无机结合料的开裂原因及解决措施
1.概述
由于半刚性基层具有强度高、水稳定性和冰冻稳定性好、刚性较大等优点，此外，半刚性基层材料板体性好，利于机械化施工且工程造价低，能适应重交通发展的需要，因而，我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层和底基层。目前我国90%以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用了半刚性材料，并且在我国今后高等级公路建设中，半刚性基层材料仍将成为路面基层的主要材料。
然而，随着半刚性基层沥青路面的大量应用，在实际使用过程中出现了不少问题，尤其是裂缝问题日益突出，并成为该结构的主要缺陷。国内已建成高速公路使用调查表明，通车后一年最迟两年均出现了大量裂缝。就目前的研究现状来看，引起路面开裂的原因有很多，有面层材料方面的、基层材料方面的、设计方面的、施工方面的以及环境方面的。深入系统地研究和探讨半刚性基层裂缝产生的具体原因并采取相应有效的防治措施，将有益于延长路面的使用寿命，使半刚性基层路面发挥其更好的使用性能，以适应我国公路事业迅速发展的需要。
2.无机结合料开裂原因
2.1 纵向裂缝形成的主要原因
1）地基原因
地基土天然含水量较高，在设计及施工时未做处理，在高填土后，由于地基承载能力的差别出现不均匀沉降，造成路面纵向开裂。
2）路基施工原因
如果土基施工时天气干燥，局部路堤填料土块粉碎不足，路基压实不均匀， 暗埋式构造处因构造物长度限制，路基边缘不能超宽碾压，致使路基边缘压实度不够，或者混合料摊铺时纵向施工搭接质量不好，都会造成纵向裂缝。
3）水的渗透破坏
中央分隔带、路表、边坡等渗水，使局部路基受水浸泡后承载力降低。在动静荷载的作用下，路基滑动产生裂缝，另外填料若为弱膨胀土，如施工中未做处理，渗水后含水量变化，也会导致裂缝产生。
4）沥青含腊量偏高 延度偏于下限，油层抗拉强度低，加之受当地资源的影响，出现公路两侧空、重载失调，路面长期在行车作用下形成裂缝。 2.2 横向裂缝产生的原因
1）失水收缩引起横向裂缝
干缩性裂缝有两种情况：一是水泥稳定碎石压实成型到正常养护期（一般为7d）的干缩；二是养护期满后到施工沥青封层或透层、摊铺沥青混凝土面层这段时间的干缩。基本上其机理是相同的，只是损害程度不相同。水泥稳定碎石压实成型到正常养护期（通常为7d）期间，因为混合料自身的水份和养护洒水的水分蒸发及其混合料内部水化作用发生的毛细管作用、分子间吸附作用力和碳化收缩作用等，造成在一定程度基层混合料体积趋向减小而收缩，形成拉裂的情况。这段时间的天气如果是正常的，气温变化不大，可称混合料（基层）从最佳含水量到较干燥的干缩过程为一次性干缩，其形成的裂缝是有限的。 从满基层养护期后到施工沥青封层或透层油、摊铺沥青混凝土面层之间，这段时间如果间隔的比较长，自然天气从睛到雨，从雨到睛，风吹日晒雨淋，基层料从“较干燥→饱水状态→较干燥→饱水状态”反复循环作用，水分反复的“蒸发、饱和、蒸发、饱和”，干缩过程多次重复，一定会造成基层拉裂严重的现象出现，在薄弱地方体现为裂缝，在多雨的地区这种破坏十分明显。结束养生之后，如果其上为沥青面层，应先对基层进行清扫，及时喷洒透层或粘层沥青、在清扫干净的基层上，也可先做下封层，以避免基层干缩开裂。
2）沥青及混凝土的温缩引起的裂缝
温缩性裂缝也说成是热胀冷缩产生的裂缝。万物都有热胀冷缩的性质，水泥稳定碎石基层等半刚性基层也有。水泥无机结合料不同的内部矿物颗粒构成的固相、液相和气相体，在温差作用下定将使其形成热胀冷缩的体积变化，从而产生温缩性裂缝。
因沥青是一种对温度变化比较敏感的粘弹性材料，温度下降时，沥青混合料逐渐变硬变脆，并发生收缩变形。当收缩拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度时，沥青路面表面就会被拉裂，并逐步向下发展，形成上宽下窄的横向裂缝。
3）差异沉降引起的横向裂缝 在软土地基与非软土地基交界处、软土地基处理方法变化处或构造物台背与路段交接处，因地基或路基与构造物差异沉降导致基层开裂，并反射到沥青面层，形成横向裂缝。
