[分享]半刚性基层收缩开裂特性研究

半刚性基层材料以其高强度、低成本、广原材等优点，在我国高速公路基层建设中得到了广泛应用，收缩开裂是在应用过程中遇到的主要问题。损坏的路面导致修复工作加重，这样不仅在很大程度上影响了路面的使用寿命，而且也加大了国家对路面的投入成本。针对半刚性基层收缩开裂问题，从影响因素、配合比设计以及防治措施等方面进行了研究，为今后的路面工程应用提供借鉴。

关键词:半刚性基层;收缩开裂;配合比;防治

半刚性基层目前经常采用2种形式，一种是水泥稳定碎石类，一种是二灰稳定碎石类。半刚性基层作为我国公路工程路面结构层的主要形式之一，具有承载能力强、强度高、施工工艺成熟以及较好的经济性等优点。然而，半刚性基层材料固有的收缩特性导致基层产生多种形式的裂缝，以至形成应力集中而将裂缝反射至路面层，进而影响路面结构的使用寿命。针对以上情况，影响半刚性基层的开裂因素、防治裂缝措施等已经成为目前公路工程设计和施工方面的研究重点，这对于推进半刚性基层的应用和发展也具有深远的意义。

(1)结合料

水泥和粉煤灰的品种、剂量等是影响基层开裂的主要因素。结合料中比例最大的是水泥，基层结构的强度主要来源于其胶结作用。而粉煤灰在里面仅仅起辅助作用，粉煤灰如果掺的适量，不仅可以减少水泥剂量，又能明显提高半刚性基层的抗裂性能。目前，对水泥粉煤灰稳定碎石基层的研究，现有的基层规范在这方面还没有给出合理的参数，因此，工程应用中缺乏指导资料和指导规范，只能参考水泥稳定碎石类和二灰稳定碎石类的优秀工程应用经验。

(2)集料

集料是半刚性基层的结构骨架，其性质对基层强度、抗裂性等影响很大。规范要求高等级公路基层集料的压碎值≤30%。如果集料粒径过大，容易损坏施工机械，混合料也容易产生离析，铺筑层的平整度也难以达到较高要求。在高等级公路施工中，控制最大粒径≤31．5mm以便于机械施工。为了降低基层材料收缩性，集料的塑性指数≤9。

(4)基层密实度

半刚性基层强度、水泥剂量、温缩系数以及收缩裂缝等都受到基层密实度的影响。在强度固定时，基层密实度越大，水泥用量越少，收缩性越小，裂缝也就越少。

(5)养生条件

水泥稳定类的干缩变形在半刚性基层材料中较小，水泥稳定碎石在失水量达到50%半风干状态时，干缩应变只有(13～18)×10^－6，干缩系数也只有(5.3～8)×10^－6，这么小的干缩应变一般不会产生基层干缩裂缝。基层混合料在施工碾压时，含水量控制在4.5%～5.5%，最佳含水量一般控制在4%～5%。

①粉料含量不宜过多;②在可以达到足够强度的前提下，应该采用最小水泥剂量，但最小水泥剂量≥4.0%;③优化改善集料的各种级配，尽量减少水泥的剂量，使水泥剂量≤6%。

(1)悬浮密实结构

通常该结构采用连续密级配，不同粒径骨料均匀分布。结构间有大量的细骨料，而粗骨料含量则相对较少，如图1分布。粗骨料之间孔隙很大，悬浮于细颗粒之中，基本没有接触，这样一来就形不成骨架。

研究人员通过三轴试验表明，虽然悬浮密实结构粘聚力很大，但是其摩阻角却很小，结构强度主要受粘聚力的控制，结构受到外部荷载时，很容易产生破坏。因此，抗收缩性能比较差，容易产生收缩裂缝，破坏结构的完整性。水泥稳定类基层集料级配范围如表1所示。

(2)骨架空隙结构

通常该种结构采用连续开级配，在结构里面粗骨料含量比较多，细骨料含量相对较少，图2就可以很好的反映这种结构的比例分布。

虽然骨架空隙结构可以勉强形成骨架，但是其残余空隙较大。内摩阻力决定结构强度，而粘聚力对结构强度影响不大。这种结构有较好的抗收缩性，但是由于其孔隙率很大，半刚性基层的耐久性依然会受到很大影响。骨架孔隙结构集料级配范围如表2所示。

(3)骨架密实结构

骨架密实结构与前两者相比具有强度高、抗裂性能好以及水稳性和抗冲刷性能好等优点。它是综合以上两种结构类型形成的一种相对最优结构。根据嵌挤原则和级配原则就可以解决集料的孔隙率和比表面积都很小的问题，嵌挤原则能够保证集料更加密实，以便提高其内摩阻力，而级配原则可以让基层混合料具有更高的粘聚力。下图3就可以很好的反映这种结构的比例分布。

水泥粉煤灰稳定类强度主要来源于集料颗粒之间的内摩阻力和粘结力。除了使水泥粉煤灰类混合料中的粗集料紧密排列形成良好的骨架结构以外，又用密实的水泥粉煤灰砂浆填满骨架间的空隙，从而把骨架连接成整体结构。骨架密实型水泥稳定类集料级配参考表如下表3所示，骨架密实型水泥粉煤灰稳定类集料级配参考表如表4所示。

(4)我国做过的水泥粉煤灰基层配合比

我国虽然对水泥粉煤灰稳定碎石基层已经有了一些研究，但是还是难以解决基层强度低、收缩大、裂缝不均等问题。目前，部分地区对水泥粉煤灰稳定碎石基层进行了一些工程应用，南九高速公路中基层混合料配合比设计为水泥∶粉煤灰∶集料=3∶17∶80;山东枣庄世纪大道中基层混合料配合比设计为水泥∶粉煤灰∶集料=5∶15∶85;河南洛阳西南环城高速公路中基层混合料配合比设计为水泥∶粉煤灰∶集料=4.5∶8∶87.5等。

