国内外关于减小半刚性(无机结合料稳定材料)基层沥青路面 收缩裂缝的措施和方法

第一篇：国内外关于减小半刚性(无机结合料稳定材料)基层沥青路面 收缩裂缝的措施和方法

《高等筑路材料》结题论文

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2013年10月

国内外关于减小半刚性（无机结合料稳定材料）基层沥青路面

收缩裂缝的措施和方法

摘要：无机结合料稳定材料基层常被称为半刚性基层，为我国目前使用最广泛的路面基层类型。但无机结合稳定材料基层存在着一个较大缺点：因其本身容易产生收缩裂缝，故使路面形成反射裂缝。该文通过分析无机结合料稳定材料收缩裂缝的成因，介绍了国内外关于减少无机结合料稳定材料收缩裂缝的措施方法，以及这些措施的效果和发展趋势，为实际工程提供参考。关键词：无机结合料稳定材料；半刚性基层；收缩裂缝；

绪论

从 80 年代至今，经过“六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目的研究，半刚性基层沥青路面成套技术逐渐形成，成为我国高速公路的主要结构形式。现在我国已建成的高速公路 95%以上都是半刚性基层沥青路面，可以毫不夸张地讲，我国高速公路的发展史就是半刚性基层沥青路面的发展史。

在我国高速公路取得巨大成就的背后，我们应该清醒地看到与发达国家相比我们的高速公路尚处于较低的层次。前几年由于受规范的限制和对规范理解上的偏差，盲目追求半刚性基层高强度、高模量，同时为追求取芯的过分完整和密实，拼命加大水泥剂量、增加细料含量，造成以悬浮结构、重型击实成型为主的水泥稳定碎石基层裂缝严重。

无机结合料稳定路面在前期具有柔性路面的力学特性，当环境适宜时，其强度和刚度会随着时间的推移而不断增大，而且无机结合料稳定路面还具有稳定性好、抗冻性强、结构自身自成板体等特点，因此在我国无机结合料稳定材料已广泛用于修建公路路面基层或底基层，但不足之处是抗变形能力差，对于温度和湿度的变化比较敏感，在其强度形成的过程中，以及运营期间会产生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝。而且，在交通荷载的作用下，这种收缩裂缝会扩展到沥青面层而形成反射裂缝。其结果是破坏了路面的连续性和整体性，影响了路面的使用效果，更为严重的是裂缝的存在使得路表水有可能通过裂缝渗入到土基中，从而影响路基的强度和稳定性，导致路面的早期破坏。

1.什么是半刚性基层？

在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的无机结合料(包括水泥、石灰或工业废渣等)和水，经拌合得到的混合料在压实和养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料，以此作为路面基层即称为无机结合料稳定材料基层。由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，常称此为半刚性材料。因此也将无机结合料稳定材料基层称为半刚性基层。

2.产生收缩裂缝的原因？

无机结合料稳定材料基层收缩裂缝分为干缩裂缝和温度裂缝，它属于非荷载型裂缝。(1)干缩裂缝

所谓干缩裂缝是指由于基层中的水份变化，而使材料产生收缩的现象。无机结合料稳定材料经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起半刚性材料产生体积收缩。例如石灰土、水泥土或水泥石灰土基层碾压结束后，如果不及时养生或养生结束后未及时铺筑面层，只要太阳暴晒，就可能出现干缩裂缝。随着暴晒时间增长，裂缝会越来越严重，将基层切割成数平方米大小的小块。即使是干缩性小的二灰稳定粒料和水泥稳定粒料基层，在养生结束后，如果暴晒时间过久，也会产生间距为5～10m的横向裂缝。干缩裂缝主要是横向裂缝，也有少数纵向裂缝，缝顶宽约0.5～3mm。如果面层是沥青层，这种裂缝会向上反射，并导致沥青面层形成反射裂缝。因此，提前采取措施防止无机结合料稳定基层开裂是个十分重要的问题。无机结合料稳定材料基层产生体积干缩的程度或干缩性(最大干缩性应变和平均干缩系数)的大小与下列一些因素有关：材料种类、结合料的含量、被稳定料的物理特性和矿物成份、含水量和龄期等。(2)温度裂缝

