公路工程水泥稳定碎石基层裂缝病害分析及防治措施探讨

◎张亚军 李永法

水泥稳定碎石基层是我国公路工程路面基层的主要形式之一。由于公路交通量承载量远大于一般城市道路，特别是在国省道干线，交通极为繁忙，对道路交通通行的需求巨大。

我国公路工程建设近年来突飞猛进，随着我国经济的不断发展，公路工程的技术标准也在不断的提高。从原先的土路面、石材路面、泥灰结碎石路面，到后来的沥青碎石路面，水泥混凝土路面，再发展到现在的沥青混凝土路面、沥青玛蹄脂路面、“海绵”路面等等，路面等级越来越高，路面宽度不断拓展，道路线形越来越美观，行车舒适性越来越好，行车噪音也得到了不断的控制。

作为目前主流公路道路的结构形式，一般采用2 至3 层沥青混凝土路面，加上2 至3 层不同水泥含量的水泥稳定碎石路面基层，再配以石灰稳定土路面底基层，路基则一般采用碾压密实的石灰土路基。在提供足够的道路承载能力的同时，通过逐层提高技术等级，确保了工程质量，也降低了对资源的消耗。

由于使用环境不同，公路道路的质量控制方向，和养护项目也不尽相同。公路养护主要面对的是，因长时间承受车轮的磨损和冲击，受到暴雨、洪水、风沙、冰雪、日晒、冰融等自然力的侵蚀和风化，以及人为的破坏和修建时遗留的某些缺陷造成的公路使用质量问题。

在公路道路养护作业中，经常会发现沥青混凝土路面出现的纵向、横向裂缝问题。对于横向裂缝，经过判定，大部分是由于路面基层水泥稳定碎石开裂造成的。由于水泥稳定碎石半刚性基层具有强度高、造价低、整体性及水泥稳定碎石定性好等优点，在我国公路建设中都有广泛的运用，但半刚性基层在运营期间易产生干缩裂缝和低温收缩裂缝，水泥稳定碎石路面基层的裂缝随着时间发展和道路交通的不断增长，在车辆启动、刹车、转向、正常行驶等综合作用下，裂缝不断发展，长度、宽度、深度不断增长，通过路面结构层的层间摩擦阻力，传导到沥青混凝土路面上，最终造成路面横向开裂，这种开裂现象，由于是路面基层发生开裂，传导到路面面层，所以与面层本身的施工质量无关，称为“反射裂缝”。

反射裂缝一旦产生，不仅影响路面的美观和行车舒适性，更重要的是大大的缩短了路面的使用寿命。关于沥青路面断裂分析的理论及抗裂，国内外已开展了大量的研究工作。

对水泥稳定碎石路面基层开裂的原因进行进一步研究发现，反射裂缝因其成因的不同，还可以进行细分。反射裂缝是水泥稳定碎石上裂缝处应力集中作用的直接结果，集中的应力使得裂缝直接扩展进入路面结构层。水泥稳定碎石上裂缝主要来源于温度变化、湿度变化、行驶车辆及多因素的综合作用。由温度变化引起的反射裂缝常常称之为温度型反射裂缝，由湿度变化引起的反射裂缝常常称之为干缩型反射裂缝，相应地由行车荷载引起的反射裂缝称之为荷载型反射裂缝

断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式。其中温度应力和湿度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝影响的主要模式是张开模式和剪切模式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝，当车轮驶在裂缝之前和之后的位置时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在罩面层中不常出现。与张开模式相对应的温度型反射裂缝通常产生于罩面层的底部，而后向上逐渐扩展到罩面层顶面。对于正荷载作用下的张拉位移模式所对应的反射裂缝，一般产生于罩面层的底面，在周期性荷载的作用下垂直向上扩展。

通过对反射裂缝力学机理的研究，可以发现，为了防治沥青混凝土路面反射裂缝，最根本的途径，是通过在水泥稳定碎石路面基层施工过程中的精细化管理，避免出现因温度和湿度变化产生的收缩裂缝，从源头上减少水泥稳定碎石路面基层的开裂现象。这个过程，是从理论研究过渡到工程实际应用的过程，要考虑到水泥稳定碎石路面基层施工过程中的各种不利因素，通过采取不同的处置方案和应对措施，达到预想的效果。

