高等级公路水稳层裂缝的所致成因及应对举措

周 忠

安徽建工集团投资管理公司

1 前言

据统计，我国高等级公路的底基层及路面基层有90%以上为水稳层，其脆性偏大、抗变形能力较低，往往易因湿度、温度骤变或是荷载作用而生成裂缝，以致基层的力学性能严重降低，甚至会致使水泥混凝土路面或沥青混凝土面层生成发射裂缝，导致路面出现起拱、碎裂、坑洞、剥离，使用寿命缩短。因此，加强对水稳层裂缝的研究极具实际价值意义。

2 水稳层裂缝现象

水稳层是以级配碎石、胶凝材料和灰浆按照一定比例混合，摊铺后压实到一定的密实度，靠碎石间的嵌挤锁结形成初期强度，并随着龄期的增加凝结形成整个板体。实践研究表明，混合料中水泥用量一般在3%～7%，7天抗压强度在1.5MP～4.0MPa，相对其他路基如土石、三合土等的强度要高，有良好的板体性，成活后表面坚实，遇雨水不会泥泞，且力学性能良好，其强度根据设计需要，可以随混合料的配比做调整。然而，水稳结构脆性大，对湿度和温度变化的敏感性很强，很容易因湿度和温度的变化产生裂缝，通常较早出现的裂缝是在水稳层初期，也有的是在路面终凝养护期后车辆荷载作用下出现，这些裂缝反射到路面，破坏表层混凝土路面或沥青面层。通过对水稳层的长期跟踪调查发现，路面均有不同程度的裂缝出现，以横向裂缝诸多，也伴有部分纵向裂缝以及个别部位的网状裂缝，按裂缝的严重与否通常分为：（1）微小型裂缝。裂缝宽在0.5mm～1.5mm，裂缝间距较大，基本是横向裂缝无纵向裂缝，该情况发生的公路结构形式是有两层石灰稳定土和两层骨架密实级配水稳混凝土面层或沥青路面。（2）显著型裂缝。裂缝宽1.5mm～4mm，横缝诸多伴有少量纵缝，平均间距在25m左右，该情况发生的公路结构形式是有两层石灰稳定土和两层悬浮密实级配水稳混凝土面层或沥青路面。（3）严重型裂缝。裂缝宽4mm以上，平均间距12m，横缝较严重，纵向裂缝且还伴有支缝，裂缝多且很明显，该情况发生的公路结构一般是两层石灰稳定土和一层密实型级配水稳混凝土面层或沥青面层。

3 水稳层裂缝的所致成因

高等级公路水稳材料属于半刚性材料，收缩性很小，引起收缩不外乎两个方面：一是，水分子的水化或蒸发产生的干缩裂缝，二是，温度变化产生应力造成的温度收缩裂缝，干缩和温度收缩是引起水稳层产生横向裂缝的主要原因。另外，路基基础不稳定或者外界荷载产生挤压，也可能造成水稳层裂缝的出现。

3.1 干缩裂缝的成因

按龄期或者养护期划分，干缩裂缝在两个时段的损害程度有所差异。一个时段是水稳碎石压实成型到养护期，一般是在初凝7天的干缩：这个时段是由于水稳混合料内部水化作用，使毛细管作用力、分子间吸附力以及碳化作用引起混合料本身体积趋于减小的收缩，或者混合料本身水分和养护洒水的蒸发，如果天气正常、气温波动较小，则干缩显示不会太明显，往往是一次性干缩，引起混合料的收缩而产生的裂缝基本是有限的；另一个时段是养护期后到混凝土面层或沥青封层透层、沥青路面施工期的干缩：这个时段时间较长，如果天气变化较多，水稳层必然经过干燥和饱水的反复过程，也就引起水稳层的多次重复干缩，反反复复，必将导致水稳基层严重地拉裂，甚至在薄弱的地方出现较为严重地贯穿性裂缝。

