高温多雨地区半刚性基层早期开裂影响因素研究

罗 珅， 陈 搏， 揭继兴

(1.广东大雄经济技术咨询有限公司, 广州 510075; 2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司, 广州 510641)

高速公路网建设在促进社会经济发展等方面发挥重要作用。截至2021年底，中国公路总里程达519.81万km，其中高速公路总里程达16.8万km，位居世界第一，相较欧美等国家普遍使用柔性基层，中国有多达90%高速公路使用半刚性材料作为沥青路面基层。

半刚性基层具有板体性能良好、强度高、承载力优越、原材料易获取、成本相对低廉等优势，在沥青路面结构中作为主要承重层。《沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中将水泥稳定土或粒料、石灰与粉煤灰稳定土或粒料定义为半刚性材料，水泥稳定级配碎石和石灰、粉煤灰稳定集料是目前高速公路基层采用的主要结构形式，而在广东省等南方地区，水泥稳定级配碎石近年已成为高速公路路面基层主要结构材料。然而，半刚性基层的开裂现象是长期困扰道路工程行业的重要难题，由于半刚性材料固有的收缩特性，其早期极易产生收缩裂缝。在路面行车的反复荷载下，半刚性基层裂缝逐渐反射至沥青面层，形成贯通裂缝，并在雨水渗入的影响下进一步加剧，致使路面过早丧失服务性能，寿命大大缩减[1-2]。

为了研究半刚性基层的开裂机理，相关学者进行了大量的试验来探究、论证裂缝产生的影响因素。岳福青运用有限单元法计算了半刚性基层沥青路面温缩反射裂缝尖端的应力强度因子并对影响其大小的各因素进行了敏感性分析[3]；李小刚研究了3种常见无机结合料稳定的疲劳特性，采用威布尔分布理论对疲劳数据进行处理，得到其各自疲劳预估模型[4]；陈贺新研究了路面损坏中疲劳破坏现象，研究了路面抗疲劳性的材料设计方法与结构设计组合优化方法[5];李智等建立了半刚性基层不同级配下强度及干、温缩系数随水泥剂量的回归模型，并结合抗裂性评价方法计算了不同级配避免开裂的水泥剂量范围[6]。

综上，现有研究成果多针对半刚性基层裂缝产生及发育的机理做出分析，但少有研究依托实体项目对施工过程中环境条件与材料级配对半刚性基层早期强度形成过程中的影响因素及规律做出系统试验论证。考虑到半刚性基层裂缝多在早期强度形成过程中产生、道路运营过程中发育，并最终形成影响道路使用功能的严重病害，依托实体项目对半刚性基层开展早期裂缝形成的影响因素研究，填补相关研究空白，对于进一步探寻如何提高半刚性基层施工质量与半刚性基层沥青路面的使用寿命来说是十分必要的。

本研究依托广东省阳茂高速项目，对施工过程中的半刚性基层开裂机理进行探讨，并通过控制变量法开展跟踪与观测，从对裂缝产生的影响因素及防治措施进行分析总结，以期为提升半刚性基层的施工水准提供参考。

1 裂缝产生与发育机理

半刚性性基层裂缝形式可分为纵向裂缝、横向裂缝和局部网裂，裂缝形成主要包括路基结构、地质条件、混合料的质量、施工技术、施工工艺、材料的配合比、自然气候条件、开放施工车辆行驶等诸多因素[7]，以下对裂缝产生与发育机理做出分析。

1.1 裂缝产生机理

图1 广东6月份半刚性基层不同层位温度随时间变化规律

基层、底基层在施工中因干(温)作用、级配偏细、细集料含粉量偏多、施工离析及荷载作用等因素易出现横向裂缝，常表现为连续、等间距的裂缝分布，特别是湿度变化及温差较大的地区裂缝分布规律更为明显。开裂路段裂缝间距多为20 ～50 m/处，严重开裂路段裂缝间距达10 m/处，部分裂缝可贯通结构层，裂缝度多为1～3 mm。