为了发现施工过程中的各种影响因素，需要水泥稳定碎石路面基层的施工流程进行系统和细致的梳理，找出主要影响因素，采取措施，优先解决主要矛盾。我们通过工程中的实际应用案例来进行探讨和研究。

一、工程概况

界首市S255（界首市牛行街至X010 段）改扩建工程是安徽省国省干线路网的重要组成部分，北起沙颍河，终点位于段寨村，010 乡道交口处。道路全长约7.5km，红线宽度50 米。路面结构形式为采用80cm 厚6%石灰稳定土路面底基层，56cm 厚水泥稳定碎石路面基层（分两层施工）回填，路面结构形式为4cm细粒式沥青混凝上（AC-13）+6cm 中粒式沥青混凝土（AC-20）+8cm 粗粒式沥青混凝土（AC-25）。

该道路水泥稳定碎石路面基层分三层施工施工，分别为18+18+20，先施工20cm 低剂量水稳，再进行两层18cm5%水泥剂量的水泥稳定碎石施工。现场全封闭，路面基层采用半幅全断面施工。施工试验段约200m，确定了各项施工参数，首先实施了4.5km。

开始进行第二层水泥稳定碎石施工前，对第一层基层表面进行了检查，现场采集水泥稳定碎石路面基层裂缝情况，经检查，共采集到横向裂缝20 道，经研判，裂缝深度约0.8mm，最大宽度约11.2mm，均为一般裂缝。

项目建设单位、设计单位、施工单位、监理单位召开了专题会议，对第一层水泥稳定碎石施工的过程进行了溯源，对裂缝形成的原因进行了核查，对裂缝的解决和预防措施进行了探讨。

对裂缝形成的原因溯源过程：

1.水泥用量。

当混合料颗粒组成相同的情况下，水泥稳定碎石的强度，主要受水泥种类和用量的影响。经试验证明，在集料组成相同的情况下，水泥剂量越高，7d 无侧限抗压强度越大，水泥稳定碎石路面基层的强度相应也越高。但过高的强度，会造成路面基层内部收缩应力过大，当因为温度、湿度等原因收缩时，过高的收缩应力会破坏整体结构，造成裂缝。实践证明，当水泥剂量超过6%，出现干缩裂缝明显增多。多次试验后发现水泥剂量在4～5%时，收缩系数最小。通过配合比设计和验证，本工程第一层水泥稳定碎石所采用的水泥，是32.5 号矿渣硅酸盐水泥，水泥用量为3.8%，在试验室制取的7 天无侧限抗压强度试件，实测抗压强度代表值为5.3MPa，符合设计要求（3.5MPa），从水泥用量的方面，不存在印发裂缝的原因。

2.水泥质量。

水泥质量的不稳定，安定性不符合要求，也会导致水泥稳定碎石出现裂缝。

本工程所用水泥品牌为蚌埠海螺水泥，水泥品牌过硬，水泥生产厂家工艺成熟，所产水泥质量稳定。在工程施工前，为防止采用不合格水泥，项目监理单位对水泥进行了见证取样，取样15kg，送至有见证取样检测资格的第三方试验检测机构进行检测。经检测，该批次水泥指标如下：

（1）初凝时间为 1 小时 15 分，终凝时间为 6 小时 30 分，符合现行水泥国标（GB 175）要求；

（2）雷氏夹法试件经沸煮试验安定性合格；

（3）标准稠度用水量为28.0%；

（4）水泥胶砂强度检测结果：28 天抗压强度为37.4MPa，28 天抗折强度为6.3MPa，强度结果符合现行水泥国标（GB 175）要求；

（5）水泥细度检测，采用45 微米负压筛法，检测结果5.2%，符合现行水泥国标（GB 175）要求。

经检验，该批次水泥质量合格，安定性符合要求，不是造成裂缝的原因。

3.骨料的质量。

水泥稳定碎石所用的骨料，对其质量也有重要的影响。强度、针片状颗粒不符合要求的碎石，会影响路面基层的整体强度，造成强度的不均匀，引发裂缝。骨料中含泥量过高，影响水泥凝结，造成路面基层强度偏低，也会引发裂缝。工程施工前，经对施工单位所用碎石的质量检测，压碎值、针片状颗粒含量、含泥量等指标均符合要求。

