半刚性基层裂缝形成机理与防治

摘要：半刚性基层材料具有刚度大、强度高、水稳性和冰冻性好等优点，我国大多数公路都采用此材料作为基层材料，但是他的抗裂性能较差，基于以上背景，本文分析了半刚性基层材料裂缝产生的机理主要是干缩和温缩，并依据裂缝产生机理提出半刚性基层材料的防裂措施。
关键词：半刚性基层; 裂缝; 机理; 干缩; 防治措施
纵观我国高速公路路面现状，主要以半刚性基层路面结构为主，目前我国90%以上的高速公路路面基层和底层采用了半刚性材料。虽然半刚性基层材料具有诸多优点和广阔的使用前景，但是半刚性材料的裂缝问题已经成为该结构的主要缺陷。

1 半刚性基层裂缝形成机理

半刚性基层开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。影响裂缝轻重程度的主要因素有：基层材料的性质，气候条件（特别是冬季气温及其变化）、交通量和车辆类型以及施工因素等。但就基层材料的主要原因而论，主要是由于基层温缩、干缩、疲劳引起的面层开裂。

1.1温度收缩机理

组成半刚性材料的三个相，即不同矿物颗粒组成的固相、液相（水）和气相在降温过程中相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，及温度收缩。
就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中沙粒以上颗粒的温

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宿收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。粘土及其他交替颗粒的温度收缩性的大小与扩散厚度成正比。半刚性基层材料中的固相颗粒大部分为结晶体及部分为非结晶体，其热学性质由质点间的键性和热运动以及结构组成所决定。组成晶体的质点在空间是很有规律地排列着，质点的热运动只是在其平衡位置附近的热震荡。由于组成固相复合材料的各矿物有不同热胀缩性，但又是胶结为整体的材料，所以其热胀缩性是各组成单元体间相互作用的“综合效应”。
半刚性材料中胶结物各矿料也有较大的温度收缩性，存在于半刚性基层材料内部大孔隙、毛细孔和凝胶孔中的水主要是通过“扩张作用”、“表面张力作用”和“冰冻作用”三个作用过程，对半刚性材料的温度收缩性质产生较大的影响，使半刚性材料在干燥和饱和水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下有较大是的收缩值。

1.2干燥收缩机理

干燥收缩是指半刚性基层材料内部含水量变化而引起体积收缩现象。干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、“吸附水及分子间力作用”、矿物晶体或胶凝体的“层间水作用”、以及“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。
（1）毛细管张力作用。（2）吸附水分子间力作用。（3）干燥收缩的层间水作用。（4）碳化收缩作用。
除此以外，含有集料的半刚性基层材料，集料本身的收缩也会影响整体材料的干燥收缩性能。通常，孔隙率大、吸水率高、模量值低的集料具有较大的干燥收缩率。把引起半刚性基层材料干燥收缩的三个主要作用过程的收缩力与含水量之间的关系绘制成曲线，大致呈抛物线形变化。对于含水量较大水泥稳定碎石材料，干燥收缩形式总是从毛细管张力作用开始，然后是吸附水和分子间力作用到层间水作用。

2 半刚性基层路面裂缝的主要类型

以高速公路半刚性基层沥青路面为例，其路面的开裂包括沥青面层自身的开裂和由于基层的温缩、干缩和疲劳引起的面层开裂。本文主要研究由于半刚性基层材料破坏引起的面层的开裂。由于基层的温缩、干缩和疲劳引起的面层开裂形式主要是反射裂缝和对应裂缝。

2.1反射裂缝

在冰冻或寒冷地区，特别是重冰冻地区，因温度收缩或干燥收缩已开裂的半刚性基层在由温度变化引起的膨胀和收缩作用下会产生水平位移。当行车荷载通过时，基层裂缝两端之间会引起下部路面结构在裂缝处产生竖向位移差，在面层中引起面层剪切错动，使基层的裂缝反复张开和缩小并产生剪切疲劳破坏而导致开裂。图1为半刚性基层沥青路面反射裂缝示意图。
图1反射裂缝示意图

