半刚性基层材料体积胀缩特性及缩裂防止

　　文章针对半刚性基层材料常出现的收缩裂缝病害，现有的评价指标有干缩系数、温缩系数、干缩抗裂系数、温缩抗裂系数，这些系数都只限于应变，没有涉及应力。提出了干缩能抗裂系数、温缩能抗裂系数，从能量的观点把应力和应变结合起来有效地评价半刚性基层材料抗裂性。

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　　1 非荷载裂缝产生原因及其影响因素

　　1.1 温度胀缩原因及其影响因素

　　半刚性材料产生体积干缩的程度与下述一些因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定土的类别(细粒土、中粒土和粗粒土)、粒料的含量和含水量及龄期等。一般而言，无机结合料稳定细粒土的干缩系数大于稳定中粒土和粗粒土的干缩系数。在无机结合料稳定细粒土中，稳定塑性指数大的粘性土混合料的干缩系数大于稳定塑性指数小的粉性土或砂性土混合料的干缩系数。石灰粉煤灰稳定土的干缩系数小于石灰稳定土和水泥稳定土的干缩系数。影响半刚性材料温度收缩性质的主要因素是含水量、集料环境温度和龄期等。半刚性材料的温缩系数大致与干缩系数有如上相同的规律。通常情况下，稳定细粒土基层在养生过程中或在养生后能较及时地铺筑沥青面层，在正常温度下不至于产生温缩裂缝。

　　1.2 干燥收缩及影响因素

　　混合料中的液态水分包括自由水、毛细水、吸附水。无机结合料稳定材料经拌合压实后，由于水分蒸发和混合料内部的水化作用，混合料中的水分不断减少。由此发生毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等。

　　随着水分蒸发，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。毛细水蒸发完后随着相对湿度继续变小，材料中的吸附水开始蒸发，石颗粒表面水膜变薄，颗粒间距变小，分子力增强，导致其宏观体积进一步收缩。此外结合料中含有大量层状结构的晶体和非晶体，如粘土矿物、水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化胶凝物，期间有大量层间水。随着相对湿度的进一步下降，层间水在水化胶凝物中迁移或蒸发，致使晶格间距减小，从而引起整体材料收缩。

　　2 温缩裂缝控制措施

　　2.1 减小材料温缩系数

　　基层混合料组成是影响温度收缩变形的主要因素。稳定粒料土的Tt明显小于稳定细粒土的Tt，如二灰碎石在-20℃时的Tt=11.4×10-6～15.3×10-6，而二灰土的Tt=30×10-6～53.3×10-6。影响稳定粒料土Tt的主要因素有粒料中粒料或土的质量分数、结合料的种类等。对于二灰碎石混合料，碎石质量分数增加，Tt减少，见表1。

　　对某一固定粒料含量的混合料，二灰比中粉煤灰含量增加，有利于Tt减小，例如，石灰∶粉煤灰∶碎石=3.5∶11∶85.5与6.5∶8∶85.5在-15℃时的Tt分别为8.9×10-6、9.5×10-6。二灰碎石中5mm以下砂粒质量分数增加，Tt增大。例如，砂粒质量分数为18%和28%的二灰碎石在-10℃时的Tt分别为14.0×10-6和21.8×10-6。因此，在保证混合料抗压强度的前提下，尽可能地减少二灰及集料中细料的质量分数，以最大限度地提高二灰碎石的抗裂性能。对于水泥稳定粒料，掺加5%水泥剂量，Tt随温度的变化最小(8.03×10-6～10.53×10-6)。Tt随粒料中含土量增加而增大，在采用水泥或二灰稳定粒料(土)做沥青面层的基层时，应尽量采用不含塑性细土的级配粒料。

　　2.2 提高半刚性材料的极限拉应变

　　在工程实践中，可近似地采用材料的抗弯拉强度与抗弯拉回弹模量之比作为极限拉应变，即Xmax=SE，在同样强度情况下，刚度愈小，极限拉应变愈大。取不同粒料含量和不同二灰比的二灰砂砾材料进行试验。砂砾质量分数为50%的二灰砂砾材料的抗弯拉强度低，抗弯拉模量也低，极限拉应变却大。砂砾质量分数为80%的二灰砂砾材料的S低，而E降幅不大，Xmax也小。通过分析，在砂砾质量分数为60%～70%时，二灰砂砾材料的抗裂性较好，强度和刚度值最高。

　　3 改善粒料土的种类选择适宜的无机结合料

　　当采用无机混合料稳定细粒土(如：砂土、亚粘土)基层时，在细粒土采集过程中，不得人工过多掺入塑性指数较大的土，覆盖层上的不适宜土必须清除。倘若必须掺土，应选用均匀系数不小于10，塑性指数不大于12的土。对于塑性指数大于12的粘土，必须过15mm的方孔筛，以提高底基层单质材料质量和整体强度。当采用无机混合料稳定粒料(如：级配碎石、级配砾石)基层时，混合料中粒料的比例应大于80%，同时粒料需具有良好的级配，且粒料中不宜含有塑性指数的土。对于塑性指数小于12的轻亚粘土和亚砂土，用水泥稳定比较合适;对于塑性指数大于18的重粘土，用石灰稳定或用石灰和水泥综合稳定比较适合;对于塑性指数在15左右的轻亚粘土，则用各种方法都能达到规定的强度要求，差别仅在抗拉强度的大小。在施工过程中，要了解和掌握更多的可用料源，从而可以更经济地实施路面工程。严禁用设计阶段的指导性配合比代替施工阶段的实施性配合比。

　　4 施工温度控制

　　半刚性基层温缩的最不利季节为温度在0-10℃时，也就是春初和秋末，施工温度应控制在10℃以上。施工时温度的控制是有效避免半刚性基层产生裂缝的有效措施。平均温度低的低温施工，半刚性材料以温缩为主。平均温度高的高温季节施工，半刚性材料以干缩为主。半刚性材料基层一般在高温季节修建，成型初期基层内部含水量大，且尚未被沥青面层封闭，基层内部水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存在昼夜温度差，因此，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用，必须控制修建时的最低温度，以强度的增长抵抗干缩和温缩的影响来减少或避免裂缝，同时还必须注意养生保护。

　　5 结语

　　半刚性基层沥青路面在车辆荷载和自然因素的作用下，尽管开裂现象十分普遍，但是只要认真分析裂缝的形成机理和产生裂缝的原因，从工程设计到施工过程中的每一个环节，实事求是，因地制宜，做到设计合理，施工规范，质量过硬，就能避免或减少裂缝的产生，并使其具有足够的强度、刚度、稳定性、耐久性和表面性，从而延长路面的使用期限。

　　参考文献

　　[1] 李立寒，张南鹭.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社，2009.

　　[2] 李文照.半刚性基层收缩裂缝成因分析及防治[J].工程施工，2011 (12).

　　[3] 章学祥，柳新根.半刚性基层收缩裂缝的成因与防治[J].人民长江，2008(39).