新疆沙漠地区水泥稳定砂砾基层的裂缝控制措施研究

时间：2024-09-03

陈永胜

（中交第四航务工程局第一工程有限公司，广东广州 510420）

1 引言

新疆塔克拉玛干沙漠区四季气温变化大，冬季极端低温达-30.9℃，夏季极端高温达43.6℃，春季、秋季昼夜温差大、极端恶劣天气较多。在此特殊条件下，南疆沙漠地区沥青路面均不同程度出现各种损坏现象，最主要的为横向裂缝，遍布了大部分路段。裂缝的产生直接造成了路面结构寿命的衰减，对车辆行驶的舒适性和安全性产生了不良影响。沥青路面产生的裂缝主要源于基层裂缝反射至面层。基层裂缝除因下承层承载力不足导致的不均匀沉降外，由于基层本身在施工过程中导致裂缝产生的原因基本归纳为以下三种情况：温度裂缝—外界温度变化导致基层内部收缩产生的裂缝；干缩裂缝—水分蒸发及水化反应导致基层内部收缩产生的裂缝；施工裂缝—施工中质量控制不到位引起的裂缝。

在路面结构设计和施工过程中，预防和减少基层内部形成的裂缝是需要关注的重点之一，因此有必要对沥青路面基层的材料、设计和施工加以重视。对于水泥稳定基层的研究和应用，张静等[1-3]研究了减轻或避免水泥稳定基层反射裂缝新思路的微裂技术，并结合有限元软件开展了基于内聚力模型的微裂技术数值模拟，研究显示，微裂技术开展的时机宜在水泥稳定碎石基层施工结束养生2天后进行，微裂程度以抗压回弹模量下降40%为最佳。申爱琴等[4]利用ABAQUS 软件建立不同抗裂处置后不同运营阶段的路面模型，进行了水泥稳定基层沥青路面运营周期内动力学分析。研究人员[5-9]在查明水泥稳定碎石基层产生收缩裂缝原因的基础上，开展了季冻区公路抗裂型水泥稳定碎石基层的配合比设计，并探究了水泥稳定碎石基层裂缝控制措施和施工技术应用。陈柯等[10]将振动搅拌技术应用于高寒地区水泥稳定碎石基层的抗冻性与抗裂性研究，试验研究表明振动搅拌能显著降低水泥稳定碎石的收缩应变和收缩系数，振动搅拌水泥稳定碎石中的裂缝较均匀，裂缝宽度较小。

综合分析上述文献，从材料、配合比设计、施工等方面对水泥稳定碎石基层进行了研究，但鉴于新疆沙漠地区冬寒冷、夏炎热、昼夜温差大的气候环境，对基层材料的选取、配合比设计和施工工艺等均提出了更高的要求。本研究根据项目所处的位置和环境条件在检测原材料性能指标的基础上进行配合比比选，通过温缩试验确定最佳抗裂性能的配合比类型，开展选定类型基层的配合比设计和生产配合比验证，并最终提出适用于新疆沙漠地区水泥稳定砂砾基层施工工艺和基层裂缝的预防控制措施，并通过对施工路段裂缝的实测验证本文所选材料、配合比的优势。

2 原材配合比及试验方案设计

2.1 水泥

采用P·O 42.5水泥（专供道路），水泥凝结时间、安定性、比表面积、各龄期抗折强度、各龄期抗压强度等满足相应技术要求。

2.2 粗、细集料

水泥稳定砂砾所使用的三档粗集料分别为5mm～10mm、10mm～20mm、20mm～30mm，使用的细集料为0～5mm。经测试，粗细集料各项实测结果均满足规范的要求。

2.3 拌和水

水泥稳定砂砾基层所使用的拌和水的性能见表1。本研究水泥稳定砂砾基层所使用的拌和水测试结果满足技术要求。

表1 拌和水试验检测结果

2.4 试验方案设计

水泥稳定基层施工过程中，由于温缩和干缩变形而产生裂缝，为了尽量避免裂缝病害对路面整体强度和稳定性造成不利影响，通过对比路面基层规范（JTG/T F20-2015）中的不同水稳基层级配类型来选用抗裂性能较好的基层集料级配，以便减少裂缝的产生。根据规范推荐的C-B-1、C-B-2、C-B-3三种类型配合比，三种级配各档集料的通过率见表2～表4。

