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。水稳基层裂缝成因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。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。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。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。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。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。水稳基层裂缝的成因水泥的影响（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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。含水量控制水稳基层是水泥与集料拌和后通过水化凝结硬化的产物，因此加强含水量控制尤为重要。如果含水量过大，水稳基层混合料碾压时会黏轮并导致表面起拱，成型后基层水分散失较多从而引发裂缝。如果含水量过小，水稳基层表面松散，碾压时容易起皮，不利于提升压实度。为此，要经过反复试验，合理确定混合料用水量，结合气温高低和运输时间适当调整运输距离。如果距离远且含水量大，可将最佳含水量多设置1%；如果距离近且含水量小，可将最佳含水量少设置1%做好车厢清理工作，保证车厢干净、整洁并适当涂抹油水混合物。运输车辆要覆盖篷布，使其发挥保温作用，防止混合料出现离析现象。混合料配合比设计加强混合料配合比设计技术规范标准学习，把握设计技术要点，提高配合比设计水平。要增强质量控制意识，认真进行试验研究，合理确定各种材料添加量，保证混合料综合性能良好。要严格控制混合料含水量，确保在最佳含水量状态下施工。如果含水量过大，需要采取晾晒措施。如果含水量过小，要适当洒水湿润。从而保证含水量处于最佳状态，有利于保障碾压施工效果，提高水稳基层施工质量，防止裂缝产生。加强混合料拌和质量控制混合料拌和采用专门的拌和机进行，产量需达到700t/h，为防止拌和时产生窜料，需在不同的冷料斗之间加设隔板。(2)拌和机的1号和2号冷料斗用于装粗骨料，3号和4号冷料斗用于装细骨料，而5号冷料斗用于装石屑。冷料斗的上料使用装载机进行，实际的投入速度应与现场状况相符，既不能太快也不能太慢，否则会对拌和造成不利影响［1］。(3)上料需在一致的时间操作完成，材料含水量不能有明显差别，否则会对配比带来很大的影响，导致质量不合格。(4)采用装载机进行上料的过程中，和地面相距0.5m的原材料应保持不动对0.5m高以上原材料进行装载，以此使原材料实际含水量达到稳定。(5)在拌和混合料之前，先调试好拌和设备，确保混合料组成与实际含水量都能满足相关要求。(6)料斗旁应有人员负责监控整个下料流程，并借助必要的工具来操作，以此使下料保持连续。(7)按审核后通过的配比来拌料，添水量要用流量计来确定与操控。在成品料的料仓处，应安排专人动态监控含有的水量，并与操作者交流沟通，动态调整含水量，促使具体的含水数量一致都在受控的状态，确保实际含水量比经试验确定的最佳含水量高出0.2%〜0.3%，高出的这部分用于运输与摊铺时产生的损失，确保碾压是在混合料处在最佳含水量范围内进行的。此外还要对混合料外观进行观察，确认外观质量能否达到要求。(8)负责拌和的人员要时刻关注仪表具体变化，并加强现场人员之间的交流互动，避免因为搅拌的问题使混合料质量不合格。(9)安排专人监控每个料仓，一旦发现问题，要立刻将其解决，同时上报现场操作人员，防止意外情况的发生使混合料级配受到影响。按要求进行混合料摊铺施工(1)混合料应使用摊铺机摊铺，内侧的摊铺机先行，外侧的摊铺机后行，两者保持10〜15m的间隔距离，实际的摊铺速度按照1.5m/min控制。(2)摊铺起点先将熨平板稍微抬起，在其下方垫一块木板，达到虚铺厚度方面的要求，然后将熨平板平稳落下，对搅轮实际运转情况进行检查，确保摊铺机能否正常运转。在两台摊铺机的中间应设置一道基准杆，行走在前方的摊铺机，其高程控制传感器分别在路面一侧的基准钢丝绳与中间的基准杆上滑动前移，而行走在后方的摊铺机，靠中央的一侧使用一联有高程控制传感器的滑杆在前台摊铺机已经摊铺完成的层面上进行向前滑移，靠边的一侧另一高程控制传感器在钢丝上滑动前移。（4）混合料摊铺开始前，现场应有2〜3辆满载运输车随时等待卸料，以此保证混合料摊铺施工的均匀性与连续性。