公路工程半刚性基层开裂研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-03-14作者简介：张飞云（1979），男，工程师，从事公路建设管理工作。公路工程半刚性基层开裂研究张飞云（宜春市公路事业发展中心高安分中心，江西 高安 330800）摘要：为在确保半刚性基层结构强度的同时做好裂缝预防，展开不同级配及水泥掺量下高等级公路半刚性水稳碎石基层力学性能及收缩性能的试验，对结构强度、干缩及温缩系数随水泥掺量变化的趋势规律进行分析。根据试验结果构建干缩及温缩系数与水泥掺量回归模型以及抗压强度和弯拉强度关系模型，确定合理的水泥掺量范围，以期为高温地区高等级公路半刚性基层材料设计、结构设计提供参考。关键词：高等级公路；半刚性基层；开裂；干缩裂缝中图分类号：U416.1文献标识码：B0 引言水稳碎石材料刚度大、强度高、水稳性能优异，在我国南方高温地区较为常用，但其干缩裂缝和温缩裂缝却始终困扰着设计人员。公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）中将水稳碎石基层7 d无侧限抗压强度设计值要求提升至5.07.0 MPa，同时将水泥用量提高至5.0%9.0%。通过增大水泥用量的方式提升结构强度，虽能达到质量控制要求，但材料温缩开裂的风险也随之增大。此外，技术细则还调整了水稳碎石基层设计级配范围，细集料用量明显增加，基层结构干缩开裂的风险也随之增大。基于此背景，对我国南方高温地区高等级公路半刚性水稳碎石基层力学性能、收缩性能展开试验，并沿用综合抗裂性能评价思路，确定不同级配下合理的水泥掺量，在满足规范强度要求的基础上可有效避开干缩开裂和温缩开裂。1 试验设计1.1 原材料及级配为展开公路半刚性基层开裂性能试验，以工程所在地压碎值较大的花岗岩为水稳碎石材料，选用 PO42.5普通硅酸盐水泥（细度为3.8%），初凝和终凝时间分别为203 min和450 min，3 d抗压强度及抗折强度为 27.5 MPa 和 5.8 MPa，28 d 抗压强度和抗折强度为45.0 MPa和7.7 MPa，原材料性能全部符合公路路基设计规范（JTG D302017）要求。根据我国南方高温地区高等级公路设计经验，结合现行规范，以4.75 mm孔径通过量为基础1，依次设计3组级配，见表1。表1 级配设计方案级配类型细级配中级配粗级配通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）0.0753.63.22.80.156.25.54.70.38.77.76.60.615.613.811.91.1818.516.414.02.3627.824.521.04.7539.234.830.39.560.454.550.813.268.164.732.116.078.678.077.019.085.786.185.626.599.199.299.231.51001001001.2 成型试件根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512016）的具体要求，对以上级配方案及水泥用量依次为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的混合料展开最大干密度和最佳含水量测试，并结合击实结果确定出各种混合料的最大干密度和最佳含水率。采用规程中静压成型法制作直径150 mm、高150 mm的圆柱形试件和长 400 mm、宽 100 mm、高 100 mm 的梁试件，压实度均为98%，对圆柱形试件和梁试件分别展开7 d无侧限抗压强度试验和弯拉强度、温度收缩、干燥收缩试验。两种试件成型后均置于（202）及相对湿度95%以上的环境内养生相应龄期。2 试验结果分析2.1 无侧限抗压强度圆柱形试件养生7 d后以1.0 mm/min的速度进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表2。由表2可知，不55总656期2023年第26期（9月 中）同级配水稳碎石抗压强度和弯拉强度均随水泥用量的增加而增大；细集料用量越多，整体表面积越大，与水泥砂浆的接触也越充分，故在相同水泥质量分数下，试件7 d无侧限抗压强度均随4.75 mm筛孔通过率的增大而增大2。