高速公路水稳基层裂缝成因及防范措施

高速公路水稳基层裂缝成因及防范措施

摘要：水泥稳定碎石基层是根据水泥、碎石、砂和水按一定比例进行配制的路面结构层承重结构,也是底基层与路面两层的中间结构,它具有强度高、水稳定性好的优点。但它和水泥砼路面一样施工工艺要由于水泥稳定碎石具有强度高且水稳定性好的特点,水泥稳定碎石结构作为高等级路面的基层,得到了越来越广泛的应用,且取得了较为丰富的经验。但由于其结合料为水泥,施工工艺要求较高,而且需要较好的施工管理环境,否则就极易产生早期裂缝。文章以高速公路工程为背景，分析水稳基层裂缝成因，从原材料、施工及养护管理等方面的提出了综合的防治措施,以保证公路路面的正常使用。

关键词：高速公路；水稳基层；裂缝；防范措施

水稳基层是一种水泥硬化后形成的板状半刚性体。其刚度和强度较高，有利于确保路基承载力和稳定性，预防质量问题发生，可更好地满足车辆通行需要。此外，水稳基层还可以全面进行机械化施工，减少对周围环境影响，是高等级公路施工的首选基层。然而，由于水稳基层工程质量要求高，抗裂变能力低且易受温度影响从而出现裂缝。不仅会降低水稳基层外形美观程度和结构强度，而且还会引发反射裂缝、横向裂缝、路拱等问题，影响公路工程质量和行车舒适度，甚至加大养护维修费用，缩短工程使用寿命。为此，有必要采取裂缝防治技术，预防裂缝发生，提高水稳基层施工效果和工程质量，为车辆安全顺利通行创造有利条件。

1.水稳基层裂缝成因

1.1干缩裂缝

在高速公路工程建设过程中干缩裂缝现象常常会发生，主要由于干缩所造成的，通常产生于压实成型到养护阶段和从养护完成到面层施工阶段，在这两个阶段所产生的干缩裂缝原因相同，不同的是损害程度。在压实成型到养护阶段所产生的干缩裂缝主要是由于混合料的养护和拌合的过程中往往需要水，如果在此过程中水分大量蒸发，那么就可能造成混合料收缩，从而导致开裂的现象发生；在养护完成到面层施工阶段所持续的时间比较长，常常会经历天气多变的现象，如果混合料出现饱水和干燥两个状态频繁变化，那么就可能造成混合料体积增大或者是干缩，从而造成裂缝的产生，相比于第一段所产生的裂缝，这种裂缝危害性比较严重。

1.2荷载裂缝

在高速公路工程中车道上常常会出现荷载裂缝，这种地方宽度通常为1mm，而且会逐渐的向路肩方向延伸，虽然荷载裂缝宽度比较小，但是常常会发生多条荷载裂缝相互交叉的现象。荷载裂缝常常在高速公路工程投入运营阶段后所出现的。荷载裂缝的产生主要是由于基层成型表面存在不均匀的现象，在投入使用后极可能造成基底出现开裂或者是损伤的问题，从而造成荷载裂缝的产生。通过对基层结构受力的研究和分析，主要受到的是拉力，因此荷载裂缝逐渐向上发展。在高速公路工程长期投入使用后，基层会出现疲劳性裂缝，从而导致裂缝产生，如果没有在第一时间对其进行有效处理，那么就可能造成基层出现坑洞的现象。

1.3温缩裂缝

温缩裂缝的产生主要是因为水稳基层受到热胀冷缩作用，高速公路工程的水稳基层属于半刚性体，同样具有热胀冷缩属性。在半刚性体对裂缝产生的角度研究，主要有以下三方面内容：第一方面，如果高速公路工程土路床或者是路基发生沉降的现象，就可能造成裂缝的产生。如果在土路床或者是路基施工的过程中出现超挖或者是欠挖的现象，那么就可能造成土方回填以后难以有效达到承载力要求，从而导致裂缝产生。如果在回填施工过程中，施工参数难以满足工程要求，或者是填料性质难以满足工程要求，极可能导致路基发生不均匀沉降问题，甚至还可能造成坍塌的现象发生；第二方面，基层开裂是因为上部荷载作用而造成的。如果水稳基层强度通常在2.5MPa~3.0MPa的范围内，若在高速公路养生期投入到使用的过程中，极可能导致水稳基层未充分固化，在外力的作用下被破坏，从而导致裂缝产生。在养生结束投入使用后长期通行大量的重载车，极可能导致基层难以承受巨大荷载，从而造成裂缝产生；第三方面，由于水稳基层水分大量降低而造成干缩裂缝，通常主要指的是混合料硬化水分降低体积收缩，最终造成裂缝均匀产生；第四方面，通常主要是因为混合料出现了热胀冷缩的现象，最终形成温缩裂缝。

