半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性

半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性
半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性
摘要：通过分析半刚性基层材料包括石灰稳定类材料、水泥稳定类材料、综合稳定类材料的强度形成和缩裂特性，充分认识沥青路面裂缝的产生原因，提出对裂缝的预防和处理措施。

关键词：半刚性基层材料强度形成缩裂特性
中图分类号： U416.223 文献标识码： A 文章编号：
近年来，我区的公路建设迅猛发展。

由于独特的地理环境，新建的无论是一般公路、还是高速公路，90%以上都采用半刚性基层。

这种结构形式具有较高的强度、承载力和使用性能，为实现“强基薄面”结构提供了可靠保证，使得其在全区公路路面建设中得以广泛应用。

但与此同时，随着半刚性基层的大量采用，这种结构形式存在的难以克服的缺点也日益显现，导致路面使用质量和寿命达不到应有的水平。

因此，充分认识半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性，有针对性的进行研究和利用，对进一步改善路面实际使用效果具有非常重要的现实意义。

一、半刚性基层材料的强度形成
半刚性基层材料的强度由于稳定材料与土石材料在掺配、拌和、压实过程中发生了一系列的物理、化学反应而形成。

石灰稳定类材料的强度形成。

其强度形成主要是石灰与细粒土的相互作用。

土中掺人石灰，石灰与土发生强烈的相互作用，从而使土的工程性质发生变化。

初期表现为土的结团、塑性降低、最佳合水量增大和最大密实度减小等;后期变化主要表观在结晶结构的形成，从而提高土的强度与稳定性。

影响石灰土强度与稳定性的主要因素有:土质、石灰的质量与剂量、养生条件与龄期等。

各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土类土和粘士类土都可以用石灰来稳定。

各种化学组成的石灰均可用于稳定土。

但白云石石灰的稳定效果优于方解石石灰。

石灰剂量是按消石灰占干土重的百分率计。

石灰剂量较低时(小于
3%-4%)，石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量降低，具有一定的水稳定性。

随着石灰剂量的增加，石灰土的强度和稳定性提高，但当剂量超过一定范围，过多的石灰在空隙中以自由灰存在，将导致石灰土的强度下降。

石灰土的最佳剂量随土质的不同而异，土的分散度越高则最佳剂量越大。

最佳石灰剂量也与养生龄期有关，在28d内，最佳石灰剂量随着龄期的增长而增大，28d后基本趋于稳定。

石灰土的强度形成需要一定的温度和湿度。

高温和适当的湿度对石灰强度的形成是有利的，这是因为湿度高可使反应过程加快，但湿度过大(湿砂养生)会影响新生物的胶凝结晶硬化，从而影响石灰土强度的形成。

石灰土的强度随龄期的增长大体符合指数规律。

水泥稳定类材料的强度形成。

其强度形成主要是水泥与细粒土相互作用。

影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素有土质、水泥成份与剂量、水等。

土的矿物成分对水泥稳定土的性质有重要影响，除有机质或硫酸盐含量高的土外，各种砂砾上、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。

要达到规定的强度，水泥剂量随粉粒和粘粒合量的增加而增高。

实践证明，用水泥稳定级配良好的土，既可节约水泥，又能取得满意的稳定效果。

水泥的成分和剂量对水泥稳定土的强度有重要影响。

通常认为，各种类型的水泥都可用于稳定土。

实践证明，对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥稳定土强度的主导因素。

一般情况下，硅酸盐水泥的稳定效果好，而铝酸盐水泥则较差。

当水泥的矿物成分相同时，水泥稳定土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。

水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增加，但考虑到水泥稳定土的抗温缩与抗干缩以及经济性，应有一个合理的水泥用量范围。

