半刚性基层裂缝成因分析及防治措施

半刚性基层裂缝成因分析及防治措施

半刚性基层作为沥青路面结构的主要承重层，在目前高速公路及高等级路面中普遍应用。而半刚性基层的裂缝成为沥青路面早期破坏的主要原因，因此分析半刚性基层开裂原因及寻求有效防治措施十分必要。

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半刚性基层具有结构强度高、稳定性好、刚度大、荷载分布均匀、水稳性可靠及施工成本低等优点，因此，广泛用于修建高等级路面的基层。但半刚性基层沥青路面最大的缺陷之一，是随温度和湿度的变化容易产生收缩裂缝，然后自基层向上扩展到沥青表面形成反射裂缝。反射裂缝是由于受拉疲劳、受拉屈服与剪切屈服单独或联合作用的结果。在荷载作用特别是重车的反复作用下，使沥青结构层产生拉应力超过材料的疲劳强度，底面先裂并逐渐向上扩展到路表面，当行车通过时，基层裂缝两端之间产生竖向位移，在面层中引起面层剪切搓动和剪切疲劳破坏而导致开裂，随着大面积的使用，人们逐渐发现半刚性基层在强度形成过程中及运营期间容易产生干缩和温缩裂缝进而使沥青面层过早开裂，并引起路面早期破坏。

1 实例分析

某路面工程，水稳碎石基层设计厚度20cm，设计强度3.0MPa（7d无侧限抗压强度），水泥计量4.0%，摊铺机摊铺，重型振动压路机+大吨位胶轮压路机组合碾压。当天施工温度为16～20℃，采用薄膜养生；一周后施工透层和改性乳化沥青稀浆封层，封层厚5mm，做渗水试验，满足规范要求；二周后温度下降10℃，低温天气持续一个星期。裂缝调查：1道/30米（封层施工前），1道/20米（封层施工两周后），所有裂缝均为横向裂缝。相关参数如下表：

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上述实例表明：水稳碎石基层在施工后一周内已出现了收缩裂缝，主要表现形式是基层顶面出现规则的横向裂缝；封层施工后，随着气温骤降，裂缝数量增多，并继续发展，已反射到封层上。

2 半刚性基层裂缝成因机理分析

半刚性基层形成裂缝的直接原因是：材料收缩产生收缩应力，当收缩应力大于材料的抗拉强度时出现裂缝。主要表现为两个方面：①半刚性基层铺筑后，由于其材料固有的干燥收缩性，在强度形成过程中，随着混合料中的水分的减少而产生干缩和干缩应力。干缩应力的大小与水分损失的多少快慢成正比。在初期，由于基层混合料的抗拉强度还不大，如若养生不利，就会在较短的时间内形成较大的干缩应力，所以此时很容易引起开裂，初期裂缝一般较细；在强度形成后及运营过程中，随着水分的继续减少，干缩应力增大，加上运营时产生的附加应力，

裂缝会继续发展，增长增宽直至完全断开。②任何材料都存在温度收缩的性能，半刚性基层材料也是如此。基层铺筑后，如未采取很好的保温措施，或遇到大幅降温天气，如上述工程实例所述，基层材料中的拉应力和拉应变会急剧增大。当拉应力或拉应变增大到超过材料本身所能承受的极限值时，就会产生裂缝。通常，基层材料所受的横向约束大大小于纵向约束，因此较容易产生横向裂缝。

2.1 干缩特性及影响因素半刚性基层材料在碾压成型后，由于其内部的水化作用和蒸发损失，水分减少，引起体积变化到一定程度产生裂缝。其干缩性主要影响因素有：含水量、水泥剂量、细料中土的含量及塑性指数和集料的失水率。

①含水量对半刚性基层材料的干缩应变明显，含水量越大，失水后引起的体积变化越大，干缩应变也越大。②水泥剂量越大，水化反应所需水量越大，引起的干缩变形也越大，对于级配较细型材料的影响尤为明显。③水泥稳定粒料的干缩应变小于水泥稳定土的干缩应变，水泥稳定粒料中土的含量越大干缩应变越大。④塑性指数越大，吸水性越强，失水后引起的变形越大，即干缩应变越大。

⑤失水率越大，水分损失越快，定期内失水量也越大，越早产生干缩应变。

2.2 温缩特性及影响因素任何材料都有温缩的性能，半刚性材料组成中的集料（固相）、水（液相）、空隙中的气体（气相）在温度降低时，发生不同程度的收缩变形，从而相互作用，使混合料发生温缩。温缩系数从大到小依次为气相、液相、固相。其中固相（矿物集料）中，粉粒以下的颗粒温缩性较大。因此温缩性主要影响因素有：含水量、水泥剂量、集料中土的含量、环境因素等。