所以，工程所用骨料也不是造成裂缝的原因。

4.施工配合比。

各种骨料的配合比设计不合理，是导致裂缝产生的一个重要原因。实际施工中，试验部门往往根据以往经验来设计配合比，而材料自身特性，现场实际情况，环境、天气等因素未纳入考量范围。级配不佳的集料，不仅会使弯沉值的变异系数增大，还会导致集料均匀性较差。粗集料集中的地方强度较高，细集料集中的地方强度较低，内应力不平衡，从而导致裂缝的产生。

水泥稳定碎石中如果采用大量的细集料（颗粒粒径小于2.36mm 的骨料），细集料的含水率变化，会对水泥稳定碎石的稳定性造成影响。细集料的吸水性较粗集料强，对环境湿度变化也较为敏感。如果施工时，采用了较多的细集料，细集料对湿度敏感的特性会影响整个水泥稳定碎石结构层。施工后如果环境干燥，细集料中的水分大量蒸发，会使整个结构层产生干缩，反映到水泥稳定碎石表面，就会产生裂缝。

本工程施工配合比所用骨料共分为4 档，分别是10～20mm 碎石、10～15mm 碎石、5～10mm 碎石、0～5mm 石屑，在混合料中的质量百分比为20：25：28：27，施工前进行了级配检验，总体符合级配范围要求，但曲线位置偏下，细集料筛孔通过率较高，混合料整体偏细。

施工时段为7 月初，正值夏季，气温较高，蒸发量较大。初步分析，可能是由于混合料中细集料整体含量偏高，含水率受夏季气候影响大，碾压完成后，水泥稳定碎石中的水分大量快速蒸发，引发较明显的干缩，从而导致了裂缝。

5.施工过程中的影响。

施工现场的管理对水泥稳定碎石的成型质量有着至关重要的影响，主要体现在以下几个方面。首先拌合站水泥掺量较小，水泥稳定碎石层达不到设计强度，结构松散，取芯检测不能合格。第二种情况是拌合不均匀，导致局部某种集料过于集中或稀少，形成反射裂缝。第三种是含水量控制不佳，含水量过大，碾压时容易出现波浪，弹簧现象。含水量过低，摊铺后形成干缩裂缝。第四种情况是运输距离过长，运达现场后集料产生离析现场，或者运输过程中未加盖防护，导致水分蒸发过多，这种情况也或导致或水量过低，从而导致裂缝产生。

施工后的养护也至关重要，养护期不足或者养护不到位，导致水分流失过快，不仅会影响水泥水化反应，影响后期强度增长，还会导致干缩裂缝的产生。

首先，对施工中的水泥用量控制情况进行了追溯。通过对拌合站控制台各项生产参数的记录进行了查看，水泥用量设置在3.8%，通过对施工过程中的水泥剂量滴定试验结果进行了查阅，确定水泥用量范围在3.7%至4.0%范围内，施工中实际水泥用量符合要求，不是裂缝产生的原因。

接着，对拌合情况和运输情况进行了追溯。调查发现，通过对拌合站控制台中拌合时间的查看，确定拌合时间符合要求。通过对施工现场机械手、施工人员的走访，确认混合料拌合较为均匀，未发现明显的离析现象。但由于拌合站距离施工现场有一定距离，并非所有运输车辆都严格采取了覆盖措施，据施工人员反映，个别运输车辆覆盖帆布没有固定好，车辆到场时，局部的水泥稳定碎石混合料有发干、发白现象。

