半刚性基层收缩裂缝的成因与防治（章学祥,柳新根）

时间：2022-02-22 15:15:26 浏览量：次

摘要: 裂缝是沥青混凝土路面最普遍，也是最主要的病害类型之一。初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能无明显影响，但随着表面雨水和雪水的入侵，裂缝附近的土基含水量的加大甚至饱和，路面强度明显降低，在大量行车荷载反复作用下，使裂缝两侧的沥青面碎裂，影响沥青路面的使用性能，并加速沥青路面的破坏，严重甚至导致路面产生结构性裂缝。

关键词: 半刚性基层;收缩;裂缝;成因;防治

中图分类号: U416 文献标识码: A

1 裂缝的类型

路面的裂缝有很多种，诸如发状裂纹、较有规则的纵横向裂缝、网状裂缝、龟裂等。这些裂缝大体又可归纳成两种情况:一种是由于铺筑质量不好，强度不足，回弹弯沉过大而造成的网状裂缝及严重龟裂的破坏，这属于荷载类型的裂缝和破损;另一种则属于非荷载类型的裂缝和破损，比如较规则的纵横向裂缝，一般以横向为多见的收缩缝和破损。本文只讨论非荷载类型的情况，主要是指作为沥青路面基层半刚性材料的收缩裂缝问题。

2 半刚性路面开裂的原因分析

近些年来，通过不断地研究，材料的水稳性问题基本得到解决。而随着重型汽车交通的发展，道路上大吨位车辆的行驶，高等级公路、汽车专用线、高速公路相继出现。由此对道路的技术标准、使用状况也提出了更为严格的要求，半刚性基层的收缩裂缝的问题便成了质量上的一大威胁，开始作为一项重要课题来进行研究。

2.1 裂缝的观察

（1）石安高速公路是京珠公路的一部分（石家庄至河北河南交界处），全长216km，双向四车道，路面结构为:4cm中粒式碎石沥青混凝土+5cm粗粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土，路面基层为20cm水泥稳定碎石。

石安高速公路于1997年12月建成通车。1999年1月路面调查时共计横向裂缝86条，纵向裂缝2条。至2001年横向裂缝2188条，纵向裂缝49条。

（2）京津塘高速公路北京、河北段的路面工程是于1989年铺筑的。路基全宽26m，双幅四车道，内设中央分隔带。该施工段路面结构为30cm石灰土底基层，20cm水泥级配砾石（或碎石）基层，23cm沥青面层（基中沥青碎石底面层12cm，沥青混凝土中面层6cm，沥青混凝土表面层5cm）。由于工程跨年度，这段路面没有能在当年完成全部结构。有的段落只铺上了基层，有的只铺到沥青底面层或中面层即已进入冬季。因此，各结构层都是直接暴露于大气中过了一个冬季。在1989年秋季，水泥砾石、水泥碎石基层上出现了轻微的收缩裂缝。经过一个寒冬低温过程之后，裂缝得到了充分发展。

这些路段都是在1989年铺筑的。其中的水泥级配砂砾、水泥级配碎石基层，是在6月到11月下旬完成的。根据这次调查，热季与冷季铺筑的基层，在裂缝程度上并看不出什么明显差别或规律。从调查结果可以看出，水泥级配碎石的裂缝程度大于水泥级配砂砾，尤其以35cm厚的水泥级配碎石的裂缝最为明显，达到每100延米11.7条。而随着沥青面层厚度的增加，裂缝程度也在明显地减少。

2.2 裂缝的成因分析

大量观察表明，沥青面层上的裂缝，是与下卧层水泥碎石、水泥砾石基层上的裂缝密切相关的，是由基层上的裂缝反射到沥青面层上来的。就半刚性基层来讲，这种收缩裂缝可来自几个方面:

（1）化学收缩。它类似于混凝土的水泥集料在硬化成型期间所发生的体积收缩。一般在浇筑后的头一个月内这种反应比较明显。

（2）干湿收缩。水泥集料在水分蒸发期间所出现的干缩，它与养护条件的好坏大有关系。混凝土的干缩线收缩一般在0.00015～0.0002之间，试验表明，暴露于大气中的水泥稳定土，在浇筑的初期，会产生很大的干缩应力，其值可以高达1.3MPa，随后干缩应力会渐趋降低。所以，这一期间的养护非常重要，使其在保持湿度的条件下，尽快加速强度的增长，以防止裂缝发生。

再从水泥级配碎石、水泥级配碎石基层内在的材料结构分析，规范要求混合料7d无侧限抗压强度不小于3MPa。施工单位为达到此要求，实地铺筑的强度又往往超过3MPa，河北段一般在3.2～5.3MPa，水泥用量也超出设计用量4%，每立方米水泥用量约合100～120kg，这应接近于100号的贫混凝土了，具有了混凝土路面收缩裂缝的性质。

（3）温度收缩。由于热胀冷缩，水泥稳定土在低温时就要发生收缩。当温度应力超过材料的极限抗拉强度时，产生裂缝。

沥青面层也存在一个温度收缩的问题。但是，由于沥青材料自身所具有的粘结、延展等方面的感温特性，致使沥青混凝土具备了一种柔性、可恢复性的结构特点。仅仅是在冬季低温情况下，才会出现温度收缩。而以上的柔性特点，在一定程度上又可以减弱这种温度收缩程度。此外，由于沥青面层是粘结在基层上面的，它们在层次之间并非是自由滑动的，因而，沥青面层的收缩裂缝往往是通过基层上那些已经开裂的薄弱部位而发展起来的。

