拌时间一般在10s以内，短时间内很难搅拌均匀，为了保证使用强度，水泥用量普遍取高限值。

1.2 混合料不均匀

水泥等粉料及细料不能充分地均匀弥散和包裹粗骨料，经常出现粗骨料表面出现干燥露白现象，且拌和物各组分之间的黏聚力不足，混合料的搅拌不均匀，导致在装卸、运输、摊铺过程中出现离析，形成基层裂缝。

1.3 材料类型和细料用量

水泥稳定碎石的结构强度主要取决于集料颗粒间的摩阻力和嵌挤力、水泥与集料之间的黏结力。悬浮密实结构的水泥稳定碎石混合料中含有大量细料，粗集料少且没有接触（见图2（a）），因此不能形成骨架，这种水泥稳定碎石表现为黏聚力较高，但是摩阻力较小且稳定性差，容易导致基层开裂；骨架密实结构（见图2（b））中既有粗骨料形成嵌挤骨架，又有细集料填充间隙，细集料相对用量减少且密实度较高。此外，细集料比表面积大，遇水膨胀，具有较大的干缩系数，失水后干缩变形大。因此，细集料用量太大会导致干缩变形较大，更易产生基层收缩裂缝。

1.4 环境温度变化

在基层铺筑后，寒冷地区温度骤降使基层材料收缩，若沥青面层较薄则会产生温度收缩，导致基层材料的拉应变或拉应力急剧增大，超过基层材料的抗拉强度或极限抗拉应变后就会引起基层的开裂。半刚性基层一般选择在高温季节进行铺筑，成形初期未封闭，昼夜温差反复作用在基层上，产生温度应力，随使用年限增长，最终产生疲劳裂缝。

图2 两种基层结构类型

2 裂缝的预防与防治

2.1 材料方面

2.1.1 严控原材料质量

原材料的质量是提高基层抗裂的先决条件，因此为了减少原材料组成的变异性，各地区必须根据当地情况制定统一的规范要求。此外，在混合料拌和前，原材料的所有检测指标都必须符合《公路路面基层施工技术细则》（JTGT F20-2015）要求[4]。

缺点：上述规范规定的混合料级配范围太宽，不同级配的混合料抗裂能力却有很大差异，因此不同级配的水泥稳定碎石混合料各种力学指标即使全部满足规范要求，也很难说这些混合料具有良好的抗裂能力。

2.1.2 调整水泥组分及细度

降低水化热及水化热产生速率来保证水化热有足够的时间散发出去，降低早期的温度应力。水化热是水泥矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，选择合适的矿物组成和调整水泥细度非常重要[5]。

适当提高水泥中的C2s和C4AF含量可以提高水泥的韧性，降低其脆性。C2s早期强度很低，不宜增加太多，否则影响水泥强度发展。因此，尽可能降低C3A的含量，相应提高C4AF的含量对水泥性能的发挥有好处。

水泥细度主要影响水化放热速率。水泥越细，水化放热速率越快，由水化热集中产生的早期温度应力也就越大，早期开裂可能性变大。因此，选用粗磨水泥，降低水泥的比表面积，可以有效地降低水泥早期的水化放热速率，从而改善其抗裂性。

缺点：提高C2s和C4AF有必要控制用量；粗水泥的使用会使早期强度降低，影响拆模时间和施工进度，对活性发挥也有一定的影响。

2.1.3 掺入其他材料

由于水泥产生的水化热远大于粉煤灰与水反应产生水化热且粉煤灰具有减水作用，可以减少裂缝危险。此外，粉煤灰中含有大量玻璃体球形颗粒，内部结构致密，几乎没有裂隙，可以有效填充集料间隙，且内比表面积较小，吸附水的能力较低，因而使其干缩性减小，抗裂性提高。掺入一定量的粉煤灰，也可以减少细集料（4.75mm以下）的使用，从而减少收缩裂缝的形成[6]。

掺加合成纤维等可以增强基层材料的抗裂性能[7-8]。掺入纤维材料可减少水泥稳定碎石材料的失水面积，减少水分蒸发，从而减少了由于含水量损失而产生的毛细管张力，减少裂纹的产生。同时，纤维材料抗拉强度大，增强了水泥稳定碎石材料抵抗干缩开裂的强度。此外，纤维材料的热膨胀系数小，对水泥稳定碎石的收缩或膨胀有一定的抵制作用，纤维材料起到支撑集料的作用，从而阻止粗、细骨料因沉降而产生的离析。发生开裂时纤维又起到桥接作用，阻止了裂缝的继续扩展。

