摘 要
二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石基層的高等級路面竣工后出現(xiàn) 了大量不規(guī)則或有規(guī)則縱的裂縫。經(jīng)觀察分析,認(rèn)為施工期 間的氣溫(尤其是初春氣溫不定)因素是水泥穩(wěn)定碎石、二灰 穩(wěn)定碎石半剛性路面基層產(chǎn)生裂縫的主要原因;只要合理地 控制施工現(xiàn)場最低氣溫就能有效減少路面裂縫。
關(guān)鍵詞
半剛性基層 最低氣溫 裂縫
1 前言
隨著高等級公路(高速公路、一級公路、二級公路)的大規(guī)模修建, 二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石等半剛性基層被廣泛應(yīng)用于高等級路面基 層,隨之而來的就是每條路修完后不到一年就出現(xiàn)大量不規(guī)則或規(guī)則 裂縫,維修人員用乳化瀝青灌縫,即影響美觀,也降低平整度,更影 響使用效果,經(jīng)過筆者多年來的觀察、記錄、實驗和總結(jié),正反兩方 面的對照認(rèn)為,除產(chǎn)生裂縫的內(nèi)部因素(盡量減少細粒料,增大粗顆 粒,控制顆粒級配,控制水泥用量)外,施工現(xiàn)場最低氣溫的控制是 減少路面出現(xiàn)裂縫的重要措施。
2 半剛性材料溫縮與干縮裂縫產(chǎn)生的機理
半剛性材料是由固相(組成其空間骨架原材料的顆粒和其間的膠 結(jié)物)、液相(存在于固相表面與空隙中的水和水溶液)和氣相(存在于 空隙中的氣體)組成,所以,半剛性材料的外觀脹縮性是三相的不同 溫度收縮性綜合效應(yīng)的結(jié)果。一般氣相大部分與大氣貫通,在綜合效 應(yīng)中影響較小,可以忽略。原材料中砂粒以上顆粒的溫度收縮性較 小,粉粒以下的顆粒溫度收縮性較大。
半剛性材料溫度收縮性的大小與結(jié)合料類型和劑量、被穩(wěn)定材料 的類別、粒料含量、齡期等有關(guān)。
半剛性材料基層一般在高溫季節(jié)修建,成型初期基層內(nèi)部含水量 大,且尚未被瀝青面層封閉,基層內(nèi)部水分必然要蒸發(fā),從而發(fā)生由 表及里的干燥收縮。同時,環(huán)境溫度也存在晝夜溫度差,因此,修建 初期的半剛性基層同時受到干燥收縮和溫度收縮的綜合作用,必須控 制修建時的最低溫度以強度的增長抵抗干縮和溫縮的影響,來減少或 避免裂縫,同時還必須注意養(yǎng)生保護。
3 工程實例分析
國道220線長清至平陰段改建工程,路面結(jié)構(gòu)為:2cm中粒式瀝 青混凝土+3cm粗粒式混凝土+15cm二灰碎石(外摻2%水泥)+15cm二 灰碎石(外摻2%水泥)+調(diào)平層。由于是老路基改建,路基狀況良好,邊 溝、泄水槽完整,對路基個別沉陷、翻漿、坑槽按規(guī)定進行處理,原路基填土為粘土。開工時間為2002年3月21日,竣工時間為2002年5月1日,施工期大多在春季,氣溫較 低,陰雨天較多,氣溫干燥,春風(fēng)頻繁,施工期間最低氣溫出現(xiàn)在3月21日,為5℃,最高氣溫出現(xiàn)在4月 2日,為29℃,最大溫差出現(xiàn)在3月29日,12℃(9-21℃)。施工時全封閉交通,養(yǎng)護為草簾覆蓋,灑水車灑 水養(yǎng)生,二灰碎石比例為:石灰:粉煤灰:碎石=5:15:80(外摻2%水泥),最大干密度為2.03g/cm 3,碎石級配為石屑=40%,5-10碎石=20%,16-31.5碎石=40%,碎石壓碎值為16.3%,集料篩分情況如下表: 篩孔尺寸 37.5 31.5 19 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.075
通過率% 100 91.6 82.7 61.3 38.6 29 16.8 7.9 0.2
規(guī)定通過百分比 最大 100 100 90 68 50 38 27 20 7
最小 100 90 72 48 30 18 10 6 0