3.2 温缩裂缝的成因

热胀冷缩原理而产生的裂缝，即由于对水稳基层的结合料可以看成是不同颗粒构成的固相、气相与液相，在温差作用下产生热胀冷缩的体积变化，从而引起温度收缩性裂缝。

（1）构成固相矿物的原材料具有不同的膨胀收缩性，如碎石主要成分是SiO2、Al2O3，其热膨胀冷收缩系数为8×10-6/℃，而水稳碎石结成的新胶矿物凝胶体，热膨胀冷收缩系数为10～20×10-6/℃，显然两者具有完全不同的热胀冷缩性，在组成固相复合结合料时因温度变化不同的胀缩必然引起裂缝。（2）水稳混合料内部毛细孔不可避免充盈气体，在高温季节时气体受热膨胀，水稳层内部结构颗粒产生扩张力，当该扩张力大于内部临界值时，势必引起水稳层膨胀起拱；在低温冷冻季节时，气体冷缩体积缩小，水稳层内部结构颗粒的结构应力相应减小产生收缩力，当该收缩力超过结构本身的极限拉应力时，将会引起横向裂缝出现。（3）水稳结构体内部的孔隙中和胶凝体内，存在毛细水、自由水、结晶水，当外界或者结合体内部升温时，水产生巨大的扩张力（水的热胀系数70×10-6/℃）致使结合物颗粒增大间距，产生的膨胀到一定程度将出现裂缝现象。尽管高等级公路路面在设计和施工中设置伸缩缝，在规范中和实际施工中也已广泛应用，减少了不规则裂缝对路面的影响，成效显著，但如何规避水稳层产生不规则裂缝，在设计规范和施工技术中还没得到体现，目前对水稳结构造成了极不良的质量影响。

引起水稳层干缩和温缩主要有几个方面的原因：首先，水稳层集料级配设计不太合理。在强度一定的情况下，水稳集料需要空隙越小、水泥剂量越小、骨架料越大，则产生裂缝的可能性越小，反而越容易产生裂缝，为降低水稳层产生裂缝的概率，须尽可能采用骨架密实型级配而减少悬浮密实结构级配。其次，施工工艺欠妥压实度不够。施工时水稳混合料推挤摊铺不均、工序不当、碾压次数少，造成密实度小诱发裂缝。另外，施工环境影响，特别是温度影响极大。如果高温天气超28℃，水分蒸发快、水泥凝固时间缩短，水稳层干密实度随之降低，引发裂缝；如低于5℃的寒冷天气，压实度难以保证，变形量增大，诱发裂缝的概率增加。此外，碾压完成后的保湿、保温养护不到位，水稳层施工类同混凝土路面施工，需要精心养护，如若在设计龄期内未按规定采取保温、保湿措施，并做好交通改道管制，就会导致水稳层的早期损坏而引发裂缝。

3.3 荷载裂缝的成因

水稳层之下的基础处理不够坚实，特别是在回填基础上压实不够密实，或地质条件差又未做地基处理如换填，往往会因承重车辆的反复碾压，在荷载力作用下，基层底部裂缝逐渐向上扩展，承载力超过公路抗弯拉强度引起基层变形过大甚至断裂，直至到达面层产生稠密不规则的裂缝。

4 水稳层裂缝的应对举措

4.1 预防举措

（1）重视地勘与基础处理。高等级公路施工前的地勘资料很重要，由于公路工程属线性工程，可能地质情况千变万化，因此，在开工前需要进行地勘，取出样本做土工试验得出含水率、孔隙率、抗压抗剪等性能指标。如果是软基或者松散土质，则需要改善含水率、承载力等指标，根据设计要求需要采取置换回填压实、水泥粉煤灰打夯等处理措施，且需要按要求进行检验，确保基础处理达到设计承载力要求后方可铺筑水稳层；另外，在水稳层施工和道路面层浇筑前，加强沿线的交通管制，避免重车在原基础上行使，以免不平衡受力而破坏路基内部结构。

