摘 要：針對某道路水泥穩(wěn)定碎石層基層膨脹變形引發(fā)瀝青路面拱起開裂的現(xiàn)象，本文設計了基于溫度變化的水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性試驗，結(jié)果說明，水泥含量、水泥級配和養(yǎng)護時間都會顯著影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的膨脹性?；旌狭蠈囟茸兓舾?，當溫度為40℃～50℃時，其區(qū)段膨脹變形量和區(qū)段膨脹系數(shù)均達到最大值。因此研究提出在溫度適宜的春秋季節(jié)施工，并采取脹縫和柔性基層等防治措施，并通過現(xiàn)場檢測調(diào)研證明了這些方法的有效性。

關鍵詞：路面拱起開裂；水泥穩(wěn)定碎石混合物；膨脹變形

中圖分類號：U 41" " 文獻標志碼：A

公路在長期受到車輛荷載和外界環(huán)境等因素的作用下，常出現(xiàn)拱起和開裂等病害[1]。其中，半剛性基層拱起開裂是導致瀝青路面出現(xiàn)上述病害的主要原因[2]?；诖?，大量學者進行了深入研究，譚晶晶等[3]針對新疆地區(qū)特殊的大溫差環(huán)境及交通條件，利用有限元軟件深入分析了半剛性基層開裂工況、超載工況及極端低溫工況下，瀝青路面的裂縫發(fā)展趨勢及力學響應能力。楊美坤等[4]采用ABAQUS軟件建立不同形態(tài)半剛性基層反射裂縫的瀝青路面三維模型，深入研究了不同荷載作用下，路面的承載力響應特性，并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比，驗證了數(shù)值仿真計算的有效性。房娜仁等[5-6]以水泥穩(wěn)定碎石層為研究對象，通過一系列試驗對其強度形成機理進行了深入研究，并提出相應的反射裂縫防治對策和瀝青路面疲勞壽命預估方法。山東地區(qū)某一級道路存在明顯的拱起開裂病害，且面層修復處理始終無法徹底解決問題。本研究結(jié)合工程經(jīng)驗，判斷病害原因是水泥穩(wěn)定碎石層受環(huán)境溫度影響，產(chǎn)生膨脹變形所致?；诖?，本文設計了基于溫度變化的水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性試驗，并提出了相應的防治措施。

1 工程概況

本文基于山東某一級道路，結(jié)合室內(nèi)試驗進行系統(tǒng)研究。通過現(xiàn)場實地調(diào)研可知，該道路所在區(qū)域夏季溫度較高，路面最高溫度可達到80℃，使結(jié)構(gòu)層受到較大的溫度應力作用，導致水泥碎石基層在高溫下產(chǎn)生較大的膨脹變形，形成傾斜裂縫。持續(xù)的高溫作用使基層不斷膨脹，最終導致瀝青路面出現(xiàn)拱起和開裂現(xiàn)象。

2 水泥穩(wěn)定碎石層膨脹性研究

2.1 試驗設計

基于道路工程的水泥穩(wěn)定碎石混合料原材料包括粗集料、細集料、P?C 32.5號水泥以及普通自來水。根據(jù)相關要求對上述原材料進行檢測，結(jié)果表明，粗集料的壓碎值為15%、針片狀顆粒含量為13.2%、0.075mm以下粉塵含量為0.6%、軟石含量為2.5%。細集料塑性指數(shù)為11.2%、有機質(zhì)含量為1.1%、硫酸鹽含量為0.10%。水泥的初凝時間為3.5h，終凝時間為7h。所有原材料技術指標均符合《公路路面基層施工技術細則》要求。

選用上述材料配置水泥穩(wěn)定碎石混合料，通過控制變量法研究水泥含量、水泥級配、養(yǎng)護時間等因素對混合料膨脹性的影響。

根據(jù)實際情況可知，該一級道路路面最高溫度為80℃，此時水泥穩(wěn)定碎石層的溫度約為58℃，而在施工過程中，其溫度約為10℃?；诖?，設定溫縮試驗的溫度，如圖1所示。

2.2 水泥含量

為研究水泥含量對水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥級配為C-B-3、養(yǎng)護時間為7d的前提下，分別對水泥含量為4.0%、4.5%、5.0%和5.5%工況進行膨脹性試驗。

通過計算得到不同水泥含量工況下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數(shù)，如圖2所示。由圖2可知，當其他條件保持不變時，隨著水泥含量增加，混合料的總膨脹變形量、膨脹系數(shù)均隨之增加。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是隨著水泥含量增加，粗細集料之間的膠結(jié)能力會增強，從而形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，使集料在內(nèi)部自由移動的可能性變小。而隨著溫度升高，部分集料對某個方向產(chǎn)生位移，從而帶動整個骨架移動，水泥含量越高，骨架移動越明顯，混合料的總膨脹變形量和膨脹系數(shù)也就越大。因此，為減少該區(qū)域路面膨脹帶來的病害威脅，應在滿足強度要求的前提下，將水泥含量控制在較小的范圍內(nèi)。