拌合場位于施工路段中心位置,基層竣工后15天左右鋪筑瀝青面層,在當(dāng)年10月份開始出現(xiàn)橫向裂 縫,然后出現(xiàn)縱向裂縫,經(jīng)過一個冬季后,第二年3月份就出現(xiàn)了多條不規(guī)則縱、橫向裂縫,在裂縫處用 鉆芯機取芯,芯樣裂縫為完全斷開;施工時7天內(nèi)取芯,芯樣上半部成型,下半部碎裂,到第15天取芯 時,雖然能取出完整芯樣,但芯樣表面不光滑,很粗糙。筆者認(rèn)為由于當(dāng)時氣溫偏低(雖然最低氣溫達到 規(guī)范要求5℃),但強度上升慢,基層本身產(chǎn)生的強度,不足以克服溫差產(chǎn)生的收縮應(yīng)力,因而造成裂縫。 所以,低溫季節(jié)施工,溫差與溫度是產(chǎn)生溫縮裂縫的關(guān)鍵。低溫季節(jié),溫縮易發(fā)生。低溫時施工,厚的 覆蓋養(yǎng)生及延長養(yǎng)生時間是預(yù)防溫縮的關(guān)鍵技術(shù)措施。國道308線濟南大橋鎮(zhèn)至德州界段改建工程于2002年7月21日開始鋪筑基層,竣工時間為當(dāng)年9月 7日,路面結(jié)構(gòu)為:3cm中粒式瀝青混凝土+4cm粗粒式混凝土+2×15cm二灰碎石(外摻2%水泥)+調(diào)平 層。僅是對原路基沉陷、坑槽、翻漿部分進行了處理,分層回填并壓實,原路基填土為粉砂土。施工期 間最低氣溫是11℃(2002年9月7日11-28.1℃),最高氣溫是36.8℃(9月2日),日最大溫差為17.1℃(2002 年9月7日11-28.1℃)。養(yǎng)護采用草簾覆蓋,灑水車灑水養(yǎng)生,交通封閉較好,養(yǎng)生及時。二灰碎石配合 比為:石灰:粉煤灰:碎石=7:13:80,最大干密度為:2.05g/cm 3,碎石級配為石屑=40%,5-10碎石=20%,16-31.5碎石=40%,碎石壓碎值為16%,集料篩分情況如下表: 篩孔尺寸 37.5 31.5 19 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.075
通過率% 100 94.2 81.5 57.8 40.9 28.4 17.4 12.1 3.4
規(guī)定通過百分比 100 90-100 72-90 48-60 30-50 18-38 10-27 6-20 0-7
施工期間5天取芯就基本成型,7天時取出的芯樣表面就十分光滑,當(dāng)時未出現(xiàn)裂縫,一年后,省市 公路局組織驗收組驗收時未發(fā)現(xiàn)一條裂縫,時至今日已經(jīng)兩年多了,也未發(fā)現(xiàn)一條裂縫。筆者認(rèn)為,國 道308線與國道220線的施工隊伍、機械、設(shè)備相同、材料配合比類似,料源也相同,結(jié)構(gòu)相似,都是二 灰碎石基層,為何產(chǎn)生如此大的差距呢?九月份,平均溫度高,有利于強度地增長。盡管溫差大,相對 三月份平均溫度高。這說明,溫縮主要發(fā)生于強度生長的初期,最低氣溫比最大溫差的影響更大。初期 溫度低,強度增長緩慢,強度的增長速度不足以克服溫差造成的縮裂,因而出現(xiàn)溫度裂縫。
省道242線刁鎮(zhèn)至濱州界改建工程于2003年6月19日開始鋪底基層,路面結(jié)構(gòu)為4m中粒式瀝青混 凝土+6m粗粒式混凝土+15cm水泥穩(wěn)定碎石(5%水泥含量)+16cm二灰碎石(外摻2%水泥)+16cm12%石灰 土。對原路處理是將瀝青面挖除,并將原路基原土翻起、粉碎、灑水,整平后壓實(過厚段分層壓實),原 路基填土為粘性土,并對原排水設(shè)施進行了必要的改建;鶎娱_工時間為2003年6月19日,竣工時間為 2003年9月25日,根據(jù)施工期間我們觀測的氣溫統(tǒng)計,最低氣溫是12.5℃(9月20日),最高氣溫是41.3 ℃(7月15日),最大溫差是9月21日14.8℃(12.4-27.2℃),養(yǎng)生同樣是采用覆蓋,草簾灑水車灑水養(yǎng)生, 交通封閉較好,基層表面基本上能夠長時間保持濕潤,養(yǎng)生充分,二灰碎石配合比為:石灰:粉煤灰:碎石 =3:17:80(外摻2%水泥),最大干密度為2.05g/cm3 ,碎石壓碎石值為16.2%,集料篩分情況如下表: 篩孔尺寸 37.5 31.5 19 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.075
通過率% 100 100 83.2 61.1 32.8 24.8 17.9 11.4 3.8
規(guī)定通過百分比 100 90-100 72-90 48-60 30-50 18-38 10-27 6-20 0-7
水泥穩(wěn)定碎石配合比為水泥:碎石=5:95,碎石配合比為:(1-3):(1-2):(0.5-1):石粉=29:21:21:29,集料篩分情 況如下表: 篩孔尺寸 31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