此外，半刚性基层亦可能有部分纵向裂缝、局部网裂产生。纵向裂缝一般发生在高填方、桥梁过渡段及软土路基段落。裂缝主要形成原因是半刚性基层下方填方不均或填方密实度达不到设计要求，经过一段时间的自然沉降，特别是经过雨水浸泡后，路基强度有所下降，沿边坡部分路基承载力不足，易出现纵向裂缝从而反射发育至半刚性基层[8]，此类裂缝表现特征为长、宽、深。局部网裂的成因多为路基下方填方质量不达标、雨水冲刷等引起路基局部沉降，但也会由基层混合料质量不佳或车辆荷载、污染、腐蚀等施工管理原因所造成。

1.2 裂缝发育机理

半刚性基层主要裂缝形式为横向裂缝，其在早期强度形成过程中易因温度、湿度变化而产生规律性横缝。短期来看，这些裂缝对路面整体结构强度影响并不显著。在路面行车的循环荷载下，基层底部产生拉应力，裂纹尖端处产生应力集中使得裂纹逐渐扩展，从而导致基层开裂，并进一步向上反射至沥青面层。在行车荷载与雨水渗入的作用下，反射裂缝进一步发育，于裂缝周围区域形成如唧浆、龟裂等严重病害，最终导致沥青路面过早丧失服务性能。

2 依托项目概况

对于半刚性基层在早期强度形成过程中产生的大量横缝，依托阳茂高速项目实例，通过在建设时间范围内以养生时间、石屑掺量、水泥剂量、暴露时间为唯一变量，开展半刚性基层开裂影响因素实例跟踪观测。

2.1 工程介绍

阳茂高速是广东省某路网规划重点项目，采用双向八车道建设标准，设计时速为100 km/h，路面基层结构组合为：36 cm 5%～6%水泥稳定级配碎石(基层)+20 cm 4%～5%水泥稳定级配碎石(底基层)+15 cm 级配碎石(垫层)。

2.2 生产参数

2.2.1 原材料性能

水泥采用惠州塔牌水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥；水泥稳定级配碎石采用芫芬石场的0～5、5～10、10～20、20～30 mm四档变质砂岩石料进行生产，各性能指标均满足规范及设计文件要求，汇总石料主要性能参数见表1。

表1 石料性能参数

2.2.2 生产配合比

你说交通拥堵，给你限号了；你说油不合格污染空气，给你把油价涨了；你说房价太高买不起，给你征税20%了；你说国产奶粉是垃圾，给香港下禁令了；你说出租车不好打，给你把车价涨了……

经过目标配合比设计与生产配合比验证，确定采用生产配比m0～5 mm∶m5～10 mm∶m10～20 mm∶m20～30 mm=29%∶15%∶34%∶22%，最佳含水率为5.2%，最大干密度为 2.320 g/cm3。

3 不同因素对水稳裂缝的影响分析

3.1 细集料掺量的影响

水稳基层配合比设计过程细集料(石屑)占有相当比例，主要起着填充与砂浆黏结的作用。然而，细集料的掺配比例会影响水泥稳定粒料的干缩应变，即组成水泥稳定碎石的矿物颗粒越小，尤其是粉量的超标对混合料的收缩系数影响更大。对3种不同石屑(0～5 mm)掺量的底基层进行裂缝跟踪观测，结果如图2所示。

图2 细集料掺量与横向裂缝的关系

由图2可以看出，在配合比的29%石屑掺量基础上，分别调整0～5 mm与10～20 mm规格集料的比例，但是保证这2个规格集料比例之和相同，不影响其他规格掺量为前提。通过试验路段的跟踪观测发现，随着石屑掺配比例的增加，水稳层横向裂缝平均间距减小，单位长度路段范围的横向裂缝数量增多。根据第25天观测结果，经过换算每增加1%的石屑，则裂缝间距将会缩短约4.3 m，二者呈现良好的线性关系。进一步究其原因，在保证水稳碎石混合料密实的基础上，增加细集料的用量，反而增大混合料的干缩变形，在昼夜温差、内外湿度差异等环境因素影响下，大掺量石屑的水稳碎石混合料更容易出现横向裂缝。