表2 水稳碎石强度试验结果级配类型细级配中级配粗级配水泥用量（%）4.55.05.56.04.55.05.56.04.55.05.56.07 d无侧限抗压强度均值/MPa6.046.917.628.165.536.416.987.345.185.966.416.94偏差系数6.486.655.966.326.286.627.066.325.538.077.349.55代表值/MPa5.426.146.857.314.965.436.156.614.715.175.636.2190 d弯拉强度均值/MPa1.531.912.122.451.321.651.882.121.181.441.731.99变异系数6.495.677.836.236.217.125.996.137.206.236.755.98代表值/MPa1.371.731.852.211.191.471.711.921.041.281.561.78根据表2试验结果，拟合出不同级配水稳碎石7 d抗压强度、90 d弯拉强度与水泥用量的回归方程，相关系数均在0.945 1以上，表明水泥用量对水稳碎石抗压强度、弯拉强度影响较大。细级配回归直线斜率最大，粗级配回归直线斜率最小，意味着级配越细，抗压强度随水泥用量的增大而大幅增长。根据水稳碎石强度试验结果，在水泥掺量取4.5%6.0%时，细级配和中级配水稳碎石抗压强度为 4.957.30 MPa，符合高等级公路基层强度规范要求。由此，在充分考虑水稳碎石材料较大变异性能的基础上，应将水泥掺量确定在4.5%7.0%。2.2 弯拉强度将梁试件养生90 d后以50 mm/min的频次展开弯拉强度试验，试验结果见表2。对水泥用量和弯拉强度试验结果展开线性回归，根据回归结果，梁试件90 d弯拉强度随水泥用量的增大而线性增长，回归曲线相关系数取值在 0.99以上。相同水泥掺量下，梁试件 90 d弯拉强度随水泥掺量的增大而增大；且细级配回归直线的斜率值最大，说明水稳碎石混合料弯拉强度随细集料掺量的增大而大幅增加。细级配混合料弯拉强度代表值符合公路实际及规范要求，可直接用于工程实践。2.3 抗压强度和弯拉强度的关系高等级公路半刚性基层层底拉应力是路面结构设计时关键考量指标之一，路面材料配合比设计时以抗压强度为主要控制指标3。为此，必须研究抗压强度和弯拉强度的关系，以便根据其中一个指标测算另一个。以细级配为例，7 d抗压强度和90 d弯拉强度的关系式可表示为：Rc=0.0307S2.1670eR2=0.9372（1）式（1）中：Rc为半刚性基层混合料90 d弯拉强度；Se为混合料7 d抗压强度；R2为相关系数。根据两者的关系，在设计人员确定出半刚性基层层底极限弯拉强度的基础上，可推导出抗压强度；反之亦然。3 基层开裂过程分析通过劈裂试验可确定出高等级公路半刚性基层试件 28d 拉伸强度，基层材料强度发展规律如式（2）所示：sp=+bd（2）式（2）中：、b为回归系数；d为半刚性基层养护时间，通过内插法计算不同养护时间下半刚性基层拉伸强度。根据该公式，假定表示成型试件因集料间的作用而形成的初始强度，b表示基层材料因稳定剂固化而形成的强度，故为定值，b值则根据材料实际劈裂强度回归结果进行调整。半刚性基层板体首次开裂与摩阻力、收缩应变、板体结构、材料强度有关，假定基层板体长度为L，原点设定在板体中心，并以基层发生干缩应变时板体边缘L/2处为固定点，板体中心处底面摩阻力达到最大。分别计算不同时间下中心点拉应力，如果计算结果显示的拉应力比基层材料抗拉强度大，则基层板体必将出现断裂；一次开裂后基层板体会持续失水收缩，在前次干缩应变完全转化为裂缝后，半刚性基层板体和下基层间的摩阻力将消失。按照以上步骤继续展开基层板体下次开裂时间的计算。假设半刚性基层板体长100 m、厚30 cm，按照路拌法计算摩阻力。结合高等级公路基层施工及养护实际，以工后12 h板体具有初凝强度为起算时间。不同基层材料板体出现首次断裂及最后一次断裂的时间见表3。由表3可看出，水泥用量不同时，半刚性水稳碎石基层首次裂缝发生的时间较为集中，前后相差不超出30 min。造成这种现象的原因在于基层材料失水收缩初期干缩应变相同，材料强度也以初凝强度为主4。随着养护龄期的延长及水泥水化反应的进行，不同水泥掺量下基层强度以不同速率递增，抗拉强度差距随之出现，进而引发基层最终开裂出现较大差异。