水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝的原因及防治措施分析
摘要：水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝形成机理、裂缝状况、开裂原因进行分析研究，发现导致水泥稳定碎石基层沥青路面开裂的因素主要有材料特性、车辆荷载和路面结构设计、路基强度及其均匀性、底基层强度及其均匀性、地形、地质土质、水文、气象等自然因素等，采用提高路基稳定性及其强度、合理确定路面强度及厚度、严格控制施工工艺、合理安排施工时间等措施，可减少裂缝，延长公路使用寿命，提高投资收益。
关键词：沥青路面；水稳基层；开裂原因；防治措施
水泥稳定碎石属于半刚性基层，半刚性基层是采用无机结合料稳定的各种集料和土类，并具有一定强度和厚度的路面基层结构。半刚性基层沥青路面具有强度和刚度较高、路面平整度好、噪音低、行车舒适、易于就地取材、施工工艺简单、使用周期长、工程投资较低、养护维修方便等优点，因此在国内外公路建设中被广泛应用。
1裂缝形成机理
由于半刚性基层沥青路面其组成材料自身固有的特性，开裂几乎是不可避免的，分析裂缝形成过程，大致分为初期收缩裂缝，中期内应力裂缝，后期荷载外力裂缝3个阶段。
1.1初期收缩裂缝
水泥稳定基层完工后30d局部路段产生横向裂纹，缝宽1-3mm，横向贯通或半贯通，垂向深度为水泥稳定基层厚度的0.3-0.5倍。初期收缩裂缝主要是由于压实后的水泥稳定基层中的水不断蒸发和水泥水化作用使水份不断减少，产生毛细管作用、吸附作用、分子间力作用以及材料矿物晶体、凝胶体层间水的作用、碳化收缩作用等，使水泥稳定基层压实体发生体积收缩，形成收缩裂缝。
1.2中期内应力裂缝
沥青碎石下面层铺筑后90d即有少量反射裂缝产生，水泥稳定基层铺筑后6个月大部分裂缝基本形成，90％的裂缝横向和垂向均已贯通水泥稳定基层和沥青碎石面层，水泥稳定基层形成了长度不等的相对独立的受力板块。一般开裂地段裂缝间距在50-l00m之间，严重开裂地段裂缝问距在6-30m之间，裂缝宽度为1-5mm。一年后裂缝有少量增加和扩展，裂缝数量在上年基础增加5％-8％，缝宽普遍增大，一般为5mm，局部地段增加到l0mm。
由上可见，水泥稳定基层完工后一年经过一个夏秋雨季和冬春旱季。中期内应力裂缝基本形成，水泥稳定基层内90％-95％的内应力得到释放和消减，原有内应力体系被打破而重新形成新的受力体系。
中期内应力裂缝产生的主要原因是：由于水泥稳定碎石基层自身材料干缩和温差应变胀缩产生的拉应力超过水泥稳定基层自身的极限抗拉强度，使其从强度薄弱断面处产生断裂。 中期内应力裂缝的特点是：横裂多，纵裂少，裂缝规则顺直，上下贯通但无垂向错位。
1.3后期荷载外力裂缝
随着路面使用时间的延长，横向裂缝在不断增加，缝宽在不断增大，横向裂缝在不断附生纵向裂缝．最终形成网裂片区，最终半刚性基层沥青路面发生早期结构性破坏。中期内应力裂缝基本形成以后，水泥稳定基层形成相对无限连续的简支板受力体系，即：长度不同且相对独立的水泥稳定基层板块，受底基层的支承，支承面强度高的部位形成相对支点，强度低的部位形成相对悬空。用相对悬空系数来反映板的悬空程度，当系数为零时层间完全接触，符合多层弹性体系理论；当系数逐步增大时层问接触力逐步减弱，板处于相对连续的简支板受力体系；当系数增至1时层间接触力完全消失．板底完全悬空，水泥稳定基层板块处于绝对连续简支板受力体系。相对悬空跨度和相对悬空系数的大小与支承面弯沉值的变异系数有关，变异系数越大悬空程度越大，反之越小。当产生中期应裂缝后，裂缝处的路床强度在路面渗水的作用下逐步降低，裂缝两边的水泥稳定基层逐步悬空形成相对悬臂板。
由于上述原因，在车辆荷载的作用下，水泥稳定基层板块不断产生断裂，发生结构性破坏．并反射到面层。后期荷载外力裂缝的特点是：裂缝发展速度快，裂缝宽度大，裂缝呈不规则的网状结构，水泥稳定基层形成大小不等的独立板块，在车辆作用下旱季翘曲晃动，雨季沉陷唧浆。
导致半刚性基层沥青路面开裂的因素很多。通过对基层沥青路面的分析研究认为，导致开裂的因素主要有材料特性、车辆荷载与路面结构设计、路基强度及其均匀性、底基层强度及其均匀性、自然环境等。水泥稳定基层矿料的级配、细粉料含量、塑性指数，路面结构组成及其厚度，车辆荷载的大小，路基和底基层的强度及其均匀性，地质土质，水文气象等各方面的因素与半刚性基层沥青路面的开裂都有直接关系。
2裂缝防治措施
2.1提高路基稳定性及其强度
路基要具有足够的整体稳定性、强度，否则将产生不均匀沉降，使路面发生开裂。
2.1.1选线与设计
公路选线应充分考虑地形地貌、地质土质的特殊情况，软基不良地质土质地段。路基设计应充分考虑影响影响路基稳定性的各种因素。设计时应处理好投资与质量的关系，节约投资是设计目标之一，但是不能因为减少投资而降低质量标准。只要准确掌握沿线地形地貌、地质土质、水文气象资料，合理选线，设计到位，就能防止各种不利的自然因素对路基造成的危害，保证路基具有足够的强度和稳定性。