(1)选择最佳材料

收缩性小、安定性好的道路硅酸盐水泥是最优选择。水泥的初凝时间≥3h，终凝时间≤6h。为了避免半刚性基层出现收缩裂缝，杜绝使用早强性、快硬性水泥，可以根据要求选择32.5或42.5的缓凝水泥。除此之外，粗细集料在公路工程的施工过程中除了按照相关施工技术规范控制其相应指标外，还需要控制其收缩系数，避免混合料含泥量过高造成半刚性基层后期收缩开裂，具体控制标准如表5所示。

(2)采用骨架密实型级配

悬浮密实结构细骨料含量较高，粗骨料被次级细骨料均匀分离，导致无法发挥其骨架嵌锁作用。水泥需要加大剂量以产生更大强度，但大剂量水泥又容易使得半刚性基层产生收缩开裂;骨架空隙结构有足够的粗骨料，但是其细骨料含量较少，施工中容易产生离析，并且该结构不容易碾压密实。因此，骨架密实结构综合上述两种结构级配的优势，是最为理想的结构级配类型，它是由粗骨料形成骨架，细骨料填充粗骨料的空隙，以此保证混合料的和易性，同时发挥骨架的嵌锁作用，提高水泥稳定粒料的强度。半刚性基层水泥稳定类基层设计指标如下表6所示。

(3)掺加适量粉煤灰

粉煤灰又叫“飞灰”，是火力发电厂排放的工业废渣。粉煤灰在没有利用之前都是当做固体废弃物处理，既不经济又污染环境。粉煤灰中含有的硅铝元素使得其具有火山灰反应性能，在水泥稳定类基层中能够有效改善混合料的和易性，降低拌合物的干温缩性能，有效地减少半刚性基层的收缩裂缝。室内试验研究和工程实例表明，在其他条件固定的情况下，掺加适量的粉煤灰，基层抗裂性能更好。

(4)掺加适量水泥

在《公路沥青路面设计规范》(JTGD50－2006)中对于水泥稳定类基层推荐的水泥掺加剂量为4.0%～5.5%，最大掺加剂量≤6%。同时研究也发现，水泥稳定类的水泥掺加剂量对干缩应变的影响也很大。水泥掺加剂量和干缩应变成正比关系，水泥掺加剂量越大，干缩应变也就越大，产生的收缩裂缝也就越多。

(5)增加半刚性基层的厚度

增加半刚性基层的厚度，既可以提高基层整体的抗拉强度，又可以减小行车荷载在半刚性基层上产生的拉应力，从而延缓裂缝扩展延伸的速度，降低基层收缩开裂。

(6)合理安排施工时间

安排半刚性基层施工的最佳时间是春秋季节，在这期间，日温差变化和水分蒸发量较小，有利于减少干(温)缩裂缝;最不利时间是夏冬季节，由于日温差变化较大，夏季太阳暴晒而失水形成较多干(温)缩裂缝，冬季冰冻天气又会产生冻融开裂。

(7)保证压实度

在基层混合料满足最大干密度和最佳含水量的条件下，严格控制机械碾压程序和压实遍数，以达到规定要求。底基层压实度≥97%，基层压实度≥98%。

(8)控制设计强度

半刚性基层中的水泥稳定类基层，一般在现场施工过程中控制其强度在3.5～4.5MPa。基层的整体性可以保证在其受到外力作用时产生的应变方向一致，避免内部受到剪切破坏。

(9)采用预锯缝

在半刚性基层上进行预锯缝，既可以控制裂缝的产生位置，避免其产生不规则的紊乱裂缝以至形成反射裂缝，又可以隔绝路面水通过基层裂缝进入土基，避免路面唧泥，有效减轻路面的后期破坏现象。

(10)采用预压裂技术

预压裂技术是半刚性基层中一种很有前景的新技术，在国外已经进行了大量的研究和实践工作，并且取得了较好的成绩。但是在国内半刚性基层的应用中却很少见到使用预压裂技术。其实它的工程施工方法很简单，没有多少复杂的工序。施工工艺就是在半刚性基层材料摊铺后1～3d的养生期内，用振动压路机碾压基层，最终使得基层形成网状裂缝。同时，在保证裂缝良好传载能力的前提下，减少反射裂缝的产生。

(11)加强养生

基层在机械碾压完成后要及时进行养生保护，防止水分蒸发形成的收缩。一般采用的方法为洒水养生，这样容易导致基层面忽干忽湿，引起胀缩循环而产生开裂。因此，最好采用薄膜或麻袋等覆盖式养生方法，以保持基层稳定的湿度。

半刚性基层收缩开裂是我国道路工程建设中一个亟待解决的课题，30多年我国来针对此类问题作出的研究成果对减轻基层开裂起到了举足轻重的作用。为了避免高速公路沥青路面产生大面积反射裂缝，以便更好地发挥其使用功能，使建成后的公路维持良好的运营状态，保持公路的服务质量并更好的服务于国民经济。研究人员针对水泥稳定类基层抗裂性进行了成功的组成设计研究，同时确定的水泥稳定类基层的施工工艺具有可操作性和适用性。在施工阶段，应该严格按照施工工序进行作业，确保其整体施工质量，避免后期路面面层产生大面积反射裂缝。国外颇有研究经验的预压裂技术对解决半刚性基层收缩开裂病害有相当大的实践经验，然而我国相关研究人员没有接触过这种技术，担心其对基层结构产生破坏，所以该技术在我国的推广就显得举步维艰。相信今后这一技术可以在国内开展起来，这样对于基层的开裂问题又有了新的应对措施。