半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性

半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性摘要：通过分析半刚性基层材料包括石灰稳定类材料、水泥稳定类材料、综合稳定类材料的强度形成和缩裂特性，充分认识沥青路面裂缝的产生原因，提出对裂缝的预防和处理措施。

关键词：半刚性基层材料强度形成缩裂特性中图分类号： U416.223 文献标识码： A 文章编号：近年来，我区的公路建设迅猛发展。

由于独特的地理环境，新建的无论是一般公路、还是高速公路，90%以上都采用半刚性基层。

这种结构形式具有较高的强度、承载力和使用性能，为实现“强基薄面”结构提供了可靠保证，使得其在全区公路路面建设中得以广泛应用。

但与此同时，随着半刚性基层的大量采用，这种结构形式存在的难以克服的缺点也日益显现，导致路面使用质量和寿命达不到应有的水平。

因此，充分认识半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性，有针对性的进行研究和利用，对进一步改善路面实际使用效果具有非常重要的现实意义。

一、半刚性基层材料的强度形成半刚性基层材料的强度由于稳定材料与土石材料在掺配、拌和、压实过程中发生了一系列的物理、化学反应而形成。

石灰稳定类材料的强度形成。

其强度形成主要是石灰与细粒土的相互作用。

土中掺人石灰，石灰与土发生强烈的相互作用，从而使土的工程性质发生变化。

初期表现为土的结团、塑性降低、最佳合水量增大和最大密实度减小等;后期变化主要表观在结晶结构的形成，从而提高土的强度与稳定性。

影响石灰土强度与稳定性的主要因素有:土质、石灰的质量与剂量、养生条件与龄期等。

各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土类土和粘士类土都可以用石灰来稳定。

各种化学组成的石灰均可用于稳定土。

但白云石石灰的稳定效果优于方解石石灰。

石灰剂量是按消石灰占干土重的百分率计。

石灰剂量较低时(小于3%-4%)，石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量降低，具有一定的水稳定性。

随着石灰剂量的增加，石灰土的强度和稳定性提高，但当剂量超过一定范围，过多的石灰在空隙中以自由灰存在，将导致石灰土的强度下降。

石灰土的最佳剂量随土质的不同而异，土的分散度越高则最佳剂量越大。

最佳石灰剂量也与养生龄期有关，在28d内，最佳石灰剂量随着龄期的增长而增大，28d后基本趋于稳定。

石灰土的强度形成需要一定的温度和湿度。

高温和适当的湿度对石灰强度的形成是有利的，这是因为湿度高可使反应过程加快，但湿度过大(湿砂养生)会影响新生物的胶凝结晶硬化，从而影响石灰土强度的形成。

石灰土的强度随龄期的增长大体符合指数规律。

水泥稳定类材料的强度形成。

其强度形成主要是水泥与细粒土相互作用。

影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素有土质、水泥成份与剂量、水等。

土的矿物成分对水泥稳定土的性质有重要影响，除有机质或硫酸盐含量高的土外，各种砂砾上、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。

要达到规定的强度，水泥剂量随粉粒和粘粒合量的增加而增高。

实践证明，用水泥稳定级配良好的土，既可节约水泥，又能取得满意的稳定效果。

水泥的成分和剂量对水泥稳定土的强度有重要影响。

通常认为，各种类型的水泥都可用于稳定土。

实践证明，对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥稳定土强度的主导因素。

一般情况下，硅酸盐水泥的稳定效果好，而铝酸盐水泥则较差。

当水泥的矿物成分相同时，水泥稳定土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。

水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增加，但考虑到水泥稳定土的抗温缩与抗干缩以及经济性，应有一个合理的水泥用量范围。