3 防治措施

基于半刚性基层材料自身的特性，裂缝的出现难以完全避免。但针对基层裂缝形成机理，可采取以下措施减少裂缝生成的几率。

3.1 控制好水泥质量及用量宜采用缓凝型强度等级较低的水泥，水泥各龄期强度、稳定性应符合相应指标要求。水泥剂量的多少与水泥稳定材料的强度、弹性模量、干缩系数和温缩系数大小有直接关系。随着强度和弹性模量的增加，收缩系数也随之增加，因此在满足要求的情况下，尽可能的采用较低的水泥剂量，以减少混合料的收缩性。

3.2 控制好细集料用量及集料中土的含量细集料特别是颗粒在0.075mm以下的有较大的收缩系数，比表面积大，遇水膨胀，失水后干缩变形大，因而半刚性基层材料中细集料含量越多，其内部空隙就越多，从而在水作用下其收缩也就越大；集料中含土量越大，塑性指数越高，材料抗收缩性能就越差。所以要严格控制细集料用量及其土的含量。

3.3 拌和要均匀，摊铺要及时为避免粗细集料集中或局部水泥剂量过大而产生收缩裂缝，必须采用集中厂拌法，并采取电子控制计量装置，以保证拌和的均匀性和计量的准确性。对拌和对的水稳混和料应尽快运到施工现场，运到现场的混合料要及时摊铺，避免混合料的水分过多蒸发而产生干缩裂缝，为消除摊铺

过程中发生粗集料集中的现象，保证水稳基层的平整度，施工时应采用大型摊铺机摊铺。

3.4 严格控制含水量为满足混合料的压实要求和混合料中水泥水化作用，混合料中必须有足够的水分，这样水稳基层才能达到设计强度，但含水量过大易产生车辙、弹簧、平整度降低，增大混合料的干缩性，易产生裂缝。含水量小，不易压实，且影响水泥的水化反应，混合料易松散，不易碾压成型，从而影响强度的形成，因此，水稳基层混合料的含水量必须通过试验来确定，并根据气温调节含水量，含水量控制不宜超过最佳含水量的1%。

3.5 做好配合比设计在各项指标都满足要求的条件下，尽可能采用偏粗的级配，较低的水泥含量。

3.6 控制好碾压工艺混合料摊铺成型后，应该进行碾压，碾压段的长度要根据天气情况进行确定，如果气温比较高，水分蒸发快，就缩短碾压段长度，反之，可适当延长碾压段长度，防止混合料表面干燥而产生裂缝。碾压最好在水泥初凝前完成，碾压的压实度越高，混合料固相体积越大，体积收缩越小，抵抗收缩的能力越强，但过振碾压容易造成水稳基层表面水泥浆产生收缩裂缝，为此，在施工前应铺试验段确定出最佳碾压遍数，坚决避免过振碾压。基层压实度不足，混合料的干缩应变就越大。水稳混合料的压实需要干柔并济，既要有振动压路机的垂直振动压实，又要有胶轮压路机的揉搓压实，以便于骨架结构及板体结构强度的形成。在含水量较低的情况下，过多的采用振动压路机进行强震碾压，易产生微裂缝。

3.7 养生保温措施水稳基层碾压完成后，即刻开始进行养生。养生要在混合料上覆盖草帘子，使混合料保持潮湿状态，养生时间不应小于7d，每天洒水不少于3遍，以免水稳基层因曝晒开裂，如果养生期水分充足，则各种水化反应和结晶作用越充分，强度越高，变形也越小，同时也可减少收缩裂缝的产生。此外，水稳基层施工完毕，不宜长期暴晒，应早日进行面层施工，这是防止水稳基层产生裂缝不可忽略的因素。7天养生期间，要使基层表面保持湿润，以减小混合料因失水而干缩的几率。早期强度形成后，应立即进行下封层或面层施工，以起到封水和保温作用，减少温缩的机率。

3.8 添加外加剂必要时可添加外加剂来减少裂缝生成的机率。①参入一定量的早强剂，可使混合料在弯拉模量变化不大的情况下，提高早期强度，从而提高早期抗拉裂的能力。②采用收缩补偿措施，掺加适量膨胀剂，以减小混合料因温缩和干缩带来的体积变化。