3.2 水泥剂量的影响

水泥添加剂量是影响水泥稳定碎石基层性能的重要因素，其形成的凝胶产物可以有效提升水稳层抗压强度与整体性。但是，水泥剂量太高也会对水泥稳定碎石抗裂性能造成负面作用。已有研究表明，水泥影响到水稳混合料的收缩系数，过高水泥用量所造成收缩应力的提升幅度高于材料强度的提升幅度，水泥含量过高，也意味着更容易产生收缩裂缝[10]。因此，对于水泥含量较高的碾压混凝土基层和水泥混凝土路面，均需要施工完成后尽早切缝，避免收缩开裂。而对于水泥剂量较低(4.0%～6.0%)的水泥稳定级配碎石，目前研究较少，尤其是实体工程的监控数据不多。研究选择相同施工工况与矿料级配的实体路段，对不同水泥剂量下水稳层裂缝统计，结果如图3所示。

图3 水泥剂量与横向裂缝的关系

由图3分析可得，对于不同水泥剂量的水稳层实体情况，其级配均为标准生产配合比的矿料级配，并采用相同的7天养生时间，在养生后第20天左右观测路段早期开裂情况。随着水稳混合料水泥剂量的增加，水稳层横向裂缝间距变小，单位路段的横向裂缝数量增多。二者呈现良好的线性关系，相关性系数为0.982。水泥剂量增加1%，横向裂缝间距缩短约5 m。而实际工程中，水稳基层为主要的承重层，其强度与完整性是关键的设计与验收指标，为了保证水稳层抗压强度，设计文件与施工合同均规定了水泥剂量的范围。通过研究分析，除了考虑水稳层的强度之外，还应提升水稳层的完整性，减少施工期水稳裂缝，降低运营期水稳层裂缝反射到沥青结构层的风险，建议合理确定水泥稳定碎石的水泥剂量。

3.3 养生时间的影响

半刚性基层的养生阶段是确保其强度、整体性的重要环节，养生阶段的本质是无机结合料与水缓慢发生反应形成凝胶产物的过程，凝胶产物成熟的程度决定了最终半刚性基层强度的高低。为研究半刚性基层开裂与养生时间的相关性，选择同一个路面标段，保证生产配合比相同、原材料与施工工艺一致，对基层在不同养生时间下进行裂缝跟踪观测并进行分析，所选路段的水泥剂量为4.5%。

根据实体工程不同养生路段的跟踪观测，道路基层养生主要采用“一布一膜”饱水养生方式，根据揭膜时间来控制基层的养生周期。可以看出随着养生时间的延长，水稳基层横向裂缝平均间距增大，即单位路段产生的横向裂缝减少。对裂缝间距与养生时间进行相关性分析(图4)，横向裂缝间距与养生时间符合二次抛物线变化规律，相关性系数接近1，随着养生期的延长，水稳基层抗裂能力增大，而当养生期达到一定期限，则水稳层养生强度则对裂缝间距的影响变弱，说明基层养生强度是影响水稳开裂的一个因素，而不是唯一因素。

图4 不同养生时间对基层裂缝的影响

进一步分析水稳养生强度对裂缝产生的影响。与沥青混凝土不同，水泥稳定级配碎石的强度主要来源于水泥胶结料的硬化强度，水稳基层在施工结束后均需要饱水养生，以快速达到混凝土的水化反应强度。在混凝土领域，在标准养生条件下，水泥混凝土的强度增长主要由温度与养生时间决定，因此，国内外研究提出把二者的乘积称为成熟度(度时积)[9]，认为一定配合比的混凝土，不管养生的时间和温度如何组成，只要成熟度相等，其强度大致相同。因而，对于硅酸盐水泥，一般使用成熟度指标预测水泥水化反应程度和混凝土强度。水泥稳定级配碎石的强度增长也遵循这一规律。结构层内产生温缩、干缩或两者共同作用产生拉应力大于其结构强度时便会引发表面开裂(主要为横向裂缝)，早期水稳强度的增长有助于提高结构层的抗裂性能。结合成熟度的概念换算不同季节的养生时间影响，如图5所示。