（4）半刚性路面内部排水性差，半刚性材料对水破坏敏感。半刚性基层材料致密、透水性差，而且由于降水、水分冻融循环和各种人为因素，沥青面层渗水是不可避免的。水从沥青面层到达半刚性基层后，由于不能从基层迅速及时地排走，只能沿沥青面层和半刚性基层之间的界面滞留、积聚和扩散，在高速行车荷载的作用下产生很大的动水压力，冲刷基层表面，长期作用下去，则造成基层与面层的连接丧失，基层支持力下降。同时由于部分水可能通过基层裂缝继续向下入渗，软化土基，以及路面各结构层本身受到水的破坏，导致路面的整体承载能力显著降低，产生网裂等路面病害。

以上各种收缩因素在多数情况下往往是同时存在而相互叠加的，有些温度收缩裂缝，往往先是通过某些细微的干湿收缩或化学收缩的裂纹再进一步扩大发展起来。在一般情况下，以温度收缩所产生的裂缝最为主要。如有的水泥稳定基层，在严冬季节由于产生温度收缩，竞能将砌上的路缘砖拉断。

3 裂缝的防治

在京津塘高速公路上，大量的实例调查表明，裂缝主要是来自半刚性基层的开裂，然后通过沥青面层自身的低温收缩这一内在机理，在基层的断裂处，致使沥青面层产生了集中的收缩应力和应变，从而使开裂延伸到沥青面层上来。沥青面层的收缩，与半刚性基层相比，从程度上讲，仅能是处于次要地位。因此，要解决好裂缝问题，首要的是应该解决好半刚性基层的开裂。

针对半刚性路面早期破坏的形式，目前主要采取下列措施:增加沥青面层的厚度;加强公路的排水设计，防止水损坏;采用干燥收缩、温度收缩系数小，抗拉和抗冲刷性能好的材料铺筑半刚性基层;选用抗裂性能好的沥青，改善级配，加强沥青路的抗裂设计;采取预开裂和预切缝技术措施;设置应力吸收层和封层，减轻路面应力传递。

在现场施工中主要在以下几个方面进行防治。

（1）基层材料的选择。通过对不同路段的调查表明，基层材料的种类对沥青面层的裂缝有明显的影响，即基层材料的收缩性愈小，面层裂缝愈少。其中石灰土碎石基层裂缝率最大，水泥碎石基层裂缝率次之，二灰碎石裂缝率最小。

（2）无机结合料稳定材料的含水量。干燥收缩是无机结合料的特性之一，当水量过大时，会加大材料的干缩应变，使基层产生干缩裂缝。

（3）在碎、砾石级配集料粒组成方面，规范中对粉料的含量控制得也不够严格，如0.5mm筛孔的通过量要求为6%～25%;0.074mm筛孔通过量为0%～10%。特别是级配碎石本身含有石粉，将0.5mm、0.074mm的颗粒通过量限制在规范的中下限或接近下限的范围。

（4）半刚性基层的养护与暴晒时间。半刚性基层的干缩应力的大小与混合料水分散失的速度成正比，特别是刚刚铺筑的半刚性基层，水分散失的速度非常快，混合料产生的拉应力较大，此时基层的抗拉强度还没有完全形成，若不能保证半刚性材料的含水量，即不能及时洒水养护，半刚性基层就会产生干缩裂缝。并且养护结束后，要及时铺筑面层，若让其暴晒，基层迟早会产生干缩裂缝（可见和不可见），这种[]裂缝将会反映到沥青面层，形成延伸裂缝。

（5）土工合成材料。铺设土工织物之后，可以约束和减少沥青面层局部集中出现的收缩应变，从而延缓裂缝的延伸，使基层的开裂受阻于土工织物，并在基层表面产生水平分布，使收缩运动只能传播部分的应力到沥青面层上来，在基层裂缝附近形成一个局部分离层。由于这种浸透沥青的土工布本身有柔性特点，其弹性模量仅为沥青混凝土的1/8，所以它在面层和基导之间可以起着一个缓解裂缝传递和分布的作用。土工合成材料一般宜选用玻纤格栅、土工织物等。目前部分高速公路及市政道路开始采用全断面铺筑玻纤格栅，以达到预防裂缝的目的。

4 裂缝的处理措施

对于宽度小于3mm的裂缝，可不予处理，及时注意观测;在3～5mm之间的裂缝常采用非开槽法，直接将缝刷扫干净，并用压缩空气吹净尘土后，灌注较稠沥青，填入干净的石屑或粗砂并捣实;在5～25mm之间的裂缝常采用开槽法修补。如果裂缝两侧出现一定宽度的网裂、沉陷、破碎带等，在处理裂缝时要挖除沥青面层后重新铺筑。了为防止横向裂缝的扩展，可在基层顶面裂缝两侧铺设一定宽度的玻纤格栅。

裂缝一般在冬、春季出现较多，在这个季节施工，由于灌缝温度较低，一般要注意对开槽部位进行预热，保证沥青胶的灌注温度，并且不能灌注太满，防止在夏季温度上升时溢出。

参考文献:

［1］沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.北京:人民交通出版社，2001.

［2］ JTJ073.2-2001公路沥青路面养护技术规范.

作者简介: 章学祥，男，葛洲坝集团第五工程有限公司，工程师。

来源：《人民长江》2008年第2期

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