随后，对施工摊铺、碾压、养护等工序进行了追溯。调查结果发现，施工摊铺正常，无缺料、等料停工现象，未发生意外停顿；碾压较为及时，采用振动压路机、胶轮压路机联合碾压，碾压遍数6 至8 遍，碾压过程中，对碾压面进行了检查，局部的软弹现象进行了换料回填处理，碾压完成后，压实度检测结果符合设计和规范要求。养护工作因路段较短，不存在困难，采用透水土工布覆盖后，每日洒水3 遍，能够保证表面始终潮湿。

综上所述，对该段水泥稳定碎石表面产生反射裂缝的原因初步判断：

1.混合料配合比未优化，虽然符合规范的级配要求，但整体偏细，细集料整体含量偏高，含水率受夏季气候影响大，碾压完成后，水泥稳定碎石中的水分大量快速蒸发，引发较明显的干缩，从而导致了裂缝。

2.从拌合站到施工现场的运输过程中，运输车辆的覆盖工作未做好，个别运输车辆覆盖帆布没有固定好，车辆到场时，局部的水泥稳定碎石混合料有发干、发白现象，在摊铺和碾压过程中，含水率迅速损失，造成水泥稳定碎石结构层局部含水率不均匀的现象，表面干缩，产生裂缝。

二、对改进措施的探讨

1.严格把控原材质量。

要保证水泥稳定碎石层施工质量达标，首先就要保证原材质量达标。用于施工的原材，必须经过检测合格后方可使用。检测的重点应放在水泥质量上，进场使用前首先检查生产日期、出厂合格证、数量等。应选用初凝三小时以上，终凝六小时以上的硅酸盐水泥，严禁将不同厂家、不同批次、不同型号的水泥混用。集料需通过试验确定的粒径、塑性指数和含泥量等指标是否满足要求，如不符合需重新更换，以保证施工质量。

2.科学设计配比。

配合比设计，不仅要考虑道路等级、承重能力、路基填挖等因素，还要将原材质量、拌合站距离、环境、天气等因素也纳入考量范围。严格按照初步配合比设计、基准配合比设计、试验室配合比设计和施工配合比设计的步骤来确定配合比。水泥剂量保持在4～5%之间为宜，一般不低于3.5%，不高于6%。调节碎石和细集料的配比，在保证强度的前提下，水泥掺量不宜过大，避免干缩裂缝的产生。

根据实际情况，对本工程水泥稳定碎石的施工配合比进行了优化，通过颗粒分析试验，各类骨料的用量调整为10～20mm碎石：10～15mm 碎石：5～10mm 碎石：0～5mm 石屑 =26：27：25：22，增加了粗集料的用量，减少了0～5mm 石屑的用量。

3.合理组织施工。

对于水泥稳定碎石在运输中含水率损失，整体含水率不均匀问题，施工单位对运输车辆的覆盖措施进行了加固，每辆运输车顶部均采用了帆布覆盖，覆盖帆布采用绳索固定，运输至前场时，对其覆盖情况进行检查，发现不覆盖的，施工班组采取处罚措施；摊铺时加强对混合料的检查，发现有发白、发干的材料，及时换填。

4.养护及时到位。

施工完毕后，及时采用土工布覆盖，并用洒水车洒水，保持土工布湿润。一般情况下，养护时间不低于7d，7d 内保持湿润状态，28d 正常养护。夏季施工要根据实际情况增加洒水频率。养护期结束后，及时检测，并进行面层施工，防治基层暴露时间过长。

完成上述措施后，开始进行第二层水泥稳定碎石施工，经见证取样检测，压实度符合要求，水泥稳定碎石取芯成形情况良好，7 天无侧限抗压强度结果代表值为7.5MPa，符合设计和规范要求。养护期结束后，对水泥稳定碎石表面进行了系统的排查，本次未发现反射裂缝。

三、结束语

通过对原材、配合比、施工和后期养护每着4 个环节的严格把控。显著减少了裂缝数量，提升了成型效果。最终检测强度、弯沉值等各项指标均满足设计要求，技术指标优秀。对后续的施工具有很强的指导意义。