不同水泥含量的混合料在不同溫度區(qū)段時的膨脹變形量如圖3所示。由圖可知，在不同的溫度區(qū)段內(nèi)，混合料的膨脹變形量并不完全相同。在前4個區(qū)段內(nèi)，區(qū)段膨脹變形量均隨著溫度升高而增加，當溫度為40℃～50℃時，區(qū)段膨脹變形量最大，而當溫度升至50℃～60℃時，區(qū)段膨脹變形量反而有所減少。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是前期溫度相對較低，混合料內(nèi)部溫度應力相對較小，受到內(nèi)力約束作用，其膨脹變形量不明顯。而后續(xù)隨著溫度不斷升高，溫度應力不斷增加，其膨脹變形量大幅增加。而在溫度進一步上升后，雖然溫度應力依舊保持增長趨勢，但是內(nèi)部約束力作用限制了混合料的膨脹變形，從而導致膨脹變形量減少。由此可見，該水泥穩(wěn)定碎石混合料對溫度變化較為敏感，其膨脹性受溫度影響較大。

2.3 水泥級配的影響

為研究水泥級配對水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥含量為4.5%、養(yǎng)護時間為7d不變的前提下，分別對水泥級配為C-B-1、C-B-2、C-B-3以及OGFC工況進行膨脹性試驗。其中，C-B-1型屬于懸浮密實型，最大粒徑為19.0mm，C-B-2型屬于懸浮密實型，最大粒徑為16.0mm，C-B-3型屬于密實型，最大粒徑為26.5mm，OGFC型為常用瀝青級配，屬于空隙型，最大粒徑為16.0mm。

通過分析計算，得到不同水泥級配工況下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數(shù)，如圖4所示。由圖4可知，不同級配的混合料膨脹性差別較大，在4種級配中，C-B-2型混合料總膨脹量和膨脹系數(shù)最大，其次為C-B-1型混合料，而C-B-3型混合料最小。因此在實際工程中，為減少水泥穩(wěn)定碎石層的膨脹變形，建議使用C-B-3型混合料。不同水泥級配的混合料在不同溫度區(qū)段的膨脹變形量與上文類似。在前4個區(qū)段內(nèi)，混合料區(qū)段膨脹變形量隨溫度升高而增加，當溫度為40℃～50℃時，區(qū)段膨脹變形量最大，當溫度升至50℃～60℃時，區(qū)段膨脹變形量反而有所減少。

2.4 養(yǎng)護時間的影響

為研究水泥含量對水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的影響，在水泥含量為4.5%、水泥級配為C-B-3的前提下，分別對養(yǎng)護時間為7d、28d和90d工況進行膨脹性試驗。

通過計算統(tǒng)計不同養(yǎng)護時間工況下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的總膨脹變形量及膨脹系數(shù)。結(jié)果表明，當其他條件保持不變時，隨著養(yǎng)護時間增加，混合料的總膨脹變形量、膨脹系數(shù)均隨之增加。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是養(yǎng)護時間越長，混合料中水泥和水相互作用越充分，混合料集料間的膠結(jié)能力越強。而當混合料集料間的膠結(jié)能力增強后，其在溫度變化作用下的膨脹變形趨勢與高水泥含量時的變化類似。此外，養(yǎng)護時間28d時的膨脹系數(shù)為1.77×10-5，養(yǎng)護時間90d時的膨脹系數(shù)為1.87×10-5，兩者差值較小，由此可見，隨著養(yǎng)護時間增加，水泥與水不斷進行相互作用，直至完全水泥水化后，繼續(xù)增加養(yǎng)護時間也不會使混合料膨脹性提高。而不同養(yǎng)護時間的混合料在不同溫度區(qū)段時的膨脹變形量與上文類似，當溫度為40℃～50℃時，混合料區(qū)段膨脹變形量最大。

2.5 溫縮性分析

以水泥含量為4.5%、水泥級配為C-B-3、養(yǎng)護時間7d的混合料為例，對比分析水泥穩(wěn)定碎石混合料的膨脹性和溫縮性，試驗時的混合料變形隨溫度的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，當溫度發(fā)生變化時，混合料就會產(chǎn)生明顯變形，即水泥穩(wěn)定碎石混合料對溫度變化十分敏感。當溫度區(qū)段相同時，溫度降低導致的混合料收縮變形，比溫度升高導致的膨脹變形更為明顯。而當時間為14.5h～15h，試驗溫度從60℃降至50℃時，混合料變形先突增，后迅速減少。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是溫度突然降低，導致混合料產(chǎn)生了較大的疲勞損傷。

