水泥稳定碎石基层的抗裂性能探讨

张新平

(福建省第一公路工程公司)

1 水泥稳定碎石基层硬化收缩

1.1 原材料选择

(1)在实际工程施工中，路面基层集料要求较为宽松，承包商普遍存在选用材质较差的石料问题，而水泥剂量又是由水泥稳定碎石试件7 d 无侧限抗压强度标准决定的。如此施工单位只能增加混合料中水泥剂量，以满足设计要求。而高水泥剂量必产生高水化热，增加因此产生的收缩形变。因此必须提高集料标准，以减低水泥用量，达到提高强度减缓开裂的目的。本项目采用的碎石的最大粒径为31.5 mm，按粒径19～31.5 mm，13.2～19 mm，4.75～13.2 mm 和0～2.36 mm 四种规格备料。对于粗集料，制定了严格的检验标准，要求进行级配检验±10;针片状含量≯13%和压碎值检验≯28%。

(2)细集料采用石料厂加工的水洗砂，且进行液限和塑性指数试验，要求液限小于28%，塑性小于6%，有机质行列不宜超过2%。细集料含量偏多或石粉中性指数偏大，含泥量高均能导致收缩应变大，容易开裂。因此必须确保细集料洁净且含泥量少。

(3)本工程使用的是32.5 普通硅酸盐水泥，选用初凝时间3 h 以上，终凝时间不小于6 h，不得用快硬水泥、早强水泥、以及受潮变质的水泥。夏季施工时，散装水泥入罐温度不得高于50°，否则应采取降温措施。

(4)粉煤灰作为一种工程材料加入水泥稳定级配碎石中，能够起到节约水泥、改善拌和物的和易性、减少干缩率，提高后期强度、降低模量、提高极限拉伸应变，增强抗渗性、耐久性等功效。粉煤灰选用符合规范要求，本项目采用公司过往成功经验，在配置粉煤灰掺量时依据5%进行比例进行掺配。

1.2 水泥稳定碎石配合比比选

本项目在进行配合比设计时参照《公路沥青路面设计规范》JTJD50－2006 中规定的悬浮密实级配和骨架密实结构这两种类型级配，水泥剂量二者级配表如表1 所示。

表1 水稳碎石混合料的级配范围

1.3 抗裂水泥稳定碎石强度验证

由于本项目是国道改造项目，交通量大，轴载较重，而水泥稳定碎石中水泥剂量又是影响其开裂的重要因素，因此本项目采用优质花岗岩碎石材料，确保7 d 无侧限抗压强度不小于3.5 MPa，根据《公路路面基层施工技术规范》JTJ034－2000 要求，本次水泥剂量分别按3%，3.5%，4%，4.5%四种配比进行试验，两种级配7 d 无侧限抗压强度对比试验结果如表2。

表2 两种级配7 d 无侧限抗压强度对比表

根据初始目标7 d 不小于3.5 MPa，并考虑到施工过程中实际使用效果，存在较大的不定性，又能尽可能降低混合料中水泥比例，则以上方案中水泥含量4.0%骨架密实结构级配方案较优。从材料组成来看，骨架密实型的材料温缩系数也比悬浮型较小。

2 水泥稳定碎石基层干燥收缩

经本项目水泥稳定碎石铺筑试验段总结中得出，水泥稳定碎石在施工完成后后，由于材料直接暴露在空气中，均不同程度的发生材料表面水分散失产生的塑性收缩以及材料中水分向外扩散的干燥收缩。当变形在土基的约束下，产生的应力超过材料本身强度，则材料将逐渐产生开裂。

水泥稳定碎石基层强度在形成过程中，需要大量的水分，若养护不及时，很容易发生干缩裂缝。在本工程项目中，水泥稳定碎石基层施工后均采用土工布覆盖洒水养生，养生时间尽可能达到7 d，以保持基层表面始终潮湿，基层材料先由其空隙中存在的自由水率先蒸发，而后材料中的毛细水、结合水才开始逐渐散失，至失水速度慢慢趋于稳定，其早期强度基本形成，经观察发现因交通特殊情况相比提前结束养生的基层施工路段，养生饱水时间达到一周时间的，其未产生一条干缩裂缝，仅发现1 条细微裂缝，而提前结束养生的发现7 条裂缝。

总结得知，随着暴露时间的增加，其失水率也逐渐增加，特别是头几天，失水率增长特快，而正是由于材料中毛细水结合水散失后导致材料收缩变形加速，造成干缩裂缝(干缩应变与失水率关系图见图1)，此时若能养护到位，饱水及时，将保证基层材料的早期强度，从而减少裂缝的形成。另外由于拌和不确定性因素产生含水量个别不同路段，相比施工时含水量高的基层路面，含水量低的路面其裂缝少，干燥收缩少，所以在保证材料其他性能满足规范要求的情况下，尽可能减少初始含水量也是有利于材料产生的干燥收缩的。而悬浮密实结构级配相比骨架密实级配其细集料含量偏大，致使其含水量偏大，也较容易产生干缩，故采用骨架密实级配优于悬浮密实级配。

图1 干缩应变与失水率关系(千分尺法)

3 水泥稳定碎石基层温度收缩

水泥稳定碎石在水泥水化过程中，需要大量水分且产生热量，因此水泥稳定碎石施工后在养生期间，表面迅速干燥，即使遭受强冷空气，也会迅速吸收表面水分，使表面迅速干燥，只需加强洒水养生即可。因此在夏季时温度高，材料又处于膨胀状态，成型初期内部含水量大，且尚未被沥青面层封闭，此时水分散失较快，从而发生由表及里的收缩，容易导致路面基层产生干燥收缩裂缝，而在冬季低温下施工水泥稳定碎石不但没有损害质量，而且还能减少裂缝的产生。

根据本项目的施工组织需要须在夏季施工临时便道和年底时施工永久水泥稳定碎石基层，在施工期间，均有组织相关施工人员进行质检，并从夏季在标准养生温度(25 ±2 ℃)和冬季标准养生温度(10 ±2 ℃)进行对比，得出高温和一定的湿度对水泥稳定碎石强度的形成时有利的，而在10 ℃低温养生条件下是其最大干缩应变，又明显低于高温时，说明低温是有利于减小基层的温缩变形的。另外前后两次对比，向水泥稳定碎石中添加适量的粉煤灰后，不仅有利于补充材料的后期强度不足问题，而且能够避免材料在温度变化条件下产生的剧烈形变，可以明显的减小材料的温缩系数。而现场实际两次施工进行对比后也发现夏季施工水稳层所产生的裂缝远多余冬季施工。综上所述，在低温条件下施工基层有利于减少产生收缩裂缝。

4 结 论

(1)从材料本身角度来说，为满足强度标准，应提高石料标准，降低针片状含量，控制细集料含量，尽可能减少含泥量。

(2)水泥剂量对硬化开裂和干缩开裂的影响是非常显著的，水泥剂量的增加将导致基层裂缝数量大大增加，因此只要在满足足够的设计强度前提下，应尽可能减少水泥剂量。

(3)降低初始含水量，养生要及时，特别是第一周，保证材料湿度，以减缓因材料中毛细水结晶体等水分散失时引起的材料收缩变形。

(4)低温条件下养生、施工有利于改善水泥稳定碎石基层材料的抗裂性能。

［1］沙爱民.半刚性路面材料结构与性能［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［2］覃勉，原杰斌.抗裂型水泥稳定碎石基层施工的质量控制［J］.交通标准化，2010.

［3］交通部公路科学研究所.公路沥青路面施工技术规范(JTJF40－2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.