3.裂缝的处理措施
3.1 预防裂缝的处理措施
1）选择合格的材料
收缩裂缝是材料自身固有的性质，选择收缩性小的材料是十分关键的。所以，在设计半刚性路面的时候，首先基层粉粒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，在所有无机结合料材料中水泥稳定粒料和密实式石灰粉煤灰稳定粒米是收缩系数最小的材料，首先应该选用这两种材料作为沥青路面的基层。
2）无机结合料配合比的调整 （1）级配的控制
传统型无机结合料级配为悬浮密实型，完成碾压后表面相对比较密实、光滑，然而用水量会增大，且承重能力主要依靠水泥与集料结合的强度。实践证明，无机结合料基层级配参考利用沥青SMA骨架密实结构是合理的。这种结构主要通过粗集料形成嵌挤结构，细集料进行缝隙填充。其中4.75mm 以上的颗粒组成占70%～75%，细集料占其中的比例较小，这种级配使得整体的需水量减小，成型以后物理和化学反应引起的水分损失相对较小。
（2）水泥剂量的控制
依据我国当前水泥的生产工艺，特别在2009 年以后普通硅酸盐水泥细度用比表面积法代替筛分法后，水泥细度有了进一步的提高。水泥越细，水泥需水量越大，无机结合料中在符合设计强度的前提下，尽可能减少水泥剂量，不管对经济效益还是工程质量都很必要。当前无机结合料采用震实成型的方法成型试件，可以很好地模拟现场施工，在要求设计强度为4.5MPa 的无机结合料配合比中，水泥剂量为4.0～4.5%可符合要求。水泥剂量增大必将造成用水量增大，自由水分损失后很可能发生基层开裂现象。水泥品种采用缓凝低标号水泥，强度不宜太高。
（3）用水量的控制
基层裂缝主要是成型后的水分损失和温度变化。因此在尽量降低的用水量情况下来防止基层裂缝是很好地措施。无机结合料配合比设计时在符合设计要求的前提下尽可能减少最佳用水量是最重要的课题，通过施工总结中来看，最佳用水量控制在4.3～5.0%为合适的。
3）施工温度控制
半刚性基层温缩的最不利季节为温度在0～10℃时，也就是春初和秋末，施工温度应控制在10℃以上。施工时温度的控制是有效避免半刚性基层产生裂缝的有效措施。平均温度低的低温施工，半刚性材料以温缩为主。平均温度高的高温季节施工，半刚性材料以干缩为主。半刚性材料基层一般在高温季节修建，成型初期基层内部含水量大，且尚未被沥青面层封闭，基层内部水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存在昼夜温度差，因此，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用，必须控制修建时的最低温度，以强度的增长抵抗干缩和温缩的影响来减少或避免裂缝，同时还必须注意养生保护。
4）控制施工碾压时的含水量和压实度 半刚性基层混合料运输到施工现场后，应及时碾压，避免基层混合料在摊铺、整平、碾压过程中失水过多，得不到应有的压实度。混合料的含水量根据施工现场气候条件，一般控制在比最佳含水量高1%～2%。
5）加强养生及交通管制
半刚性基层碾压完成后，要及时养生，确保表面湿润，不得时干时湿。在气温较低时，必须保证在气温比较温和的状况下养生15 天以上。若施工现场水源不足，必须对养生期内的基层加以覆盖保湿。在养生期内，强度达到要求之前，必须严格控制非施工车辆通行。为了缩短控制交通时间，可在基层混合料中掺入1%～2%水泥，提高其早期强度。养生结束后，要及早铺筑面层，使基层含水量不发生大的变化，以减轻干缩裂隙。
6）半刚性基层预切缝