无机结合料稳定材料是由固相(组成其空间骨架的原材料的颗粒和其间的胶结构)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相（存在于空隙中的气体)组成。半刚性材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用，使半刚性材料产生体积收缩，即为温度收缩，从而形成裂缝。温度裂缝则主要包括低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝两种。低温收缩裂缝是指随着冬季大气温度的下降，路面温度也随着下降，这时基层材料开始收缩，而由于基层在路面结构中处于面层与底基层之间，由于面层、基层、底基层的收缩不一样，上下受到约束，当气温下降到一定极限时，基层材料中的拉应力或拉应变一旦超过材料的抗拉强度或极限抗拉强度时，而引起基层的开裂，温度收缩裂缝主要是横向的。而温度疲劳裂缝主要发生在太阳照射强烈、日温差大的地区，在这种地区，基层白天温度与夜间温度之差相当大，在基层中产生较大温度应力，这种温度应力日复一日地反复作用在基层中，使基层产生疲劳开裂，由此产生的裂缝称为温度疲劳裂缝。不同材料的无机结合料稳定材料基层的温缩性质差异很大，粒料越细温缩性越大。半刚性基层养生后，若能及时铺上沥青面层，特别是较厚的沥青面层，一般不会产生温缩裂缝。值得注意的是，要避免温缩和干缩的同时发生、互相加强。

3.减少无机结合料收缩裂缝的措施和方法

(1)南昌市城市规划设计研究总院的孔健提出如下建议。

针对无机结合料稳定材料基层的收缩裂缝，目前主要采取以下措施：(1)选择收缩性小的材料。在进行半刚性路面设计时，首先应该选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小的和抗拉强度高的材料做基层。粉粒f小于0．075mm含量少的粒料的抗冲刷性最好，水泥稳定粒料和密实式石灰粉煤灰稳定粒料是所有无机结合料材料中收缩系数最小的材料，应该首先选用这两种材料做沥青路面的基层。

(2)在采用水泥或石灰粉煤灰稳定粒料(土)做沥青路面的基层时，应尽量采用不含塑性细土的级配粒料。如果天然粒料土中含有过多的塑性细土，应筛除部分塑性细土或掺配粗集料，使其含量减到最小，以减小结合料稳定混合料的收缩性，使结合料稳定粒料基层可能产生的收缩裂缝减到最小。

(3)采用合适的无机结合料稳定材料基层混合料配合比设计。

a．保证粗集料含量。混合料中粗集料含量在65％以上时，能有效减少收缩裂缝的产生。

b．使用骨架密实结构矿料的级配，密室因其碎石处于骨架结构，而其骨架中间用密实的小碎石填充，大小碎石间用结合材料粘合，这样材料的抗温度(或抗干燥)收缩性能都比较好采用合适的配合比设计。

(4)为保证收缩裂缝不呈现最大值，应尽可能考虑在温差较小的条件下施工无机结合料稳定材料基层。对于无机结合料材料尤其是无机结合料材料温差的控制，主要考虑三个特征值：半刚性基层施工时的温度、基层材料最高温度、最终温度或外界气温，除了从无机结合料稳定材料基层原材料、配合比等方面降低水化热温升之外，其它降低温差的措施还有：

a．水泥、水及砂石等原材料在夏天施工时应有一定的遮蔽措施，防止阳光直接照射使无机结合料稳定材料基层原材料的温度过高。

b．充分利用某些天然条件，如利用夜间或有利的低温季节进行无机结合料稳定材料基层的施工以降低施工时温度。

c．在拌和无机结合料稳定材料基层时可以采用冰水或掺冰以及预冷骨料等以降低施工时温度。

d．无机结合料稳定材料基层碾压完毕，表面应覆盖一定保温材料，以减少半刚性基层内外温差，防止基层材料温度的骤然变化及水分的迅速挥发。

(5)计量准确。基层施工中必须严格按试验确定的结合料剂量进行控制，计量一定准确。

(6)拌和均匀。施工中剂量不仅要计量准确，而且要拌和充分、均匀，不出现灰条、灰团和花面，混和料色泽一致。

(7)无机结合料稳定材料基层有一共同特性，就是其干缩应变随混合料的含水量增加而增大。施工碾压时的含水量愈大，结构层愈容易产生干缩裂缝，因此，施工中要严格控制压实含水量，不允许洒水车在工作面上停车或调头，防止洒水不匀。由于在最佳含水量下压实的基层材料，具有较大的收缩变形，所以应在小于最佳含水量下压实成型。当含水量为最佳含水量的0.85～0.95倍时，施工的压实成型并不困难，还可减少收缩裂缝。