图5 不同温度下的水稳层成熟度增长

以广东地区为例，当冬季施工时的养生温度一般处于10～20 ℃，而夏季施工时养生温度能达到30 ℃以上，根据成熟度来预测水稳碎石强度，则冬季施工养生14 d的强度仅为夏季施工养生7 d的强度，因而，需要重视冬季施工的水稳层饱水养生时间，建议在冬季低温期间施工的水稳层，首先保障薄膜覆盖饱水养生环境，减少表面水分蒸发；此外，调整施工组织，延长养生时间至10 d以上，也是一种有效地减少早期水稳裂缝的方式。

3.4 暴露时间的影响

半刚性基层的收缩开裂除了混合料的材料干/温缩特性，还会受到周围环境，如昼夜温差、日照、行车荷载等影响。统计基层路段(水泥剂量4.5%，养生时间7 d)在不同暴露时间(以养生期结束时为起点，至观测采集路面裂缝的时间)的路段横向裂缝发育情况。

半刚性基层在养生阶段结束后暴露在空气中，主要经历：初期的水分蒸发使得半刚性基层中出现干缩应力，这是早期裂缝主要成因；之后，裸露状态下的暴晒和夜间温度的下降，使得基层承受周期性的温度应力；加之开放交通后，重载料车、运梁车等荷载作用，加剧了半刚性基层的开裂。由图6分析可得，随着水泥稳定碎石层养生期后的暴露时间增加，横向裂缝平均间距减少，即单位路段的横向裂缝数量增大。进一步建立暴露时间与横向裂缝相关性，分析得出两者呈现良好的线性单调递减关系，相关性系数为0.889。建议合理安排施工组织，待养生结束早期强度形成，宜尽快施工上承层(如果为上基层，则应尽快撒布透层油覆盖)，同时做好交通管制，以免重载施工车辆频繁破坏同一车道。

图6 暴露时间与横向裂缝的关系

4 半刚性基层裂缝处治建议

广东地区年平均气温22.3 ℃，最高气温38～39 ℃，最低气温0～3 ℃，平均每日光照时间长，路面热量吸收值大，4—9月为常规雨季，时间跨度长且雨量大，半刚性基层的疲劳破碎与水损是主要的问题。

为提高广东阳茂高速路面施工质量，针对水泥稳定碎石半刚性(底)基层施工中因路基不均匀沉降、干(温)缩作用和车辆荷载等因素造成纵、横向裂缝现象，根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)的裂缝的处理建议，铺设玻璃纤维格栅与洒铺热改性沥青综合处治是较好的措施。但是现场采用热沥青灌缝，需要就地燃烧加热融化沥青，且大部分热沥青难以灌注缝内，仅仅残留于缝口，容易剥落。为此，调研了近年广东省交验质量优良的项目经验，对于底基层主要采用“水泥浆灌缝+玻纤格栅”方案；对于下基层主要采用“水泥浆/乳化沥青灌缝+玻纤格栅”方案；对于上基层主要采用“乳化沥青灌缝+玻纤格栅”方案。主要技术指标与施工工艺见表2。

表2 裂缝处治材料技术指标要求及施工工艺

5 结论

1)从混合料的材料因素分析，随着细集料掺配比例的增加，混合料干缩变形增大，每增加1%的石屑，则裂缝间距将会缩短约4.3 m；水泥剂量的增加虽然可以提升混合料抗压强度，但是也一定程度增加了水稳混合料干缩变形，水泥剂量增加1%，横向裂缝间距缩短约5 m。

2)随着养生时间的延长，混合料抗裂性能提高，单位路段产生的横向裂缝减少，二者呈现良好抛物线规律；当养生期达到一定期限，水稳层养生强度则对裂缝间距的影响变弱；建议采用度时积指标进行养生强度预测，冬季低温环境下水稳基层养生时间应适当延长。

3)随着水泥稳定碎石层养生期后的暴露时间增加，横向裂缝平均间距单调递减，裸露状态下的干缩作用、温差效应、施工车辆荷载作用均会加剧水稳层的开裂，建议合理安排施工组织，尽快施工上承层。

4)中国南方地区年平均气温高、路面热量吸收值大、且雨热同期，推荐采用“水泥浆灌缝+乳化沥青灌缝+玻纤格栅”的组合方案处治半刚性基层的早期裂缝，改善水稳层的密水性能与整体性。