铺筑沥青面层之前，先在半刚性基层表面横向切缝，间距8～15m，缝的深度为基层厚度的2/3，缝的宽度为5～12mm。然后在切缝中灌入沥青，上铺土工织物宽100cm，可以极大的减少反射裂缝的产生和路面的裂缝数量，并使裂缝顺直美观。对基层采用预切缝处理的措施来减小基层的“相对长度”，以此来减小基层内部累积的温缩、干缩应力效应，并可削弱基层的约束条件。但应注意预切缝的间距、深度等尺寸参数，应通过试验和实际情况确定。预切缝间距越小，接缝越多，不仅增加施工的复杂性，而且影响路面的整体强度。但是，预切缝过长也会带来一些问题，如温度翘曲应力增大，干缩、温缩引起基层的伸缩量大，增加基层开裂的可能性等。由于在荷载和环境因素作用下的基层预切缝缝隙处的沥青面层易产生应力集中，因此还要对预切缝处预先处理 (如用乳化沥青填缝、在切缝处铺设一定宽度的防水油毡或土工织物等)，这样可使预切缝“停留”在基层而不会反射到面层，即使产生反射裂缝，也比基层自由开裂而产生的反射裂缝规则。此外，也可以在基层施工过程中人为地制造微细裂纹，以此降低基层收缩性，同时，使水硬性结合料稳定基层内的均匀细裂缝有好的传荷能力。
7）设置应力吸收中间层
在沥青面层与半刚性基层之间加铺一层弹性模量低、韧性较高、能承受较大应变而不破坏的材料，该层成为上、下接触面间的弹性联结，由于此弹性联结，面层和基层间可以错动而不承受由于基层移动造成的应力，使基层裂缝向上反射而产生的结构应力可以在该层的界面上被消散，从而吸收半刚性基层的收缩应力或应变。该应力吸收中间层在国外称之为SAMI，在国内外工程中尝试最多的是将高掺量的橡胶粉沥青、低稠度沥青混凝土、开级配沥青混凝土底层、级配碎石、土工织物、预制纤维膜布等作为应力吸收中间层。应力吸收中间层对减缓反射裂缝的产生与扩张有明显的效果。可使裂缝处相对位移产生的应力传到面层时大为减少，明显减弱裂缝尖端应力的奇异性，降低应力强度因子，并且使基层裂缝向上反射而产生的结构应力在中间层的界面上被大大削减，从而不至于引起沥青面层开裂。此外，国内外也有采用沥青稳定碎石作为中间层的，其可以防止或减少反射裂缝，但是沥青稳定碎石亦具有较高的模量，特别是在低温下，半刚性基层裂缝尖端的集中应力仍会使其开裂进而引起沥青上面层的开裂，反射裂缝亦不能避免。法国开发的抗裂缝薄膜，是一种改性沥青薄膜，其上铺一层含纤维的冷拌沥青混合料，置于有裂缝的基层和沥青混凝土面层中间，该技术己在法国高速公路上广泛应用。
有些应力吸收中间层，如橡胶粉沥青中间层和浸透沥青的土工织物中间层等，还可防治路表水透入路面半刚性基层和土基，起到隔水的作用。此外，级配碎石中间层本身还是很好的隔温层，可减小基层中的温度梯度和基层顶面的最低温度，使得基层中的温度应力小于材料的抗拉强度，从而减轻半刚性基层的温缩，减少裂缝的产生。除在上述三方面采取措施外，在设计时还应考虑车辆超轴载数值、车辆冲击力、车辆制动力等，适当增加半刚性基层的总厚度，确保路面具有足够的承载力，避免半刚性基层在车辆荷载作用下产生早期荷载型裂缝。
8）选用SMA混合料做面层
对高速公路等承受繁重交通的重大工程，宜采用改性沥青和A 级道路石油沥青拌制的SMA混合料做面层，提高路面面层的抗裂性能。 3.2 出现裂缝后的治理措施
（1）可采用聚合物加特种水泥压力注入法对水泥稳定粒料的裂缝修补。 （2）加铺高抗拉强度的聚合物网。
（3）破损严重的基层，应开挖维修原破损基层整幅，不应横向局部或一个单向车道开挖，以防止板边受力产生的不利影响，通常最小维修长度为6m。维修半刚性基层所用材料也应是同类半刚性材料。
（4）对于轻微网裂可用玻璃纤维布罩面，对于大面积的网裂常加铺乳化沥青封层或在补强基层后，再重新罩面，修复路面。另外，块状龟裂也可以用加热墙法再生利用原沥青修补。
4.结论
高等级公路半刚性基层沥青路面开裂的成因，既有行车荷载方面的因素又有沥青面层和半刚性基层材料方面的因素，既有设计方面的因素又有施工方面的因素。对于较厚面层路面，沥青面层自身的温缩裂缝是主要的，考虑到工程造价的因素，我国高等级公路目前沥青面层都较薄，因而，怎样减少由半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的反射裂缝和对应裂缝便成为减少整个路面裂缝的关键。
实践表明，采用优质的沥青混合料和抗拉强度高且干缩系数、温缩系数小的半刚性基层材料，必要时在半刚性基层与面层之间设置合适的应力吸收中间层，同时保证施工质量对预防高等级公路半刚性基层沥青路面裂缝的产生有较好的效果。
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