水稳碎石基层裂缝的成因和防治措施

蔚 佳 伟

(太原市市政公用工程质量监督站，山西 太原 030012)

0 引言

水泥稳定碎石基层施工是以级配碎石作骨料，将级配碎石与水泥灰浆按照一定的配比进行施工，通过摊铺振捣进行压实的施工方式。水泥稳定碎石基层具有稳定性强、强度高、施工方便、水稳性好、板结性能高等优点。但是水泥稳定碎石基层的热胀性能较差，基层整体的延展性能差，外界环境(温度变化、湿度变化)的变化容易在水稳基层内部产生微裂纹，微裂纹通过长时间的生长成裂缝，继而裂纹逐渐扩展到路面形成裂缝，最后形成混凝土路面的初期破坏，导致道路的力学性能和使用性能大幅下降。

本文针对西中环南延(西中环—姚村连接线)道路工程，道路全长约1 345 m，该道路设计的行车速度为80 km/h，路基宽14 m，路面宽14 m。路面基层结构由细粒改性沥青混凝土、粗粒改性沥青混凝土、水泥稳定碎石和水泥灰浆组成。水稳基层在摊铺振捣施工15 d后，出现多条横向裂缝和纵向衍生微裂纹。本文就水稳碎石基层裂缝成因及防治措施进行分析探讨。

1 水稳基层裂缝分布

本文针对西中环南延道路工程水稳基层产生的裂缝现象，对水稳基层的裂缝分布及开裂程度进行研究。现场施工看出横向裂缝沿道路方向呈规则分布，裂缝间距一般为7 m～15 m。图1给出了路面水稳基层横向裂缝和纵向微裂纹的示意图，横向裂缝宽度约为1 mm～6 mm，部分横向裂缝已贯通上基层为20 cm，且在纵向衍生出许多微裂纹，该微裂纹也可以逐渐扩展为裂缝。

2 水稳基层裂缝产生的原因

水泥稳定碎石基层施工是以级配碎石作骨料，将级配碎石与水泥灰浆按照一定的配比进行施工，通过摊铺振捣方式进行压实的施工方式。水稳基层经过一段时间的养护可以达到预期的强度和刚度，但是在这种半刚性结构形成的过程中，裂缝也逐渐形成，根据施工线程的调查和研究，得到水稳基层裂缝产生的原因主要包括以下几个方面：

1)养护不及时。水稳施工过程中，养护是施工中的一个重要环节。如果养护不及时，会造成水稳基层的干缩。混凝土内部会发生水化反应，水化反应释放的热量会加速水稳基层表面的吸附水的蒸发，水稳基层内部的颗粒分子的分子作用力增加，导致颗粒分子之间的距离逐渐减小，整体上造成混凝土的干缩，混凝土内部的压缩应力会促进基层裂纹的产生和扩展。

2)水稳材料不均匀。水稳基层施工过程中容易产生水稳材料内部分布不均匀的现象(粗细料集中现象)，该现象也称为离析现象。造成水稳材料不均匀的原因是：在搅拌过程中发生的搅拌不均匀，在运输过程中发生沉淀现象，在卸料过程中发生重力重分布，在振捣过程中发生振捣不均匀，在摊铺过程中发生摊铺不均匀等。水稳材料分布的不均匀容易造成路面不同区域的强度不同，裂缝产生的区域也是细料相对集中的区域，也是干缩裂缝产生区域。

3)水稳材料温度应力。水稳基层属于半刚性基层，热胀性能较差，基层整体的延展性能差。水稳基层组成的不同材料具有不同的热膨胀系数，水稳材料温度应力由于温度变化使水稳材料内部产生应力。在施工过程中，水稳材料温度应力常常会导致温度裂缝，从而影响水稳材料的结构性和耐久性。水稳材料的温度应力为：

σT=σ1+σ2+σ3=E1α1ΔT+E2α2ΔT+E3α3ΔT

(1)

其中,σ1，σ2，σ3分别为细料的温度应力，粗料的温度应力和水泥灰浆的温度应力；E1，E2，E3分别为细料的弹性模量，粗料的弹性模量和水泥灰浆的弹性模量；α1，α2，α3分别为细料的热膨胀系数，粗料的热膨胀系数和水泥灰浆的热膨胀系数；ΔT为温差，温差包括昼夜温差、季节温差、施工温差等。

太原地区气候温差较大，根据式(1)可以得到整体水稳基层的温度应力。当水稳材料温度应力大于结构的极限抗拉压强度，就会产生温缩裂缝。根据施工经验来说，水稳基层材料中细料成分越多，水稳材料的热膨胀系数随温度降低而增大，温度应力逐渐增大，粗料成分越多，热膨胀系数和温度应力相对要小。

4)其他原因。从水稳基层施工现场的裂缝调查情况看，水稳基层的裂缝产生也存在其他原因。其主要原因是：第一，秋冬季节施工时水分蒸发较慢，水泥终凝时间缩短。第二，摊铺时没有根据季节温差来合理调整骨料、水泥灰浆和水的配比量，施工过程要保证摊铺振捣时水稳材料含水量在合理的含水量范围。第三，水稳施工时应严格控制水泥灰浆用量，水泥灰浆量越多越容易产生收缩裂纹和纵向微裂纹。

3 水稳材料裂纹的影响因素

通过相应的压缩强度实验对振动压实成型不同养护期试件进行强度分析，得到水稳材料裂纹的影响因素。实验制备试件材料与现场施工用的水稳材料一致，水稳材料的级配用料如表1所示。

表1 水稳材料的级配用料

通过对水稳材料试件在不同振动时间下和不同养护时间的抗压强度得到含4%水泥灰浆剂量的裂纹形成程度。不同振动时间下和不同养护时间的抗压强度和裂纹形成程度如表2所示。

表2 不同振动时间下和不同养护时间的抗压强度和裂纹形成程度

如表2所示，试件裂纹形成程度随振动时间(0 s～160 s)呈先增大后降低的趋势，存在最大裂纹形成程度，试件的压缩强度随着振动时间的增大逐渐增大。养护时间为1 d的试件的裂纹形成程度范围为3%～20%，压缩强度的范围为2 MPa～4 MPa。养护时间为3 d的试件的裂纹形成程度范围为12%～40%，压缩强度的范围为4 MPa～6 MPa。养护时间为5 d的试件的裂纹形成程度范围为20%～50%，压缩强度的范围为7 MPa～9 MPa。

4 水稳基层裂缝的防治措施

根据施工过程的调查以及压缩强度实验的研究，针对水稳基层裂缝产生的原因总结得到以下几个防治措施：

1)加强养护控制。在水稳施工过程中，加强施工养护的防治措施。在养护过程中，要避免水稳基层直接的暴露在空气中，可将草袋或塑料薄膜等材料覆盖在水稳基层表面，避免水稳层与空气隔绝。

2)控制温差。当温度过低时，水稳基层的表面容易结冰，容易产生体积膨胀的情况，这样会在水稳基层内部产生裂缝降低水稳层的强度。因此在秋冬季节施工时，需要降低温差，采取防冻措施，防止产生过大的温度应力。

3)严格控制水稳材料的均匀性。水稳基层施工过程中合理控制水稳材料内部分布现象。在搅拌、运输、卸料、振捣、摊铺过程中要随时监测和控制水稳材料的均匀性。同时需要限制水泥灰浆的终凝时间，一般来说，水泥的终凝时间是在6 h～10 h。春秋季节，因为温度适中，水分蒸发的速度也相对较慢，所以终凝时间被大大缩短，基本保证在6 h，夏季由于温度较高，水泥终凝时间会被延长，大概要10 h。