摘要：江南建筑>二灰碎石配合比设计的探讨
鉴于目前二灰碎石基层设计采用《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-93)存在着干缩裂缝较多，施工中石屑用量过大、来源困难、造价过高等问题，我所对一些发生基层裂缝的沥青路面进行了现场取样调查，并对沪嘉高速公路、济青高速公路进行了实地调查。同时，我们根据江苏实际情况采用多种配合比及集料进行配合比设计和无侧限抗压强度试验。现将我们对二灰碎石配合比设计的初步研究结果介绍如下，与大家共同探讨。
1 横向裂缝是高等级公路沥青路面的主要缺陷之一
沥青路面裂缝尤其是横向裂缝，近年来已成为沥青路面的主要病害之一。不论其面层是国产沥青还是进口沥青，都会不同程度地出现横向裂缝。沪嘉高速公路1988年竣工通车后，1992年横向裂缝达300多条，1993年每隔12～20m一条，1994年每隔12～15m一条，全线已有1000余条横向裂缝，莘松高速公路1990年12月峻工通车，经过三年的通车使用，也出现了横向裂缝，200条，其共同特点是所有裂缝有些横向裂缝间距在12～15m之间，1994年裂缝约有都是上宽下窄，横向裂缝大都贯穿路面全宽。济青高速公路1993年底通车，在济南段(Ⅰ标段)也有横向裂缝。以上公路路面结构见表1
。
表1
|
沪嘉高速公路 |
莘松高速公路 |
济青高速公路 |
|
4cm细粒式沥青混凝土 |
4cm细粒式沥青混凝土 |
4cm细粒式沥青混凝土 |
|
6cm粗粒式沥青混凝土 |
6cm粗粒式沥青混凝土 |
5cm粗粒式沥青混凝土 |
|
7cm沥青碎石 |
8cm沥青碎石 |
6cm粗粒式沥青混凝土 |
|
46cm二灰碎石 |
44cm二灰碎石 |
24cm二灰碎石 |
|
20cm砂砾 |
15cm砂砾 |
42二灰碎土 |
沪宁高速公路所做的试验路也出现了横向裂缝。这些裂缝的最终结果导致路面雨雪水不断下渗
，行车后造成路面唧泥，最终导致路面损坏。
国外的观点是，半刚性基层在铺筑沥青路层之前或之后必然要产生裂缝，并造成反射裂缝，需经常采用加厚沥青面层来减轻反射裂缝。美、加、英、法、日、澳等国不少学者认为，要求沥青路面不裂是不可能的。由此可见，横向裂缝已成为沥青路面的主要问题之一，其发生是不可避免的，但尽可能减少并推迟其发生的时间则是可能的。
通过我们的初步研究分析来看，除施工质量外，二灰碎石中集料级配偏细是造成二灰碎石裂缝的重要原因。
2 现有路面裂缝情况及原因分析
从我们对一个试验段沥青路面裂缝调查情况来看，裂缝大多为横向贯通裂缝，也有个别地方有纵向裂缝，大约5～10m一道，在全段分布，表面裂缝间隙大小不等，在0.1～2mm之间，且不论路堤高低均有裂缝存在，这就排除了沉降对裂缝产生的影响。在对钻孔所得芯样来看，无论二灰碎石厚度多少(20～33cm)其裂缝均从上到下全部贯通，且裂缝宽度较大，在1～2mm左右。大粒径集料在芯样中呈悬浮状，无嵌挤，属悬浮式二灰碎石。该试验段二灰碎石组成设计为石灰:粉煤灰:粒料-8:17:75，混合料中集料的颗粒组成采用交通部《公路路面基层施工规范》(JTJ034-85)规定(见表2)。
表2
|
通过下列圆孔筛(mm) |
40 |
20 |
10 |
5 |
2 |
1 |
0.5 |
0.074 |
|
100 |
60~85 |
50~70 |
40~60 |
27~47 |
20~40 |
10~30 |
0~15 |
集料由3～4种不同规格组成，其施工集料筛分结果见表3。
表3
|
通过下列圆孔筛(mm) |
40 |
20 |
10 |
5 |
2 |
1 |
0.5 |
0.074 |
|
99.6 |
73.0 |
51.9 |
41.2 |
29.6 |