1.4沉降裂缝

公路工程通车运营后，在水稳基层会产生纵向沉降裂缝。沉降裂缝主要成因是：局部路基和底基层压实度不合格，导致路基不均匀沉降。加之重载车辆反复作用下，容易出现反射裂缝。这种裂缝呈弧状分布，表面会出现一定高度差。此外在路桥过渡段，如果压实度不够，可能出现横向沉陷裂缝。

1.5网状裂缝

网状裂缝也称为龟裂，主要成因是局部弯沉过大，加之外力作用影响，使得水稳基层出现结构性破坏，进而引发裂缝。网状裂缝一旦出现，会给水稳基层带来较大破坏。如果得不到及时修复，雨天很容易出现雨水下渗，在车辆轮胎反复碾压下，路基会出现翻浆现象。

1.6施工裂缝

施工裂缝也是常见的裂缝类型之一。部分施工单位在水稳基层工程建设中，未充分认识加强质量控制的重要性；混合料施工质量控制不到位，未认真遵循施工技术规范要求进行施工；混合料含水量不合格，未严格按要求开展摊铺和碾压施工，影响水稳基层施工质量。

2.水稳基层裂缝的成因

2.1水泥的影响

（1）品种不同的水泥具有程度不同的收缩性，如矿渣水泥要比硅酸盐水泥收缩性大。（2）忽视抗折强度：抗折强度愈大，混合料抵抗内部温度应力的抗拉强度越大，越不易产生温缩裂缝。施工过程中，检验水泥性能时人们习惯重视抗压强度，而抗折强度没有引起足够的重视。（3）水泥生产后存放期不足，就直接投入混合料拌和，由于水泥在拌和水化过程中产生大量的水化热，使其内部的高温与外部的温度形成温差，在一定条件下产生温度裂缝。（4）盲目追求高强度，加大水泥剂量，但混合料中水泥剂量越大，收缩作用就越大。在满足设计强度的前提下，水泥剂量应选择小值。

2.2水分的影响

混合料中水分减少愈多愈快，产生的收缩应力就越大。因此，混合料中含水量越大，水分影响就越显著。

2.3集料的影响

（1）粒径：不同粒径的集料其干缩性不同，细粒土比粗粒土的干缩性大。（2）性质：塑性指数大的颗粒干缩性大。（3）级配：级配的优劣影响混合料的均匀性、稳定性和耐久性。优良的级配能保证混合料的拌和质量，能降低水泥的用量，施工过程中不易发生离析。

2.4养生不及时

水稳基层的养生十分关键，在养生期内必须保证表面的湿润，洒水应及时、均匀，否则在干燥炎热的气候条件下，2d～3d就会出现干缩裂缝。养生期满后，没有立即洒透层油保护，使水稳基层长期暴露在外，而外界温度的变化、降雨、交通荷载均会影响基层的性能。

2.5施工中的影响

（1）拌和质量不高，集料计量不准确，集料的级配得不到保证，水泥和水的用量控制不严，每盘料差异太大；拌和时间不足、拌和不均匀，易出现粗细料集中、离析等现象。混合料铺筑成型后，由于不同地段、上下层之间的干缩温缩性能不同，易产生裂缝。

（2）压实不充分，使基层不够密实，空隙率大，抵抗干缩、温缩拉应力的能力也会大大降低。

（3）碾压时混合料中含水量偏大，碾压后残留水分过多，或混合料的含水量不一致，忽干忽湿，造成不同地段或上下层之间干缩温缩性能不同，在外界条件影响下，易产生裂缝。 2.6离析现象

造成离析的原因有很多，水稳混合料在搅拌过程中发生的放料离析，在运输过程中发生颠簸离析，在卸料过程中发生卸料离析，在摊铺过程中发生摊铺离析，在找平过程中发生找平离析等。从在开裂路段取芯情况及室内试验结果来看，水泥稳定碎石抗压强度均大于设计值，只有个别细集料偏多的芯样强度较其他芯样低，易产生离析。