含水量对水泥稳定土的强度有重大影响。

当混合料于合水量不足时，水泥就要与土争水，若土对水有较大的亲和力，就不能保证水泥完成水化和水解作用。

水泥稳定土需要湿法养生，以满足水泥水化的需要。

水泥剂量大、养生温度高时，其增长速率大。

水泥稳定土的强度随龄期的增长而增长，二者之间大致呈指数关系。

综合稳定类材料的强度形成。

综合稳定类材料是以石灰或水泥为主要结合剂、外掺少量活性物质或其他材料，以提高和改善土的技术性质。

单纯用石灰稳定砂性土效果一般较差，而采用二灰综合稳定则
效果显著提高。

粉煤灰是一种火山灰物质，它含有活性的氧化硅和氧化铝，在石灰的碱性激发及相互作用下生成含水的硅铝酸钙。

这些新生的胶凝物质晶体具有较强的胶结能力和稳定性。

由于粉煤灰系空心球体，所以掺人粉煤灰后，石灰土的最佳含水量增大、最大干密度减少。

尽管如此，其强度、刚度及稳定性均有不同程度提高，尤其是抗冻性有较显著的改善，而温度收缩系数比石灰土有所减少，这对抗裂有重要意义。

粉煤灰是一种缓凝物质，由于表面能低，难于在水中溶解，导致二灰混合料体系中火山灰反应相当缓慢，这是二灰稳定类后期强度高，平期强度低的根本原因。

为了改善水泥在土中的硬化条件，提高水泥稳定效果，常常在掺加水泥的同时掺加少量其他添加剂。

石灰是水泥稳定土产最常用的添加剂之一。

在水泥稳定之前，先往土中掺加少量的石灰，使之与土粒之间进行离子交换和化学反应，为水泥在土于的水解和硬化创造良好的条件，从而加速水泥的硬化过程，并可减少水泥用量。

掺加石灰还可扩大水泥稳定土的适用范围，一些不适于单独用水泥稳定的土(如酸性粘土、重亚粘土等)，若先用石灰处理，可加速水泥土结构物的形成。

此外，由于石灰可吸收部分水分改变土的塑性性质，故用水泥稳定过湿土(比最佳合水量高4%-6%)时，先用石灰处理，能获得良好的稳定效果。

二、半刚性基层材料的缩裂特性
半刚性基层材料的缺点是抗变形能力低，在温度或湿度变化时易产生开裂，当沥青面层较薄时，易形成反向裂缝，进而严重影响路面的使用性能。

了解各种半刚性基层材料的缩裂特性，有利于技术人员科学地进行路面处理，从而把裂缝减少到最低程度。

半刚性基层材料的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝
轻重不同地存在。

在国外，普遍采取对裂缝进行封缝，而在交通量繁重或者高速公路上，这种封缝工作十分困难，严重影响交通，也不安全。

而在我国，目前根本就没有发现裂缝就进行沥青封缝的习惯，因而开裂得不到有效的处理。

裂缝的存在导致两种后果，首先是裂缝中进水，导致沥青层和基层界面条件的变化，使基层、底基层、路基的水分状况恶化，承载能力迅速降低，表面产生水力冲刷，出现灰浆，并形成裂缝处唧浆、坑槽；其次是车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的
另一侧时，荷载变化不再连续，使路面裂缝两侧发生大的应力突变，会形成很大的上下剪切和表面受拉。

半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。

水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。

水进入路面的途径，除了降雨、降雪、化雪的表面水外，还有多种来源，如冬季由于冰冻引起的水分积聚和春融期间产生的积水；超限超载车辆为了降温需要向轮毂不断喷水，以保持汽车的刹车性能，使路面常年处于潮湿状态；中央分隔带的绿化浇水、挖方路段的裂隙水、路面铺筑过程冲洗的水等等。

可以说，水进入沥青路面是不可避免的，如果不能及时排走就将造成危害。

界面上水的存在改变了界面连续的边界条件，使路面的受力状态变得十分不利，成为导致路面破坏的直接原因。

半刚性基层有很好的整体性，但是受水的影响敏感，在长期浸水条件下，板体结构会逐渐破坏，反映为路面弯沉，沥青路面开始出现破损，弯沉迅速增大，并导致结构性破损。

现在许多高速公路竣工验收阶段的弯沉很小，以后逐步变大。

许多路面在损坏初期开挖可见基层往往是完好的，弯沉并不大。

这说明，除了少数确实是因为基层施工不好的原因外，大部分基层发生结构性损坏，是发生在沥青面层损坏之后。

半刚性基层很难跨年度施工，无论是直接暴露还是铺上一层让下面层过冬，都避免不了发生横向收缩裂缝，从而为沥青路面的横向裂缝埋下隐患。

甚至在冬天就从缝中进水(融雪)、半刚性基层暴露的还可能冻疏，影响强度的形成。

用一句话来概括就是：开裂和进水且难以排走是半刚性基层沥青路面结构的致命缺点。

半刚性基层材料的收缩分为温缩与干缩两种。

研究表明:若以最佳含水量状态下各种半刚性基层按温缩系数的大小排序是:石灰土>
石灰砂砾>二灰>水泥砂砾>二友砂砾;按其干缩系数的大小排序为:石灰土>石灰砂砾>二灰>二灰砂砾>水泥砂砾。

半刚性基层的收缩开裂，对于含土较多材料以干缩为主，对于含粗集料较多的材料以温缩为主。

半刚性基层的干缩主要发生在竣工后初期阶段，当基层上铺筑沥
青面层以后，基层的含水量一般变化不大，此时半刚性基层的收缩转化为以温缩为主。

半刚性基层材料的抗裂性能是以温缩抗裂系数与干缩抗裂系数
来评价的。

抗裂系数愈大，表明材料的抗裂性能愈强，在同样条件下，能承受较大的温度或湿度的变化而不裂。

按半刚性材料的温缩抗裂系数的大小(均按最佳状态)排序为:二灰砂砾>二灰>石灰砂砾>水泥砂砾>石灰土。

按干缩抗裂系数的太小排序为:二灰>二灰砂砾>水泥砂砾>石灰砂砾>石灰土。

半刚性基层材料的类型与配合比的选择，应根据当地的自然条件与基层所处的环境来确定。

在条件可能时，应优先用二灰稳定类基层，二灰砂砾类集料含量约75%时，抗干缩与温缩能力均较强，可适用于不同地区，主要是解决早强不足的问题。

水泥砂砾类，水泥含量约为5%时，具有较强的抗干缩能力，适用于温差不大的地区。

石灰砂砾类，抗干缩和温缩能力却较差，宜采用水泥石灰综合稳定，以部分水泥代替部分石灰，提高其抗干缩能力，减轻缩裂。

从目前的实践看，早期修建的半刚性基层沥青路面，很多已进入路面大修，由于采用半刚性基层，目前的大修方案基本都采用“开膛破肚”法，然后对路基进行补强，再重铺路面结构层。

这种方法费时费力费资金。

因此，在做好半刚性基层路面管护，尽可能延长路面使用期限的同时，要不断更新路面基层设计理念。

为了提高路面整体的抗变形能力，将原来的半刚性基层安排在柔性基层下做路面的底基层，以期综合利用柔性基层和半刚性基层的优点，克服柔性基层抗变形能力差和半刚性基层反射裂缝的缺点，能够有效地消减沥青路面的反射裂缝，减少水损害的发生，改善路面的长期使用性能和适应环境的能力。

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