27.1 |
20.3 |
9.1 |
其二灰碎石混合料筛分结果见表4。
表4
|
通过下列圆孔筛(mm) |
30 |
25 |
20 |
15 |
10 |
5 |
2.5 |
1 |
0.5 |
|
94.94 |
91.44 |
83.34 |
73.34 |
62.84 |
50.14 |
39.74 |
36.04 |
27.54 |
监理及施工报告表明，二灰碎石基层、二灰土底基层和路基压实度、强度及弯沉均达到设计要求，且通车时间很短，荷载性裂缝可能性小，因此有必要对裂缝产生的原因进行深入的分析。
沥青路面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沥青和沥青混合料的性质、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。但就沥青路面开裂的主要原因而论，可以分为两大类：一类是荷载型裂缝，一类是非荷载型裂缝。试验段的裂缝属非荷载型裂缝，其缝上端开口宽、沿深度向下很快变窄即证明这一点。由下层裂缝促成面层由底到顶产生的裂缝称为反射裂缝。在新建公路中，半刚性基层温缩开裂和干缩开裂是引起反射裂缝的主要原因。
由于半刚性沥青路面具有很多的优点和明显的技术经济效益，国外高等级公路越来越多地采用半刚性基层沥青路面。长期以来，国外认为采用半刚性基层可避免沥青面层产生疲劳破坏的同时，普遍认为这种结构中沥青面层的裂缝是由半刚性基层引起的反射裂缝。壳牌沥青路面设计方法在概括各国的观点和使用经验时指出，水泥稳定基层上沥青路面的厚度取决于允许产生裂缝的程度，常在15～25cm之间变化。在第43届世界道路会议半刚性路面的综合报告中关于裂缝的论述仍是反射裂缝的概念。
国外在高等级公路上采用半刚性基层材料主要是水泥处治材料，它包括贫混凝土和水泥稳定粒料土，也有采用石灰粉煤灰集料或石灰、水泥、粉煤灰集料做沥青路面基层的，但规模要小得多。而我国沪嘉、西临、沪宁、莘松等高速公路都采用了含粉煤灰集料的半刚性基层沥青路面，因此反射裂缝是半刚性基层的一个主要特征。
从机理分析，半刚性基层材料的缩裂分为因温度变化而造成的温缩与因含水量变化而造成的干缩两种。水是影响此类材料温缩的主要因素，特别是在非饱水状态时影响较大。试验结果表明，当温度在0°～10°C时，在最佳含水量附近总出现最大的温缩系数。干缩的基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间作用、材料矿物晶体或凝胶体间水的作用、碳化收缩作用等引起的整体宏观体积变化，结合料的矿物成分和分散度影响最大，集料可使干缩降低。可见初期养生不良或含增加对水的作用减少，龄期增加、强度提高水量太大必将导致很大干缩，特别是二灰碎石7d后干缩才趋于稳定。
3 现行规范在二灰碎石集料级配设计中的问题
半刚性基层的一个核心问题是水的问题而水的多少与控制又直接与二灰碎石中石灰、粉煤灰和细料的含水量有直接关系。
交通部1985年颁布了《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-85)并在1993年进行了大幅度修订后颁布了新的《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-93)。其中对二灰碎石材料的要求主要是，二灰碎石材料用作基层时，混合料中集料的重量应占80%～85%，集料的最大粒径不超过30mm(方孔筛)，如为圆孔筛，则最大粒径可为表列数值的1.2～1.5倍，其颗粒组成应符合2号级配范围(见表5)。如将其换算为圆孔筛则与JTJ034-85规范基本一致，因此不存在新老规范不一致的问题，而主要是过去我省在二灰碎石施工中未真正按规范要求施工而已。