2.7其它原因

从基层裂缝段和正常段落现场调查情况看，裂缝段水稳基层芯样成型情况稳定性稍差，变异性较大，其原因主要是秋冬季节施工时水分蒸发较慢，水泥终凝时间缩短；摊铺时没有根据天气情况适当调整水泥用量和拌和用水量。施工碾压时含水量越大，结构层越易产生干缩性裂缝，应确保碾压时混合料含水量在最佳含水量范围内。另一方面，施工时应严格控制灰剂量，灰剂量越高越容易产生收缩裂纹。

3.水稳基层裂缝防治的意义

裂缝防治是水稳基层施工中不可忽视的重要内容，也是施工单位必须重视和关注的问题，其主要作用表现在以下方面。

3.1确保结构稳固可靠一旦水稳基层出现裂缝，不仅影响结构外形美观，还会降低结构的稳定性与可靠性，使路面无法承受行车荷载。而通过加强施工质量控制，能弥补水稳基层施工中的不足，预防裂缝等质量问题，有利于确保结构稳定性，使其满足车辆通行需要。

3.2提高结构承载力和耐久性

水稳基层施工中，通过把握施工技术要点，加强施工过程质量控制，提高混合料质量，预防裂缝等问题发生。不仅有利于顺利完成水稳基层施工任务，还能提高结构承载力和耐久性，使其满足车辆通行需要。

3.3延长公路使用寿命 裂缝的出现，降低水稳基层结构承载力，不利于水稳基层作用的充分发挥。作为施工人员，在公路工程建设中，把握水稳基层施工质量控制要点，及时修复存在的质量缺陷，增强结构承载力，从而预防质量问题的发生，延长公路工程使用寿命，降低养护维修费用。

4.水稳基层强度形成机理

水泥发生水化作用时，氢氧根离子与钙离子共存，集料当中含有的矿物成分可以形成结晶，包括块状、针状与板状，水泥颗粒表面不同离子之间将产生吸附交换，使细集料与矿物颗粒发生集聚，增加颗粒的粒径。水泥水化作用间共产生很多氢氧化钙，该产物有较强的吸附性，与粗集料结合，进而形成强度。伴随水泥水化不断进行，溶液中将有大量钙离子析出，如果钙离子实际数量超出离子交换所需，则氧化硅与氧化铝将在进行碱性条件下和钙离子发生反应，生成无法在水中溶解的矿物，进而使混合料实际强度增加。另外，水中含有的碳酸与空气当中的二氧化碳将不断被游离状态的氢氧根离子吸收，使集料自身强度明显增加。

5.水稳碎石基层裂缝的防治措施

为提高公路工程施工效果，预防水稳基层裂缝，根据现场实际和施工经验，有必要采取以下技术措施。

5.1加强施工前的准备

为了能够有效抑制水稳基层裂缝的产生，那么一定要充分做好相关的准备工作。在高速公路工程开展摊铺水稳碎石混合料施工前期，务必要确保底基层具有良好的平整度，而且还需要对底基层进行有效的清理，在清理结束后需要洒上一层水，这主要是为了在摊铺施工环节尽可能降低摩擦阻力，从而减小拉应力，从而达到抑制裂缝产生的效果。通过洒水不仅能够降低摩擦阻力和拉应力，而且还能够有效提升水稳碎石基层成型后的强度，这主要是因为蒸发的水分在一定程度上能够促进水化反应的进行，从而达到提升水稳碎石基层成型后强度的效果。

5.2原材料选择与控制 水泥品种不同，其收缩性存在差异。一般而言，矿渣水泥或高标号的水泥，其收缩性更大。因此，水稳基层施工中，一般选用32.5#普通硅酸盐水泥，同时要加强质量检测，确保综合性能良好。需要注意的是，不能为了片面追求高强度而过分提高水泥标号或水泥用量。需要在保证混合料强度符合要求的前提下，将水泥剂量控制在4.0%～5.5%之间。另外，为延长水泥初凝时间，要加入缓凝减水剂、缓凝阻裂剂等，进而改善水泥性能，预防裂缝产生。

水稳基层碎石的压碎值一般不大于35%。常用0～37.5mm机制级配碎石，需满足干净、整洁、质地坚硬的条件，严格控制含泥量。

采用细度模数在2.3～3.0之间的中粗砂，严格控制细度模数，使其满足施工需要。如果砂太细且含泥量超标，会增大水泥干缩性，容易引发裂缝。此外还要适当添加外加剂，常用缓凝阻裂剂补偿收缩，掺入量控制在5%～10%之间，以利于减少收缩，预防裂缝产生。