56交通世界TRANSPOWORLD表3 半刚性基层材料首次开裂及最终开裂情况水泥用量（%）4.55.05.56.0首次开裂开裂时间/d0.790.8070.8110.176干缩应变（）7.918.078.102.62劈裂强度/MPa0.3120.3180.3190.102裂缝间距/m100100100100最终开裂开裂时间/d11.213.142.2411.67干缩应变（）13818034215劈裂强度/MPa0.340.420.330.14裂缝间距/m25255012.54 抗裂性能影响因素分析4.1 原材料的影响水泥掺量与水稳碎石基层混合料强度、温缩系数、干缩系数、弹性模量等直接相关。一般情况下，随着水泥掺量的增大，混合料弹性模量、强度、收缩系数均增大。在满足强度要求的基础上，尽可能减少水泥用量，可以控制混合料收缩系数和弹性模量。结合以上试验结果，水泥掺量应控制在4.0%6.0%，为保证满足混合料性能要求，需更换水泥类型、改善级配、加强碾压成型时间。此外，还应通过掺加外加剂改善水泥性能，提升半刚性基层早期强度，确保其在弯拉模量无明显变化的情况下抗弯拉强度快速增大，抗裂性能增强。高等级公路半刚性基层施工期间，必须严格限定水泥初凝和终凝时间，初凝时间和终凝时间应不短于2 h和6 h，对于夏季高温季节应适当延长。应控制细集料和粉料掺加量，并减少含泥量。粒径在0.075 mm左右的细集料干缩系数和比表面积均较大，遇水易膨胀，失水后易干缩变形。故半刚性基层混合料中细集料用量越多，内部空隙也越多，遇水后收缩性能明显增大。为此，必须严格控制混合料中细集料含量及塑性指数，并保证级配的连续性。4.2 压实度的影响半刚性水稳碎石基层压实度一般取 1819 cm，如果底基层存在较大高差或过大的压实厚度，则下部14 cm范围内很难压实。出于承载力方面的考虑，基层厚度在3738 cm之间取值时，最好分成18 cm或19 cm+19 cm两层施工，并加强底基层高程和平整度控制。为提升埋置管线接口及排水井等设施区域压实度，应将水泥用量增大1%，并适当减薄混合料摊铺厚度、增大小型机具夯实碾压遍数。待基层碾压结束，随即在其顶面均匀喷洒黏层油，并及时铺筑沥青面层，防止因水分快速蒸发而引发干缩裂缝。全部碾压施工任务及压实度检测工作必须在水泥初凝前完成，在碾压施工的同时采用核子密度仪进行压实度初查，对于不满足规范要求的区域及时补压。待碾压全部完成后，通过灌砂法检测半刚性基层压实度，并确保压实度和平整度满足规范要求。4.3 养生方式的影响高等级公路半刚性基层碾压成型后应及时覆盖并洒水养生。当前，国内高等级公路路面基层主要采取土工布覆盖养生、麻袋覆盖养生、稀浆封层养生、薄膜覆盖养生等技术。其中，土工布覆盖养生和麻袋覆盖养生均通过适时补水以保持基层湿度；而稀浆封层养生和薄膜覆盖养生则通过密封保水以提供较好的养生环境。根据研究成果及实践经验，薄膜覆盖养生能为半刚性基层结构提供较高温度及较稳定的湿度环境，对促进早期强度的形式更加有利，并能提升结构抗裂性，节省养护用水。养生过程中基层失水量应不超出2%，并持续养生7 d后再展开沥青面层铺筑。5 结束语综上，水泥掺量对高等级公路半刚性水稳碎石基层无侧限抗压强度和弯拉强度的影响较大，两参数取值均随水泥掺量和细集料含量的增大而增大。水泥掺量取4.5%6.0%时的中细级配水稳碎石混合料抗压强度和弯拉强度试验值可为工程设计提供参考；抗压强度和弯拉强度的关系也为材料参数及结构设计提供了依据。当水泥掺量为6.0%时，半刚性基层混合料干缩系数和温缩系数快速增大，其中，干缩系数在失水率接近3%时达到最大；温缩系数在-10 环境下存在极小值。因此，须加强对主要影响因素的控制，避免高等级公路半刚性基层早期裂缝产生。参考文献：1 田波，权磊，张艳聪.半刚性基层损伤开裂机制与微裂技术研究综述J.山西交通科技，2022（5）：1-8.2 房娜仁，胡士清，李琪琪，等.基于半刚性基层强度控制的反射裂缝防治对策研究J.公路，2022，67（9）：51-60.3 金辰.基于路面开裂状况的薄沥青路面半刚性基层模量评估J.公路工程，2022，47（2）：97-102.4 叶向前，邹晓翎，何虹霖，等.半刚性基层沥青路面低温开裂成因研究综述J.中外公路，2020，40（4）：62-67.57