3 防治措施和處治效果

3.1 防治措施

水泥穩(wěn)定碎石混合料屬于溫度敏感型材料，其膨脹和收縮變形受溫度影響較大。因此，應選擇在春秋季節(jié)進行施工，盡量避開夏季和冬季，避免因溫差過大導致路面拱起和開裂。

設置脹縫是預防水泥穩(wěn)定碎石層拱起開裂的常用手段。結(jié)合區(qū)域氣候條件及實際工程情況，為預防水泥穩(wěn)定碎石層開裂，每隔150m設置一條脹縫是合理的。綜合考慮經(jīng)濟性和施工難度，建議工程采用土工格柵式脹縫。

為減少水泥穩(wěn)定碎石層拱起開裂對瀝青路面的影響，可以在兩者之間增設一層柔性基層。柔性基層不僅可以分散內(nèi)部應力，還可以阻礙溫度傳遞，為水泥穩(wěn)定碎石層保溫，減少外界溫度變化對其的影響，避免拱起和開裂現(xiàn)象，有效提高路面的整體穩(wěn)定性和耐久性。

3.2 處治效果

工程路面拱起開裂現(xiàn)象嚴重，對行車安全會造成嚴重的威脅，養(yǎng)護部門根據(jù)上述防治措施對該道路進行處置，具體步驟如下。1）施工時間選擇：在秋季進行道路修復施工，避免夏季和冬季極端溫度對施工質(zhì)量的影響。2）鏟除受損層：鏟除拱起和開裂區(qū)域的瀝青面層和水泥穩(wěn)定層，清除所有受損材料，暴露出完好的基層。3）填充和設置脹縫：在水泥穩(wěn)定碎石層和瀝青面層之間填充級配碎石，提高層間的柔性。根據(jù)設計要求設置脹縫，保證每隔150m設置一條，以此吸收溫度變化引起的應力，防止再次拱起和開裂。4）鋪設瀝青面層：重新鋪設瀝青面層，保證材料均勻分布，并進行充分碾壓，保持路面的平整度和壓實度，恢復其行車性能和舒適性。

施工結(jié)束一年后，在道路路面脹縫和非脹縫處各選5個測點，對其進行彎沉值檢測，脹縫測點的平均彎沉值為0.158mm，非脹縫測點的平均彎沉值為0.136mm，所有檢測結(jié)果均滿足小于0.2mm的要求。由此可見，上述防治方法可有效處理水泥穩(wěn)定碎石層膨脹變形引發(fā)路面拱起開裂。

4 結(jié)論

針對水泥穩(wěn)定碎石層基層膨脹變形引發(fā)瀝青路面拱起開裂的現(xiàn)象，本文設計了相應的基于溫度變化的水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性試驗，并得到以下結(jié)論。1）水泥含量、水泥級配和養(yǎng)護時間都會對水泥穩(wěn)定碎石混合料的膨脹性產(chǎn)生較大的影響。試驗表明，水泥含量為4.5%、水泥級配為C-B-3、養(yǎng)護時間為7天的混合料的總膨脹變形量和膨脹系數(shù)均較小。2）水泥穩(wěn)定碎石混合料對溫度變化較為敏感。在10℃～20℃、20℃～30℃、30℃～40℃、40℃～50℃這4個溫度區(qū)段中，混合料區(qū)段膨脹變形量均隨著溫度升高而增加。而在50℃～60℃溫度區(qū)段，混合料區(qū)段膨脹變形有所減少。3）根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果和工程經(jīng)驗，研究提出在溫度適宜的春秋季節(jié)開始施工和設置脹縫、柔性基層等措施，并通過現(xiàn)場檢測調(diào)研證明上述方法的有效性。

參考文獻

[1]歐陽韋，周毅恒，陶澤峰.基于APT試驗的紅土粒料瀝青路面開裂研究[J].公路，2022，67（9）：76-81.

[2]葉向前，鄒曉翎，何虹霖，等.半剛性基層瀝青路面低溫開裂成因研究綜述[J].中外公路，2020，40（4）：62-67.

[3]譚晶晶，申愛琴，郭寅川，等.新疆地區(qū)基層開裂工況下瀝青路面力學響應[J].公路，2022，67（10）：98-105.

[4]楊美坤，李萬鵬，黃衛(wèi)明，等.半剛性基層開裂的瀝青路面承載力響應特性[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2024，43（3）：310-321.

[5]房娜仁，胡士清，李琪琪，等.基于半剛性基層強度控制的反射裂縫防治對策研究[J].公路，2022，67（9）：51-60.

[6]房娜仁，胡士清，吳朝玥，等.半剛性基層開裂后瀝青路面壽命預估方法研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2023，42（10）：45-52.