2.2对应裂缝

在已产生裂缝的半刚性基层上或是已开裂的老路面上铺筑较厚的沥青面层后，基层或老路面的变形会集中反映在裂缝处。它将给也在产生温度收缩和翘曲的新铺沥青面层一个附加拉应力，此附加应力和沥青面层的低温收缩应力之和一旦超过沥青混合料的抗拉强度，则新沥青面层的表面在基层或老路面裂缝的上方首先开裂，并逐渐向下传播，直到与基层或者老路面的裂缝相连而形成对应裂缝。图2为半刚性基层沥青路面对应裂缝示意图
图2对应裂缝示意图
3半刚性基层材料开裂防治措施
半刚性基层材料的开裂主要是由于温缩和干缩导致的反射裂缝，随着雨水或雪水的侵入会导致基层变软，造成路面强度大大降低，在车辆的反复荷载作用下导致面层底部应力集中，随着荷载作用次数的增加不断向上发展，最终形成贯穿整个面层的裂缝，使得路面产生结构性破坏。针对以上裂缝产生的机理分析，半刚性基层材料的裂缝防治措施主要有：

3.1改善半刚性材料性能

基层的开裂与材料的选择、水泥剂量、外加剂的使用、混合料的级配、碾压、养护、管理等都有关系。首先应该选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小和抗拉强度高的半刚性材料做基层。室内外实验表明，稳定粉粒含量少的粒料的抗冲刷性最好，水泥稳定粒料和密实式石灰粉煤灰稳定粒料是所有半刚性材料中收缩系数最小的材料，应该首选这两种材料做路面的基层。粒料可以是碎石、砂砾、矿渣和其他具有一定强度的粒状废渣。

3.2设置预切缝

在基层设置预切缝可减少基层裂缝的产生。在铺筑沥青面层前，通过对基层采用预切缝处理的措施来减小基层的相对“长度”，以此来减小基层内部积累的温缩、干缩应力效应，并可削弱基层的约束条件。但应注意预切缝的间距、深度等尺寸参数，应通过试验和实际情况确定。预切缝间距小，接缝多，不仅增加施工的复杂性，而且影响路面的整体强度。

3.3在半刚性基层与面层就爱你设置应力吸收中间层

设置应力吸收中间层，即在沥青面层与半刚性基层之间加铺一层弹性模量低、韧性较 高、能承受较大应变而不破坏的材料，该层成为上、下接触面间的弹性联结，由于此弹性联结，面层和基层间可以错动而不承受由于基层移动造成的应力，使基层裂缝向上反射而产生的结构应力可以在该层的界面上被消散，从而吸收半刚性基层的收缩应力或应变。该应力吸收中间层在国外称之为 SAMI，在国内外工程中尝试最多的是将高掺量的橡胶粉沥青、低稠度沥青混凝土、开级配沥青混凝土底层、级配碎石、土工织物、预制纤维膜布等作为应力吸收中间层。应力吸收中间层对减缓反射裂缝的产生与扩张有明显的效果。
结语
半刚性基层开裂的原因，具有行车荷载方面的因素，又半刚性基层材料方面的因素，既有设计方面的因素，又有施工方面的因素。减少半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的裂缝成为整个道路裂缝的关键。实践表明，采用优质的沥青混合料和抗拉强度高且干缩系数、温缩系数较小的半刚性基层材料，必要时在半刚性基层与面层之间设置合适的应力吸收中间层，同时保证施工质量对预防半刚性基层裂缝的产生有较好的效果。
参考文献
沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社，1998 .
张宏君.基于路用要求的半刚性基层抗裂评价与改善措施研究.长安大学，2009.
[3] 陈冬燕.半刚性基层材料抗裂性能研究.长安大学，2005
[4] 张鹏.高等级公路半刚性基层材料的抗裂性能研究.大连理工大学，2007