(8)采用乳化沥青封层保湿养生。基层成型后，采用洒水养生，很容易使含水量骤高骤低，增加缩裂的可能。采用乳化沥青保湿养生可使含水量变化均匀，防止收缩裂缝的产生。

(9)对于有较厚沥青面层的无机结合料稳定材料基层，如果在施工过程中保证在铺筑沥青面层之前基层不产生收缩裂缝，在路面使用过程中，沥青面层内的裂缝将是沥青面层本身的温度裂缝，由基层裂缝引起的反射裂缝所占比例将很小，甚至没有，即可以减少沥青面层内的裂缝总数。因此，施工过程中保证无机结合料稳定材料基层不产生收缩裂缝，应作好基层的初期养护。

a．无机结合料稳定材料基层碾压完成后，要及时养生，保护混合料的含水量不受损失，决不能让基层曝晒变干开裂。

b．无机结合料稳定材料层碾压完成后最迟在养生结束后，应立即喷洒沥青乳液，做成透层。

c．透层完成后，应尽快铺筑沥青面层。透层虽有一定的保温保湿作用，但时间稍长，无机结合料稳定材料混合料的水份也会损失并产生干缩裂缝；在温差大的情况下，无机结合料稳定材料基层也可能产生温缩裂缝，为了保护基层不产生收缩裂缝，必须在5～10d内铺筑沥青面层。

(10)在一般道路上，无机结合料稳定材料基层上的沥青面层较薄。在这种薄或较薄的沥青面层下，即使在铺筑沥青面层前，无机结合料稳定材料基层没有开裂，在铺筑沥青面层后，基层也难于避免会产生干缩裂缝（特别在干旱地区)和温缩裂缝(特别在冰冻地区)或干缩与温缩的综合裂缝。因此，对于这种半刚性基层薄(或较薄)沥青面层结构，应在无机结合料稳定材料基层碾压完成后，按施工规范进行养生。养生结束后，在基层顶面喷洒透层沥青，尽可能先做个下封层，然后开放交通半月以上(开放交通的时间尽可能长些)，待无机结合料稳定材料基层的收缩裂缝完成后，再铺筑沥青面层，这样可明显减少反射裂缝。

(11)设预留缝。在无机结合料稳定材料基层中每隔一段距离设一道收缩缝f基层成型后，用混凝土切缝机切割即可)，能起到较好的止裂作用，缝的间距将随所用半刚性材料类型、沥青质量和当地气温条件而变，具体需要通过试验路确定。一般情况下，间距为8～12m。如在预留缝上铺一幅宽3m的玻璃纤维布效果更好。[1]

(2)国内外学者还提出了以下的解决方法：

1．长安大学蒋应军在水泥稳定碎石收缩裂缝防治研究中提出骨架密实结构的水泥稳定碎石混合料，通过研究得出如下结论：

水泥稳定碎石混合料的干缩主要是通过毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、层间水作用及碳化收缩作用四个过程引起的宏观体积收缩。其干燥收缩值与材料刚度成反比，与含水量成正比。同样材料组成下，用粉煤灰代替一定量的水泥可以改善水泥碎石混合料的路用性能。

2．长安大学张嘎吱等进行了“考虑抗裂性的水泥稳定类材料的配合比设计方法研究”，得出如下结论：

相同级配的水泥稳定碎石混合料存在一相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量。水泥稳定类材料干缩率随含水量变化是一近似抛物线的发展过程。水泥稳定碎石混合料中0.075mm 以下的细集料含量越多，混合料抵抗收缩能力越差。水泥稳定类材料整体级配越细，干燥收缩越大；级配接近于悬浮结构，干缩性越大，且干缩破坏主要发生在早期。

3．长安大学杨红辉等进行了。水泥稳定碎石抗裂机理及评价方法。的研究，得出研究成果如下：

应用均匀试验研究了水泥、膨胀剂及纤维等对水泥稳定碎石混合料抗裂性能的作用规律。试验表明，水泥含量对混合料的路用性能具有显著影响，水泥含量越大，水泥碎石混合料抗裂能力越差。膨胀剂提高了水泥碎石材料的强度和刚度，能有效抑制水泥稳定碎石混合料产生早期干燥收缩裂缝。

4．江苏省交通科学研究院进行了“水泥稳定碎石抗裂设计方法”的研究，得出如下研究成果：

过高的水泥用量会导致抗裂能力的下降。室内研究表明适量的外加剂能显著降低水泥稳定碎石混合料的干缩应变。混合料级配过粗（4.75mm 通过率 29%）时基层弯沉值较大，级配较细（规范中值）时由于细集料偏多容易导致裂缝，因此建议集料级配宜控制 4.75mm 通过率为 34%左右。

5．长安大学李美江等通过“道路材料振动压实研究”采用振动成型方式对水泥稳定碎石材料进行了初步研究，得出如下研究结论： 水泥稳定碎石混合料振动压实时响应频率在35Hz左右，最佳振幅在1.3mm－1.7mm之间。振动压实成型方式极大的提高了试件的抗压强度，而混合料最大干密度提高相对较小。对级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石混合料，静面压力、激振力等振动参数对达到标准震实状态所需的振动时间影响很大。