（2）严控所用混合料配比。水稳层骨料级配直接影响到基层的干缩性和耐冻性，因此，务须严格把控水稳层混合料配比：①原材料中固相部分的成分、含量决定收缩系数，对水稳层集料适当调整可以减少整体结合的孔隙率和含水量，大幅度降低基层的干缩性，其中粉粒特别是黏土对温度敏感度及其收缩性很大，砂粒及其以上颗粒的温度收缩性较小，因此，为减少混合料温度收缩，需要严格控制混合料级配，减少细集料用量或者掺加膨缩小的材料替代，通常要保证最大粒径≤10cm，最小粒径≥1cm，且集料中的化学成分监测在设计范围内，特别是对硫酸盐、氯离子含量等各项指标予以检测，以免在混合料内部发生化学反应而出现开裂。②严格控制水稳碎石基层的水泥剂量，水稳层设计强度越高，则水泥用量越大，刚性也会越大，干缩裂缝越容易产生，因此通常规定设计强度3MP～5MPa，在满足设计要求的前提下尽量采取偏低强度，所配水泥剂量不得大于6%。③用水量需要根据水泥水化需要、施工环境适当调整在最佳范围内，一般来说，配合比水量根据水泥剂量计算，混合料加水拌制碾压，水泥即发生水化作用以及水分蒸发，体积收缩，用水量过多，水分上浮于表面更快，产生干缩性裂缝的可能性更大。

（3）抓好相应压实度控制。对水稳层设计厚度较大的公路基层，应注意混合料的级配设计，尽量不要采用粒径较大的粗骨料，压实难度较大。在施工方案中，可以采取分层摊铺碾压，并逐层完成碾压试验检测，符合设计要求后进入下一层；对于管线、井圈等异型结构物周围，大型设备很难压实，这些拐角或临边部位可以适当提高水泥含量、采用相对较小粒径骨料，增加混合结实强度，同时采用小型机械压实，必要时强化设计，在井圈周围结合路面结构配筋混凝土加固，确保设计强度满足结构要求。

（4）确保施工环境适宜。公路工程施工通常有工期要求，施工单位通常要择时赶进度，选择气温变化较平缓的时间段施工，温差越大越易产生裂缝。如果水稳基层必需在夏日酷暑施工，尽可能避开酷暑，选择早晚时段，并采取措施如喷雾、洒水等及时做好外部环境的保湿，防止表面急性过度水分蒸发而产生干缩裂缝。实践证明，在25℃～40℃及保湿环境下，能保证水稳混合体的水化作用顺利进展，且提高内部极限拉升强度；如果在低于5℃环境下，在外部设置避风屏障的同时，需要充分利用水稳混合体的强度潜力，控制温差应力，防止裂缝的产生。

（5）加强养护及早后续施工。施工单位对高等级公路混凝土或沥青路面的养护比较重视，往往忽视对水稳层的工后养护。水稳混合料摊铺碾压完成后，需要及时用麻袋覆盖洒水养护，防止因混合料的水化作用以及水分过度蒸发引起表层的干缩裂缝；在寒冬季节，则可以用土工布和塑料薄膜保温养护，不需要洒水，以免冻凝；养生期后，尽量安排及早摊铺沥青混凝土面层或进行混凝土施工，减少长时间的水稳层裸露可以降低重复干缩产生裂缝的风险。

4.2 处治举措

一旦水稳层有裂缝出现，需要及时封填处理以防水分渗入造成更严重地质量缺陷，目前，通常采取的处理措施为密封胶封缝、沥青胶填灌+土工布铺设技术，这两种技术对处理较宽裂缝和基层反射裂缝效果明显。

所谓的密封胶封缝，即把密封胶高温加热到180℃左右其黏度很低，直接灌注到裂缝，或者预先已做切缝处理的水稳结构内（通常裂缝超3mm要进行切缝处理），密封胶在冷却前渗透到裂缝两侧与水稳混合料融合，密封胶冷却后恢复弹性，可以随裂缝膨胀收缩变形而变形，长期有效封闭已发生的裂缝。

所谓的沥青胶填灌，即对基层面层较宽裂缝做切缝处理后，填灌沥青胶，对细小裂纹洒布透层油后直接铺土工布，一般横向搭接10cm、纵向搭接5cm 即可，再在土工布上碾压，之后洒一次粘层油后施工面层，工艺较为简单，裂缝防治效果较为理想。

5 结语

水稳层铺筑作为公路建设施工的关键，开裂问题不得小觑。对此，参建各方须重视结构安全，严抓水稳层铺筑质量，切实采取相应技术、管理举措从根本上规避裂缝的生成，为公路建设质量的有效确保夯牢基础。