（5）混合料摊铺进行时，需使速度均匀且连续，切忌停顿，运输车的卸料与倒车也应保持连续，以免导致停机待料每个摊铺机都有储料室，在储料室当中，料位必须稳定，一般都要求埋深达到螺旋高度三分之二以上，不然势必会影响到摊铺后质量。（6）作业带两侧由专人监控仪器，使标高始终满足要求，同时采用拉线的方法准确量测下返高度，为现场调整提供参考依据，确保高程符合要求，一旦出现问题，应立即更正，及时和摊铺机司机交流沟通，避免在表面出现波浪。（7）准备不少于两个人员对摊铺后整个表面进行检查，以此确定是否存在异常，将检查的结果及时上报给相应的负责人，以便及时对异常产生原因及解决对策进行分析和处理。（8）摊铺机的操作人员应对混合料实际状态进行随时观察，如果发现混合料的含水量明显减小混合料拌和不均匀或混合料的颜色有很大差异时，应立即停止摊铺施工，并有现场的技术人员进行处理。（9）混合料的运输车必须和摊铺机的操作人员做到密切配合，在起斗前鸣笛一声，而在落斗前鸣笛两声，同时听从现场指挥人员的统一指挥。确保碾压施工质量（1）混合料碾压方案为：采用振动压路机先静压一遍一采用振动压路机弱振压一遍一采用振动压路机连续强振压三遍一采用光轮压路机光面碾压一遍。其中，第一遍和第二遍碾压均采用1.7km/h的速度，之后的碾压均采用2.0km/h的速度。（2）碾压需在混合料摊铺完成后尽快进行，按照从低到高的顺序进行，每个碾压段落的长度通常为50m，采取分段碾压的措施能防止混合料水分大量散失。（3）在对混合料进行碾压时，表面应始终保持在湿润的状态，若表面上的水快速蒸发，应立即补充适量的水。（4）实际碾压施工中不可左右摇晃，也不能对碾压速度进行频繁的变换，在变换方向的过程中，应错成2m的台阶，并保持轮宽1/2左右的重叠。另外，在倒车过程中应尽可能做到原路返回。（5）压路机的起步应做到轻且慢，不可调头与急刹车。每次在两端折回的部位都应采用阶梯形伴随摊铺机不断向前，避免折回处处于同一个横断面，当振动压路机需要在完成碾压的基层表面进行行驶，需要将振动器关闭。（6）在一个完整的碾压过程当中，压路机需采用相同振动频率，以免对基层表面的平整度造成影响。（7）压路机不允许在刚完成碾压和正处在碾压状态的基层表面进行调头和急刹车。接茬施工质量控制接茬处很容易发展成裂缝，必须把衔接处的松散部位切除掉，以竖直形式搭接，上下两层的接茬最少错开1m的距离。施工中的接茬是不可避免的，我们必须加强组织管理，科学合理的进行施工组织，尽量减少接茬。及时处理裂缝施工单位要加强巡视和检查，发现裂缝要及时修复，从而确保结构稳固可靠可采用密封胶封缝的修复方法，将密封胶灌入裂缝之中，胶体会很快渗入裂缝两侧的混合料中并融合在一起。等密封胶冷却之后，可有效封闭水稳基层裂缝，实现对裂缝的修补。还可以在裂缝处灌入沥青胶，铺设土工格栅，对出现的裂缝立即处理。如果裂缝宽度和长度较小，可在水稳基层铺设土工格栅，横向搭接宽度10cm，纵向搭接宽度5cm。铺设前先在基层表面铺洒粘层油，铺设完成后进行碾压施工，并禁止车辆在土工格栅表面行走。开展下一道工序施工前，有必要洒布一层黏层油，洒布0.5〜0.6kg/m2。从而实现对裂缝的及时修复，使水稳基层发挥应有的作用。5.10严格按要求开展验收以技术规范为基本指导，需在同一年完成基层与沥青层的施工作业，尽可能避免路面开裂现象。具体至该工程中，结束底基层施工后未及时采取铺筑施工作业，在冬季低温环境的影响下，随之产生温度裂缝与干缩裂缝。上述现象主要是因为施工人员未严格遵循技术规范，基层长期处于低温环境中，从而出现了不同程度的裂缝。由此可见，必须以行业规范为指导，尽快完成基层与沥青层的施工作业，针对高填方等特殊路基，需加强对细部的质量控制，最大程度上避免裂缝5.11重视基层养生工作为使混合料的养护及时且到位，在实际的养生过程中应遵循以下原则与方法：（1）各段基层实际压实度符合要求后，立即进行覆盖处理，同时开始定期洒水，确保基层表面始终处在湿润的状态，防止因失水而产生裂缝等现象［5］。（2）养生进行时加强封闭管理，洒水车之外任何车辆都不能随意进入，而且洒水车时速不能太快，一般为以20km/h为宜，行驶过程应平稳，避免刹车和调头。（3）养生要有专人来操作和管控，做好各项资料和数据的记录，养生的持续时间一般要达到7d以上，洒水时，具体洒水次数要结合天气状况控制，确保表面处在湿润状态之下。（4）在养生完成后，立即对覆盖物进行清理，并开始响应的测试与检查。5.12选择适宜季节施工水稳碎石基层施工最佳季节是春末和夏初，气温相对变化不大且风又小，若在秋末冬初施工，由于温差较大，基层强度增长缓慢，温缩裂缝也会产生；若工期紧张，必须在这个季节施工时，可采取保温策略，避免基层受冻。保温策略可采用料薄膜加麻袋的方法。6.水泥稳定碎石基层裂缝的处理6.1填灌沥青胶、铺设土工布技术基层顶面出现裂缝后，首先将较大的裂缝进行切缝处理，填灌沥青胶；对较小的裂缝，直接