6．美国 K.P.乔治等人研究了水泥稳定土的干缩特性，并论述了影响水泥稳定土收缩的因素：

在其它条件相同的情况下，土中粘粒含量愈多水泥稳定土收缩能力越强。试件含水量越大，试件干缩应变越大，所以在基层施工中要严格控制含水量。密实度越大，试件干缩应变越小，故而减小基层开裂可以用增加压实功能来改善。[2]

7.针对基层材料本身的抗裂措施，实际上就是采取措施减小半刚性材料的收缩性能，增强其抗拉性能，可以通过掺加添加剂或者是加筋材料来限制其收缩，也可以通过改善半刚性基层材料各组成成分的性能来增强基层的抗裂性能。

（1）在半刚性基层材料中掺入短纤维可有效地提高稳定土的抗裂性能，苏州科技学院的董苏波等人对玻璃纤维二灰稳定碎石的强度和刚度进行了试验，结果表明，玻璃纤维可提高二灰碎石半刚性基层的强度，降低其刚度，并且可有效改善二灰碎石基层的韧性。

（2）长沙交通学院的陈哗在试验的基础上探讨了聚丙烯短纤维增强二灰稳定土的性能，而徐剑则通过在水泥稳定土中掺加格网碎片来增强基层的抗裂性能。

（3）在日本，用水泥和特殊沥青乳剂综合稳定使水泥与沥青混合以防水分的蒸发，而沥青乳剂中的水分则供给水泥硬化，使收缩系数随沥青剂量的增加而减小。

（4）长安大学的戴经梁和蒋应军等通过大量试验认为，改善半刚性材料的级配，采用骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增强基层的抗裂性。对于组成半刚性基层的材料来说，诸多的研究都表明:在满足设计强度的基础上限制水泥用量，并且尽量选用低标号、水化热小、干缩性小的水泥，适当加入缓凝减水剂、缓凝阻裂剂、减缩剂等外加剂，为提高后期强度，减少收缩裂缝可用粉煤灰代替部分水泥剂量等。

（5）在我国高等级公路基层稳定材料中，二灰稳定粒料要比水泥稳定粒料抗收缩开裂能力强，而且，能大量利用工业废料(粉煤灰)，经济性好，因而应用非常广泛。但是，由于二灰稳定粒料早期强度低，施工进度受到限制，且表面松散，不利于层间结合，逐渐被水泥稳定粒料基层所代替。

8.在基层施工中所采取的一个重要的防止裂缝产生的措施就是对基层采取预裂措施，在沥青面层铺筑之前，人为地制造规则的裂缝或不规则的裂纹网。

（1）德国1986年新规范规定，当沥青罩面层的厚度小于或等于14cm时，不管基层厚度多大，只要基层抗压强度超过12MPa，基层必须预先切纵缝和横缝。

（2）前苏联有关规范指出，为了减少裂缝的破坏作用，避免薄沥青面层下水泥稳定土基层产生不规则的裂缝反射到沥青面层上，建议基层每隔8一12m做一假缝，缝深6一8cm，缝宽10一12mm。锯缝后立即用沥青马蹄脂填缝，并对沥青面层产生的规则且较整齐反射裂缝也采用沥青马蹄脂填缝。目前，在我国该工艺已得到广泛应用，许多实际应用的工程实例都表明此项工艺对防治半刚性基层的收缩裂缝确有成效。许多研究者针对不同半刚性材料基层设置预剧缝的计算以及具体工艺过程都进行了一定的研究探讨。

9.国外很多学者认为微细裂缝的传荷能力好，会大大减轻甚至完全消除宽缝的出现，如捷克斯洛伐克在水泥稳定材料硬结过程中，用反复碾压的方法人为地创造微细裂缝网;科威特在新铺的水泥土基层上用重型钢轮压路机碾压，故意使水泥土基层预先开裂。基层的施工质量是决定基层是否开裂的关键，要保证基层有足够的压实度，严格控制基层的含水量，并且为降低温差适当安排基层施工的[3]季节和时间。

4.结论

以上就是国内外关于减小无机结合料稳定材料基层沥青路面收缩裂缝的措施和方法。虽然无机结合料稳定材料基层沥青路面因容易产生裂缝而限制其广泛应用。但是，在设计合理、施工质量保证前提下，采用一些措施和方法可有效地减少无机结合料稳定基层的裂缝产生。

参考文献 【1】 孔健；减小无机结合料稳定材料基层沥青路面收缩裂缝的措施和方法[J]；城市道桥与防洪；2011年01期

【2】 张红春；半刚性基层沥青路面综合抗裂技术研究[D];长安大学；2008年 【3】 张鹏；高等级公路半刚性基层材料的抗裂性能研究[D];大连理工大学；2007年