表2 C-B-1型水泥稳定砂砾基层的级配范围

表3 C-B-2型水泥稳定砂砾基层的级配范围

表4 C-B-3型水泥稳定碎石基层的级配范围

根据表2～表4 中所选级配，本文统一按4.5%的水泥剂量分别配制了三种级配的水稳基层混合料制作梁式试件，温缩试验试件的尺寸为100mm×100mm×400mm，同一配合比的混合料制备3 个平行试件，对制备的试件进行养生，龄期为7d。将养生后的试件放入105℃的烘箱中烘干10h～12h，使试件至恒重，测量试件的初始长度，并安放至收缩仪上，装置千分表，测定试件随温度的变形量；设定高低温交变试验箱的温度范围为10℃～60℃，升温速率为0.5℃/min，在每个温度区间保温2h，在保温结束前5min内读取千分表读数，即可获得试件在每个温度区间的变形量。温度随时间的变化如图1 所示。按照图1 的温度随时间的变化设定温缩变形测量仪的变化参数，并记录不同级配试件随时间、温度的变形数据。

图1 温度随时间变化

3 结果分析及应用

3.1 温缩试验结果分析

不同级配范围（C-B-1、C-B-2、C-B-3）的试件变形如图2所示。

图2 不同级配类型试件变形量随时间的变化

按照图2中的变形数据统计各温度区间的变形量，见表5。温缩系数的计算公式见式（1），计算结果见表6。

表5 不同级配类型的水泥稳定砂砾变形量

表6 不同级配类型的水泥稳定砂砾温缩系数

由表5和表6可知，不同的级配类型对变形量的影响均比较明显，在同等温度变化条件下，C-B-3型级配的总变形量及变形系数最小，变形量的大小顺序为CB-2>C-B-1>C-B-3。主要原因为混合料集料中大于9.5mm 的粗料为C-B-3（52%）>C-B-1（44.5%）>C-B-2（34.5%），集料中粗集料含量越多、公称最大粒径越大，变形量及变形系数就越小。根据项目特点并结合《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中推荐的水泥稳定砾石基层级配，最终选择C-B-3 型级配进行配合比设计及施工。

3.2 工程应用

3.2.1 项目概况

依托项目为新疆G0711线公路，项目地处新疆塔克拉玛干沙漠区，沥青路面结构分两层，上面层为5cm 的SBS 改性沥青混凝土（AC-16C），下面层为7cm 的粗粒式沥青混凝土，沥青层以下为半刚性基层，基层材料为36cm的水泥稳定砂砾。

3.2.2 混合料配合比设计

水泥稳定基层混合料合成级配如图3所示。

图3 水泥稳定基层混合料合成级配

3.2.3 水泥剂量的确定

设计级配确定后，按照不同水泥剂量（3.0%、3.5%、3.7%、4.0%、4.5%、5.0%）制备混合料，进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表7。

表7 不同水泥剂量水稳混合料试验结果

经试验对比，在水泥含量3.5%、3.7%、4.0%、4.5%、5.0%时，试件强度平均值、代表值均满足要求。在确保强度满足设计要求的情况下，降低水泥用量不但经济合理且能减少裂缝的产生，经综合考虑拟选取的最佳水泥剂量为3.7%，最大干密度为2.434g/cm3，最佳含水率为5.0%，强度及各项指标符合规范及设计要求。

3.2.4 生产配合比验证

四档集料分为1#料粒径19 mm～31.5mm、2#料粒径9.5 mm～19mm、3#料粒径4.75 mm～9.5mm、4#料粒径0～4.75mm，筛分结果见表8。

表8 集料筛分结果

经筛分确定每档集料每个筛孔的标准差及变异系数，四挡集料比例为1#料：2#料：3#料：4#料=25%：19%：26%：30%时集料的合成级配符合C-B-3 的范围要求。生产配合比试验结果表明，3.7%水泥剂量2h、4h、5h 延迟强度和各项指标符合规范及设计要求，3.7%水泥剂量最佳含水率增加1%后，2h、4h、5h延迟强度和各项指标均符合规范及设计要求。

故确定最终基层生产配合比为1#料粒径19 mm～31.5mm：2#料粒径9.5 mm～19mm：3#料粒径4.75 mm～9.5mm：4#料粒径0～4.75mm=25%：19%：26%：30%，水泥剂量为3.7%，最大干密度为2.434g/cm3，最佳含水率为5.0%，施工压实度按98%控制。