含水量对水泥稳定土的强度有重大影响。

当混合料于合水量不足时，水泥就要与土争水，若土对水有较大的亲和力，就不能保证水泥完成水化和水解作用。

水泥稳定土需要湿法养生，以满足水泥水化的需要。

水泥剂量大、养生温度高时，其增长速率大。

水泥稳定土的强度随龄期的增长而增长，二者之间大致呈指数关系。

综合稳定类材料的强度形成。

综合稳定类材料是以石灰或水泥为主要结合剂、外掺少量活性物质或其他材料，以提高和改善土的技术性质。

单纯用石灰稳定砂性土效果一般较差，而采用二灰综合稳定则效果显著提高。

粉煤灰是一种火山灰物质，它含有活性的氧化硅和氧化铝，在石灰的碱性激发及相互作用下生成含水的硅铝酸钙。

这些新生的胶凝物质晶体具有较强的胶结能力和稳定性。

由于粉煤灰系空心球体，所以掺人粉煤灰后，石灰土的最佳含水量增大、最大干密度减少。

尽管如此，其强度、刚度及稳定性均有不同程度提高，尤其是抗冻性有较显著的改善，而温度收缩系数比石灰土有所减少，这对抗裂有重要意义。

粉煤灰是一种缓凝物质，由于表面能低，难于在水中溶解，导致二灰混合料体系中火山灰反应相当缓慢，这是二灰稳定类后期强度高，平期强度低的根本原因。

为了改善水泥在土中的硬化条件，提高水泥稳定效果，常常在掺加水泥的同时掺加少量其他添加剂。

石灰是水泥稳定土产最常用的添加剂之一。

在水泥稳定之前，先往土中掺加少量的石灰，使之与土粒之间进行离子交换和化学反应，为水泥在土于的水解和硬化创造良好的条件，从而加速水泥的硬化过程，并可减少水泥用量。

掺加石灰还可扩大水泥稳定土的适用范围，一些不适于单独用水泥稳定的土(如酸性粘土、重亚粘土等)，若先用石灰处理，可加速水泥土结构物的形成。

此外，由于石灰可吸收部分水分改变土的塑性性质，故用水泥稳定过湿土(比最佳合水量高4%-6%)时，先用石灰处理，能获得良好的稳定效果。

二、半刚性基层材料的缩裂特性半刚性基层材料的缺点是抗变形能力低，在温度或湿度变化时易产生开裂，当沥青面层较薄时，易形成反向裂缝，进而严重影响路面的使用性能。

了解各种半刚性基层材料的缩裂特性，有利于技术人员科学地进行路面处理，从而把裂缝减少到最低程度。

半刚性基层材料的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝轻重不同地存在。

在国外，普遍采取对裂缝进行封缝，而在交通量繁重或者高速公路上，这种封缝工作十分困难，严重影响交通，也不安全。

而在我国，目前根本就没有发现裂缝就进行沥青封缝的习惯，因而开裂得不到有效的处理。

裂缝的存在导致两种后果，首先是裂缝中进水，导致沥青层和基层界面条件的变化，使基层、底基层、路基的水分状况恶化，承载能力迅速降低，表面产生水力冲刷，出现灰浆，并形成裂缝处唧浆、坑槽；其次是车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的另一侧时，荷载变化不再连续，使路面裂缝两侧发生大的应力突变，会形成很大的上下剪切和表面受拉。

半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。

水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。

水进入路面的途径，除了降雨、降雪、化雪的表面水外，还有多种来源，如冬季由于冰冻引起的水分积聚和春融期间产生的积水；超限超载车辆为了降温需要向轮毂不断喷水，以保持汽车的刹车性能，使路面常年处于潮湿状态；中央分隔带的绿化浇水、挖方路段的裂隙水、路面铺筑过程冲洗的水等等。

可以说，水进入沥青路面是不可避免的，如果不能及时排走就将造成危害。

界面上水的存在改变了界面连续的边界条件，使路面的受力状态变得十分不利，成为导致路面破坏的直接原因。

半刚性基层有很好的整体性，但是受水的影响敏感，在长期浸水条件下，板体结构会逐渐破坏，反映为路面弯沉，沥青路面开始出现破损，弯沉迅速增大，并导致结构性破损。

现在许多高速公路竣工验收阶段的弯沉很小，以后逐步变大。

许多路面在损坏初期开挖可见基层往往是完好的，弯沉并不大。

这说明，除了少数确实是因为基层施工不好的原因外，大部分基层发生结构性损坏，是发生在沥青面层损坏之后。

半刚性基层很难跨年度施工，无论是直接暴露还是铺上一层让下面层过冬，都避免不了发生横向收缩裂缝，从而为沥青路面的横向裂缝埋下隐患。

甚至在冬天就从缝中进水(融雪)、半刚性基层暴露的还可能冻疏，影响强度的形成。

用一句话来概括就是：开裂和进水且难以排走是半刚性基层沥青路面结构的致命缺点。

半刚性基层材料的收缩分为温缩与干缩两种。

研究表明:若以最佳含水量状态下各种半刚性基层按温缩系数的大小排序是:石灰土>石灰砂砾>二灰>水泥砂砾>二友砂砾;按其干缩系数的大小排序为:石灰土>石灰砂砾>二灰>二灰砂砾>水泥砂砾。

半刚性基层的收缩开裂，对于含土较多材料以干缩为主，对于含粗集料较多的材料以温缩为主。

半刚性基层的干缩主要发生在竣工后初期阶段，当基层上铺筑沥青面层以后，基层的含水量一般变化不大，此时半刚性基层的收缩转化为以温缩为主。

半刚性基层材料的抗裂性能是以温缩抗裂系数与干缩抗裂系数来评价的。

抗裂系数愈大，表明材料的抗裂性能愈强，在同样条件下，能承受较大的温度或湿度的变化而不裂。

按半刚性材料的温缩抗裂系数的大小(均按最佳状态)排序为:二灰砂砾>二灰>石灰砂砾>水泥砂砾>石灰土。

按干缩抗裂系数的太小排序为:二灰>二灰砂砾>水泥砂砾>石灰砂砾>石灰土。

半刚性基层材料的类型与配合比的选择，应根据当地的自然条件与基层所处的环境来确定。

在条件可能时，应优先用二灰稳定类基层，二灰砂砾类集料含量约75%时，抗干缩与温缩能力均较强，可适用于不同地区，主要是解决早强不足的问题。

水泥砂砾类，水泥含量约为5%时，具有较强的抗干缩能力，适用于温差不大的地区。

石灰砂砾类，抗干缩和温缩能力却较差，宜采用水泥石灰综合稳定，以部分水泥代替部分石灰，提高其抗干缩能力，减轻缩裂。

从目前的实践看，早期修建的半刚性基层沥青路面，很多已进入路面大修，由于采用半刚性基层，目前的大修方案基本都采用“开膛破肚”法，然后对路基进行补强，再重铺路面结构层。

这种方法费时费力费资金。

因此，在做好半刚性基层路面管护，尽可能延长路面使用期限的同时，要不断更新路面基层设计理念。

为了提高路面整体的抗变形能力，将原来的半刚性基层安排在柔性基层下做路面的底基层，以期综合利用柔性基层和半刚性基层的优点，克服柔性基层抗变形能力差和半刚性基层反射裂缝的缺点，能够有效地消减沥青路面的反射裂缝，减少水损害的发生，改善路面的长期使用性能和适应环境的能力。

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