表5
|
通过下列圆孔筛(mm) |
40 |
30 |
20 |
10 |
5 |
2 |
1 |
0.5 |
0.07 |
|
100 |
90~100 |
60~85 |
50~70 |
40~60 |
27~47 |
20~40 |
10~30 |
0~15 |
规范在修订说明中指出，为了减少基层混合料在拌和、运输和摊铺过程中粗细集料的离析现象，减少拌和机的磨损以及为使基层具有较高的平整度，将用做高速公路和一级公路的基层集料的最大粒径缩小到方孔筛30mm。同时指出，当石灰粉煤灰与粒径之比15:85～20:80，并且在混合料中粒料起骨架、石灰粉煤灰起填隙和胶结作用时，称为密实式二灰碎石：当石灰粉煤灰与粒料之比为50:50左右，并在混合料中形不成骨架，而是悬浮在石灰粉煤灰混合料中时，称为悬浮式二灰粒料。悬浮式二灰粒料收缩性大，容易产生干缩裂缝，其最大干缩应变(827με)约为密实式二灰碎石的3倍(233～273με)。
从我所对12 种不同级配的混合料击实后取样和现场取芯观察来看，现行规范中虽然粒料占80%，但粒料大部分由5mm以下石屑组成(约占50%左右)，而30mm以上粒料很少(约占10%左右)，这样必然造成粒料形不成骨架，石灰粉煤灰及石屑在起胶凝而不是填隙作用，只能是悬浮式二灰粒料。这种粒料的强度与刚度较大，特性更加接近水泥混凝土，其结果必然造成大量裂缝特别是后其裂缝的产生。加之由于细料偏多、压实后表面光滑、无石子外露，与沥青路面面层联结不利，面层的抗剪性能大大降低。而想通过行车使其石子外露不仅不切合实际，而且会产生基层表面的松散，这与规范设计相矛盾。
我省自1978年开始进行二灰碎石施工，迄今已有十几年了。以往由于公路等级不高，且多为边通车边施工，因此往往未按规范进行粒料级配设计，且多为2、4、6等单一级配，粗粒料约占二灰碎石70%～75%，从击实及现场取样结果可以看出，这种级配粒料在混合料中形成骨架。石灰粉煤灰起填充作用和胶结作用，可称为密实式二灰粒料。根据以往在沪宁二级公路及其它二级公路施工及使用情况来看，其收缩裂缝几乎没有或至少50m以上才会有一道。但按照现行规范，这种级配的强度难以达到要求，且平整度亦难以控制。
综上所述，在二灰碎石组成设计中存在较多的如强度、收缩裂缝、平整度、含水量控制等相互制约和矛盾的问题，如何把几者有机的统一起来，制订适合于江苏省高等级公路特点和要求的二灰碎石最佳组成、集料级配、裂缝防止和处理方法以及施工工艺是一个重要而紧迫的课题。
4 对二灰碎石配合比设计的初步思路
为了解决好以上相互制约的几个问题，我们在进行二灰碎石配合比设计时。根据三个不变、一个控制、一个提高的原则，即保证80%以上粒料比例不变、0.8MPa无侧限抗压强度不变、集料连续级配不变，控制5mm以下粒料用量，提高2mm以上粒料用量。这样设计以嵌挤型代替胶结型，减少收缩，增大粗粒料用量，减少对水的敏感程度，减少整体材料的孔隙率、比表面积和含水量，大幅度降低干燥收缩，以适当级配代替单一级配，减少碎石单一缺少连接面易造成离析和平整度差的问题。
根据以上设计原则，我们对宁连一级公路连云港段二灰碎石级配进行调整，并通过了交通厅组织的专家评审。其混合料合成级配见表6。
二灰碎石混合料合成级配 表6
|
通过下列圆孔筛的重量 |
40 |
30 |
20 |
10 |
5 |
2.5 |
0.5 |
0.074 |
|
中 值 |
100 |
84.5 |
73.0 |
47.5 |
37.5 |
30 |
20 |
6.0 |
|
范 围 |
100 |
71~98 |
58~88 |
35~60 |
30~45 |
25~35 |
10~30 |
3~9 |
为了对比推荐级配和规范级配以及单一级配的各项性质进行了室内试验(击实、抗