4 裂缝的有效控制措施

4.1 温缩裂缝的控制措施

①在水稳基层配合比设计中选择在同等温度变化条件下抗裂性能较佳、变形系数较小的C-B-3 型级配范围。

②由于南疆地区的特殊沙漠气候，基层施工时间尽量安排在温差相对较小的5月份至9月份进行。

③基层完成后要尽快完成沥青面层的施工，以减少基层在自然环境中暴露的时间，能有效减少外界环境温度的影响。

4.2 干缩裂缝的控制措施

①在满足规范及设计要求强度的情况下，配合比设计中尽量减少基层混合料的水泥用量，能有效减少水泥水化反应产生的干缩裂缝。

②在南疆沙漠地区干燥、多风、沙尘天气多的气候条件下，需重点加强基层的养护。养护方式需采取保水性较好的复合土工膜全覆盖加洒水湿润的双重养生方式，养生期限不少于7d，在有条件的情况下应加长养护时间，能有效减少由于水分蒸发造成的基层混合料干缩。

4.3 施工裂缝的控制措施

①严控原材料源头质量，杜绝使用不合格的材料。

②混合料拌和过程中加强试验检测，定时定量抽检水泥用量、含水量和集料级配等控制指标。

③混合料运输中需前后移动按“品”字形装料，以防离析。运输车辆使用篷布覆盖，防止混合料污染及水分蒸发。

④施工现场通过试验段确定最佳施工机械及人员组合、松铺厚度、碾压遍数、最佳含水率等控制指标，总结出标准化施工工艺流程并严格实施。

4.4 裂缝的预防措施

水泥稳定砂砾作为路面基层结构，尽管采取了以上控制措施，但不可避免的仍会有温缩和干缩裂缝的产生。为实现对裂缝的预防和控制，保障路面结构稳定性与承载力，使其更好满足车辆通行需要，施工过程中采取了在基层上设置伸缩缝的方式来预防和减少裂缝的发生，即基层每100m设置一道2cm宽伸缩缝，伸缩缝横向纵向均需贯穿基层，深度即为基层的整体厚度，伸缩缝位置及间距可根据桥涵结构物进行适当调整。具体施工步骤为：

①用切缝机进行切缝处理，切缝完成后将缝隙清扫干净，并用压缩空气吹去尘土。

②清理完成后，在缝隙处灌注热沥青，为防止沥青流动在灌注过程中适量加入5 mm～10mm的碎石。

③在沥青面层施工前，在切缝处加铺玻纤格栅，格栅宽度为2m，两侧各1m。

5 工程应用效果

项目所在区域属于夏炎热冬寒干旱区，施工时间为2020年6月至10月、2021年9月，即施工完成的基层经历一个完整的冬季与夏季后，经现场观察局部段落出现了横向裂缝，根据不同的影响因素统计分析如下：

①配合比对裂缝产生的影响统计分析。

在项目的相临标段前期采用的是C-B-1 级配标准，与本项目C-B-3 级配标准的生产配合比水泥剂量相同。为了避开环境因素的影响，选取施工时间段大致相同的两段基层进行裂缝的统计，见表9。

表9 配合比影响统计表

由表9可知，两种级配标准施工的水稳基层在同等条件下平均每公里的横向裂缝采用C-B-3级配标准施工的水稳基层为3.1条，采用C-B-1级配标准施工的水稳基层为6.3条，采用C-B-3级配标准的配合比进行施工，裂缝显著减少。

②施工温度对裂缝产生的影响分析。

南疆地区早晚温差大，9月底以后施工环境温度逐渐降低，且昼夜温差相对比较大，选取施工时间在9 月份前后施工的两段基层裂缝情况进行对比分析，见表10。

表10 施工温度影响统计表

由表10 可知，相同的级配标准及工艺在不同的施工温度条件下平均每公里裂缝数量分别为3.1 条和3.9条，在9月份以后施工的基层段落产生的裂缝数量要高于9月份前施工的数量，说明在温差较小的季节进行施工有利于减少裂缝的产生。综合表9、表10数据，本项目在采取一系列措施后，每公里裂缝平均数量明显低于采取C-B-1 级配标准的相临标段，下降38.1%至50.8%，应用效果显著。