通過率% 100 96.4 82.7 51 31.1 21.3 9.8 1.5
規(guī)定通過百分比 100 90-100 72-89 47-67 29-49 17-35 8-27 0-7
由于施工期間氣溫較高,二灰碎石只用5天就取出了完整的芯樣,并且表面光滑,無顆粒脫落,水泥 穩(wěn)定碎石最快僅用3天就取出了完整的芯樣,說明強度增長隨著溫度增高而顯著加快,施工期間及攤鋪完 面層后未發(fā)現(xiàn)裂縫,在2004年底省廳組織的竣工驗收中被評為優(yōu)質(zhì)工程。
以上三個工程,結(jié)構(gòu)類似,都是以半剛性結(jié)構(gòu)作為路面基層、底基層,配合比相似,即水泥穩(wěn)定碎 石配合比為:水泥:碎石=5:95,7天無側(cè)向抗壓強度不小于4.0mPa:二灰碎石配合比為: 石灰:粉煤灰:碎石=7:13:80(或5:15:80)(外摻2%水泥),7天無側(cè)限抗壓強度為不小于1.0 mPa,施工單位、施工水平、施工機具、施工負責(zé)人幾乎沒變化,但效果卻相差很大。2002年上半年竣工的國道220線就出現(xiàn)了大量不規(guī)則 或規(guī)則裂縫,而下半年竣工的國道308線和2003年9月底竣工的省道242線從通車至今就從未發(fā)現(xiàn)一條 裂縫。排除上述內(nèi)部因素外,外部原因也大體相似,最主要的原因就是最低氣溫的影響,第一例國道220 線施工時最低氣溫為5℃,第二例國道308線施工時最低氣溫為11℃,第三例省道242線施工時最低氣溫 為12.5℃。結(jié)果是施工期間溫度低的出現(xiàn)了裂縫,施工最低溫度超過10℃的第二例和第三例未出現(xiàn)裂縫, 究其原因就是溫度過低,基層強度增長較慢,其強度不足以克服溫度變化產(chǎn)生的溫差應(yīng)力而導(dǎo)致基層開 裂產(chǎn)生各種裂縫。省道104線長清至肥城段改建工程于2001年6月27日開始鋪筑路面基層,7月31日攤鋪完畢。路面 結(jié)構(gòu)為3cm中粒式瀝青混凝土+4cm粗粒式瀝青混凝土+2×15cm二灰碎石(外摻2%水泥)+15cm10%石 灰土,該改建工程除局部加寬外,基本上是按原路線走向,對原路沉陷、坑槽均按規(guī)定進行處理,路基 邊溝、泄水槽、排水溝基本良好,原路基填土為粘性土,施工期間的氣溫較高,氣候較干燥,最低氣溫 為20.2℃(7月7日),最高氣溫是39.6℃(7月14日),最大日溫差為16.7℃(即7月14日22.9℃-39.6℃), 二灰碎石配合比為石灰:粉煤灰:碎石=7:13:80,最大干密度為:2.05g/cm 3,碎石級配為石屑=35%,5—10碎石=25%,10—20碎石=40%,碎石壓碎值為16%,拌合場位于施工路段的中心位置,基層完工后20 天左右鋪筑面層,養(yǎng)生為覆蓋草簾,灑水車灑水養(yǎng)生,但由于該路線通過村莊較多,人口較密集,該路 又是唯一一條進出線路,雖為全封閉施工,但車輛來往不斷,投入大量人力物力加強覆蓋養(yǎng)生,但仍有 相當(dāng)部分位置尤其線路中心位置時常暴露。由于天氣干燥氣溫較高,水分蒸發(fā)快,造成竣工通車后不久 (2001年10月下旬)就斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)了縱、橫向裂縫,2002年3月份就出現(xiàn)了大量縱、橫向裂縫,尤其 是下雨時,裂縫更為明顯,為了防止水分下滲,采取了乳化瀝青灌縫,即影響美觀,又影響使用,所以 即使高溫季節(jié)施工不存在低溫縮裂問題,但是施工期間,水分蒸發(fā)得快,表面干燥得快,養(yǎng)生不良更容 易產(chǎn)生干縮裂縫,所以高溫施工防止干縮最關(guān)鍵。
近幾年我參與了或負責(zé)的基層工程也產(chǎn)生了類似的結(jié)果,不再一一例證。,通過總結(jié)近幾年的施工經(jīng) 驗,我建議最低施工溫度最好控制在8℃以上,只有這樣才能有效地避免或減少由于溫度影響的縮裂,從 而避免唧泥、坑槽等各種病害,以延長路面的使用壽命。當(dāng)然加強養(yǎng)護、控制交通、提高壓實度、及時 鋪筑面層、控制0.75mm以下顆粒的含量等內(nèi)外因素同樣不可偏廢。
4 結(jié)論
產(chǎn)生溫縮與干縮不是溫度差,而是施工期間的最低溫度。平均溫度低的低溫施工,半剛性材料以溫 縮為主。平均溫度高的高溫季節(jié)施工,半剛性材料以干縮為主。施工時最低溫度的控制是有效避免半剛 性基層產(chǎn)生裂縫的有效措施。