压强度、模量和干、温缩)，结果见表7、表8。
各级配击实试验结果 表7
|
级配含量 类型 项目 |
单一级配 |
规范级配 |
推荐级配 |
|
|
集料 |
1-3碎石 |
100 |
10 |
37.5 |
|
1-2碎石 |
|
27.5 |
37.5 |
|
|
石屑 |
|
62.5 |
2.5 |
|
|
Ydmax(g/cm3) |
2.01 |
1.96 |
2.01 |
|
|
WO(%) |
8.9 |
9.3 |
9.4 |
|
注：混合料的配合比为8:12:20
强度、模量试验结果表 表8
|
指标 龄期 级配 |
抗 压 强 度 |
抗压回弹模量 |
||||
|
7d |
28d |
90d |
180d |
90d |
180d |
|
|
单一级配 |
1.07 |
2.74 |
4.26 |
6.14 |
1240 |
1480 |
|
规范级配 |
1.56 |
3.92 |
5.82 |
8.06 |
2120 |
2410 |
|
推荐级配 |
1.23 |
3.12 |
5.29 |
7.54 |
1750 |
1980 |
注：以上数值均为代表值。
通过干缩和温缩试验绘制的各种级配图分别为干缩应变与时间变化(图1)、干缩应变与失水率关系(图2)、干缩系数与失水率关系(图3)、温缩应变与温度关系(图4)、平均温缩系数与温度关系(图5)，图中1号为推荐级配，2号为规范级配，3号为单一级配。
室内试验表明各级配的7d无侧限抗压强度均满足要求，为进一步研究不同级配在施工中的可操作性和路用性能，我们在宁连一级公路南马段铺筑了试验路，试验路长度300m，三种不同级配的二灰碎石各100m，施工时间为1995年6月28日～7月9日。混合料的配合比均为8:12:80。施工过程的检测结果见表9、表10、表11。
平整度检测表 表9
|
级配种类 |
平均值 |
标准差S |
h=h+1.645s |
技术标准 |
|
单一级配 |
6.4 |
3.12 |
11.48 |
＜10mm |
|
规范级配 |
4.9 |
2.10 |
7.95 |
＜10mm |
|
推荐级配 |
5.1 |
2.52 |
9.24 |
＜10mm |
工地7d无侧限抗压强度试验表 表10
|
级配种类 |
试件个数n |
平均值 |
标准差 |
偏差系数 |
Rd/(1-ZaCv) |
|
单一级配 |
26 |
1.29 |
0.30 |
23.3 |
1.30 |
|
规范级配 |
13 |
1.62 |
0.193 |
11.9 |
1.0 |
|
推荐级配 |
26 |
1.25 |
0.229 |
18.3 |
1.14 |
弯沉检测表 表11
|
级配种类 |
检测日期 |
平均值1 |
标准差S |
1r=1+ZaS |
备注 |
|
单一级配 |
1995.7.21 |
19.75 |
7.94 |
36 |
成型日期 |
|
1995.9.24 |
9.64 |
4.12 |
18 |
||
|
1996.4.17 |
7.71 |
3.11 |
12 |
||
|
规范级配 |
1995.7.21 |
14 |
6.94 |
28 |
成型日期 |
|
1995.9.24 |
7.52 |
3.09 |
13 |
||
|
1996.4.17 |
7.25 |
3.39 |
12.8 |
||
|
推荐级配 |
1995.7.21 |
17.6 |
4.50 |
27 |
成型日期 |
|
1995.9.24 |
10.1 |
4.42 |
19 |
||
|
1996.4.17 |
6.86 |
3.18 |
12.1 |