2.1.2原地基处理
草皮树根、地表松散的腐殖土要全部清理干净；地面横坡大于1：5的地段不论纵向还是横向都要使用机械从上到下推成宽度不低于3m的土质台阶。
遇到软土地段首先要分析周围的地形地貌、地质水文情况，采用探挖、钻探等方法探准软土层的厚度和性质，再确定处治方案。
2.1.3路基填筑
路基强度主要是在填筑过程中形成的，必须严格控制路基的填筑工艺，确保路基强度。填筑材料首选使用石、砾、砂类土，其次选用含砾、砂低液限粘土．再次选用低液限粘土。粉制土和有机质土不能用于填筑路基。
压实度是反映路基强度的重要指标，施工中必须严格检测控制，使其达到规定值。
2.1.4路床以下80cm的强度
路床以下80的cm路基的关键部位，它直接承受和吸收路面的下传力，要具有足够的强度和均匀性。填方地段要采用较好的材料填筑，土质差的挖方地段要进行换填处理，确保其强度和均匀性。
2.2合理确保路面结构及其厚度
合理的路面结构组成以及合理的路面结构厚度，要通过对路基弯沉值、回弹模量等强度指标进行检测评判，结合土质类型、潮湿程度、地下水位、车辆荷载等因素进行综合分析。
2.2.1路面结构组成
从确保质量、方便施工、节约投资的原则出发，一般采用3层结构，即：底基层、基层、面层。
2.2.2路面结构厚度
在确定路面结构厚度时要以车辆荷载和路基强度为主要依据。
2.2.2.1车辆荷载
研究表明，半刚性材料在小于某一临界荷载以下受力时，其应力和变形足线性的，在临界荷载以上受力时其应力和变形是非线性的，并开始出现裂纹，产生永久变形。试验路段检测表明：25cm厚的水泥稳定基层，后轴重100kN时弯沉值为21(0.01mm)，160kN时弯沉值为37(0.01mm)(200m计算代表值）。重车的轴载数值和作用次数是导致路面发生结构性破坏的主要因素。因此，路面设计应考虑车辆超轴载数值、车辆冲击力、车辆制动力，确保路面具有足够的承载力，避免水泥稳定基层在车辆荷载作用下产生早期结构性破坏。
2.2.2.2结构厚度
路面厚度增加时，承载力迅速提高。在其它条件相同的情况下，水泥稳定基层厚度从10cm增加到15cm，板底拉应力减小一半；从15cm增加到20cm，板底拉应力减小30％。由此看出，增加结构层厚度是提高路面承载力的主要措施。
一般情况下，路基完工后实测弯沉值和回弹模量值与设计值差异很大。因此，必须根据实测结果结合实际水文地质情况重新计算和确定路面结构层厚度，即实施性路面设计。
2.3严格控制施工工艺
半刚性沥青路面的裂缝有一部分是由于施工工艺控制不严造成的，因此在施工过程中要严格控制各分项工程的施工工艺，特别是关键环节的施工工艺。通过严格控制施工工艺，可以避免或减少裂缝的发生。
2.3.1底基层
从弯学值检测结果可以表明一个结论：变异系数越小，强度越均匀；变异系统越大，强度差异越大。因此，采用弯沉值的变异系数来评判和控制强度的均匀性是合理的。变异系数的控制值应根据公路等级和车辆荷载而定。要使底基层的弯沉值变异系数减小，一是路床弯沉值的变异系数首先要小；二是碎石的级配要好，级配曲线要尽量集中；三是摊铺时要避免偶然的粗集料集中或细集料集中；四是碾压密实平整。使用未筛分级配碎石和河滩砂砾作为底基层时，由于其级配的不稳定性，厚度不应低于20cm，施工时必须严格控制以下各道工序：(1)选料、(2)装运、(3)铺筑、(4)碾压、(5)检测、(6)通车。
2.3.2水泥稳定碎石基层
为确保水泥稳定基层的质量，各项质量指标达到要求后再正式进行铺筑。作为半刚性路在胶凝材料的水泥，应使用早期强度较低，初、终凝时间较长的水泥。施工中的每一道工序对水泥稳定基层的质量都有直接的影响，必须严格控制以下工序：(1)选料、(2)拌和、(3)摊铺碾压、(4)养生、(5)检测、(6)通车。
2.4切缝加铺土工布处理裂缝
在水泥稳定碎石铺筑7天后，沿公路纵向每20米切一道伸缩缝用截割机将水稳碎石基层切深5—8厘米宽0．3—0．5厘米的缝．并对废料全部清除干净，用加热好的沥青灌入裂缝至满为止，铺筑土工布，浇洒透层油，半刚性基层断裂后在温差作用下发生重复伸缩应力应变，裂缝宽度不断变化，其应变值以断口处为最大且向后逐步减小，切缝铺土工布处理可以吸收消化大部分伸缩应力和应力，避免或延缓裂缝辐射到上面层。
2.5合理安排施工时间
水泥稳定基层铺筑后30d产生初期收缩裂缝，6个月基本完成中期应力裂缝，根据这一特点，施工过程中应预留两阶段裂缝时间：铺筑水泥稳定基层后预留30d初期收缩裂缝期，铺筑上面层前预留180d中期内应力裂缝期。在铺筑上面层之前对裂缝进行一次全面处治，只要处理方法得当，95％以上的裂缝可避免反射到上面层上，从而减少因路面水下渗影响中期强度导致的裂缝加速扩展和发生早期结构性破坏，延长路面的使用期限。因此，合理安排工期是很必要的。
参考文献：
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