缺点：掺粉煤灰后早期强度随之降低，从而影响拆模时间和施工进度；添加的纤维种类与基层强度有关，受物理性质、纤维长度和掺量等因素制约，需要控制合理；纤维掺量较少且一般为束状，将纤维添加到水泥稳定碎石混合料中一起进行拌和时，更不易达到均匀性要求，使其使用价值具有一定的折扣，且施工性能也变差。

2.1.4 选用骨架密实结构

骨架密实结构中粗集料含量增加且有效地嵌挤提高了混合料的强度，细集料填充后又能使混合料的密实度提高，提高了半刚性基层的抗冲刷能力，细集料减少也有效降低了缩裂[9]。骨架密实结构0.075mm以下粉料含量低于3%，减少了干缩，减少了裂缝产生率。此外，悬浮结构基层表面光滑，不利于与面层的黏结，而骨架密实结构基层表面粗糙，大料裸露，有利于与面层的黏结。

缺点：骨架密实型在施工中出现离析的危险性较大。相对悬浮结构而言，骨架密实结构的混合料更难压实。

2.2 施工方面

严控各施工环节以及施工步骤，从原材料的选择到混合料的拌和，再到混合料的运输以及摊铺、碾压、养生等环节，都要严格按照施工技术规范的要求执行。这样才能真正发挥出水稳碎石基层的优势，保证公路工程的施工质量，延长道路的使用年限[10]。

2.2.1 振动搅拌

采用振动搅拌拌和水泥稳定碎石可以有效地减少水泥用量。试验表明，水泥用量在4%时，使用振动搅拌可以使其7d无侧限抗压强度平均值达到4.3MPa，满足公路路面施工技术规范要求，比普通搅拌节约20%水泥用量。振动使难以弥散的水泥、水与细集料充分弥散（见图3），并包裹在粗骨料表面，混合料的宏观、微观均匀性良好。在保证强度不会下降的基础上减少水泥和水用量，混合料各组分之间具有一定的黏聚性，使其在摊铺与运输过程中不易出现离析现象；混合料的均匀性使其具有一定的和易性，比较容易压实，压实度提高。

图3 水泥结团与充分弥散

缺点：水泥剂量低，基层强度薄弱环节出现可能性越大，需要提高施工均匀性来保证足够的基层强度。

2.2.2 严控基层含水量

要保证基层的压实度，同时要控制基层含水量不能超过压实所需的最佳含水量。含水量过小会影响水泥的水化，进一步影响基层强度的形成，但含水量也不宜超过最佳含水量的1%，水分过多则更容易引起干缩裂缝，同时需要减少不同层深处压实度的差异。

2.2.3 基层预开缝加土工布

通过基层预开缝来减少基层内部累计的温缩、干缩应力效应，可以有效地减轻裂缝的出现。有学者提出了“半刚性基层预锯缝+土工布”的防裂措施，可以延长基层开裂间距，减少半刚性基层沥青路面的开裂率[11-12]。此外，在预锯缝处铺设土工布可以有效防止或延缓面层反射裂缝的产生，也起到了防渗层的作用，避免基层进一步恶化。

缺点：预切缝间距较小，接缝增多，不仅增加了施工的复杂性，并且会影响路面的整体强度；预切缝过长，温度翘曲应力增大使开裂可能性增加。

2.2.4 加强先期养护

加强水泥稳定碎石基层的先期养护工作，有利于减少干缩裂缝的产生，对提高水稳基层的抗裂性有很大帮助，需要特别重视。水稳基层施工后应该进行保湿养生且养生期不少于7d，为了保证基层强度正常增长，必须保证基层表面始终保持湿润，不得忽干忽湿。一般采用覆盖土工布后洒水，或者覆盖薄膜防止水分蒸发以及洒透层油或者采用封层等措施，做完封层后要尽快铺筑沥青面层。同时，封闭交通防止刚形成的强度被破坏，或行车速度不超过30km/h，并应禁止大型车辆通过。

3 结论

产生裂缝的主要原因是水泥含量大、混合料不均匀导致离析、材料类型选择不合理及细集料用量过大、环境温度变化产生等；严格控制原材料质量、调整水泥组分细度、掺入其他材料如粉煤灰和纤维及选用骨架密实级配，可以有效减轻沥青路面裂缝；改善并加强施工质量控制在一定程度上也可以有效地减轻沥青路面的裂缝。