由于条件所限试验路采用平地机施工，通过检测，推荐级配和规范级配的平整度(三米直尺)均能满足施工规范的要求，3种级配的7d无侧限抗压强度均满足要求，虽然早期弯沉表现各异，但后期弯沉基本相同。
试验路施工时正值高温多雨的季节，混合料的含水量较大，加之成型后未立即筑下封层，基层未做到保温养生，暴晒时间较长。在铺设下封层后2个月即在下封层上发现裂缝(此时尚未反射到中面层)，经过一个冬季，裂缝有所增加，且全部反射到中面层。
规范级配的裂缝率(m/100m2)为15.5%、推荐级配的裂缝率为11.5%、单一级配的裂缝率为5.7%。而推荐级配在大规模推广生产时，由于含水量控制较好，因而反射裂缝率在4%左右。
试验路的裂缝率从另一个侧面也反映了集料级配对反射裂缝的影响程度。
通过室内试验和试验路的铺筑可见，以上设计思路是可行的，对于减少裂缝、减少石屑用量、方便施工是有利的。并且，在采用集中厂拌、摊铺机摊铺和加强施工控制前提下，其平整度和强度是能够达到设计要求的，而且压实后表面粗糙、石子外露对于沥青面层的联结也极为有利。
5 试验路裂缝的处理
针对已出现的裂缝，我们采用具有国际先进水平的自粘式玻纤网进行处理，这在国内尚属首次。玻纤网是以高强度玻璃纤维做材质的一种新型加筋格栅，具有较大的抗拉强度及弹性模数、较低的延伸率，很高的熔点，是处治沥青混凝土路面反射裂缝的优良材料。玻纤网较一般加筋格栅最显著的特点是具有很高的熔点(1000ＯC以上)，能够很好地满足沥青砼施工要求。一般的塑料加筋格栅在沥青的摊铺温度(130ＯC～160ＯC)下容易产生变形和老化，从而形成格栅与沥青混凝土的间隙，影响铺设效果。而玻纤网由于具有较高熔点，完全不会发生变形和老化，能够很好地同混合料结合，发挥最佳效应。
实践证明，自粘式玻纤网施工方便、粘附力强，在沥青砼摊铺和碾压过程中不会发生推挤和老化变形，是处理裂缝的优良材料。试验路反射裂缝于1994年底出现，经玻纤网处理后，于1996年10月8日通车。到现在尚未有裂缝反射到上面层，其效果非常理想。
6 设计、施工、养护中半刚性路面荷载裂缝的防止方法
根据二灰碎石的干缩和温缩机理，我们在设计、施工、养护中通过采取以下措施，可使半刚性路面非荷载裂缝减少到最低限度。
6.1 设计方面
(1)在进行半刚性路面的设计时，首先采用抗冲刷性能好，干缩系数与温缩系数
小，抗拉强度高的半刚性材料做基层。
(2)选用松驰性能好的优质沥青做沥青面层。
(3)在稳定度满足要求的前提下，应采用针入度大的沥青做沥青面层。
(4)应该采用合适的沥青面层厚度以保护基层不产生干缩裂缝并提供优良的行驶性能。
(5)为进一步提高表面层的抗温度裂缝性能，可以采用橡胶沥青或聚合物改性沥青在混凝土表面做一封层。
(6)在难以避免裂缝的地区，在沥青表面层碾压结束后，每隔一段距离锯一条横缝，缝深为深入基层厚度的1/3～1/2。
(7)采用较薄沥青面层时，用级配碎石中间层(12～15mm)。
(8)采用橡胶沥青面层(应力吸收膜)、玻纤网、土工织物、开级配沥青混凝土底面层。
(9)每隔8～12m锯一道深6～10cm假缝或预留缝。
6.2 施工方面
(1)施工中的关键是保证在铺筑沥青面层之前，半刚性基层不产生收缩裂缝。
(2)在施工中严格控制碾压含水量。
(3)在制备沥青混合料过程中不使沥青过分老化，施工中加强碾压，使沥青混合料达到高的密实度，这些措施均有利于减少反射裂缝。
6.3 养护方面
(1)半刚性基层碾压完成后，要及时养生，保护混合料的含水量不受损失，决不能让基层曝晒变干开裂。
(2)半刚性基层碾压完成后或最迟在养生结束后，应立即喷洒沥青乳液做透明层或下封层。
(3)透层或粘层完成后，尽快铺筑沥青面层。
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