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摘要 半刚性基层在我国高等级公路建设中得到广泛应用，裂缝问题是其主要缺陷。本文对半刚性基层裂缝形成机理进行了分析，并提出了相应的防治措施。
关键词 半刚性基层 裂缝 形成机理 防治措施
1．引言
由于半刚性基层具有强度高、水稳性和冰冻稳定性好、刚性较大、材料板体性好，利于机械化施工且工程造价低，能适应重交通发展的需要等优点，我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层。
国内已建成高速公路使用调查表明，半刚性基层沥青路面通车后一年最迟两年均出现了大量裂缝，裂缝率最高达640m/1000m2，路面开裂的形式有：横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝。引起路面开裂的原因很多，主要分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。非荷载型裂缝又可分为沥青面层自身的温缩裂缝和由基层温缩、干缩、疲劳引起的反射裂缝和对应裂缝。在上述诸多类型的裂缝中，非荷载型裂缝是最主要的，尤其是由半刚性基层材料温缩和干缩引起的裂缝问题最为严重，所占比例超过50%。
2．半刚性基层裂缝形成机理
半刚性基层的裂缝是由其温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用产生的，而疲劳荷载作用是次要的，主要因素是温度收缩和干燥收缩。因而，半刚性基层材料的温度收缩机理和干燥收缩机理便构成了半刚性基层裂缝形成的主要机理。
2.1温度收缩机理
半刚性基层材料的基本结构是由固相（组成其空间骨架原材料的颗粒和其间的胶结料）、液相（存在于固相表面与空隙中的水和水溶液）、气相（存在于空隙中的气体）组成，因而半刚性基层材料的外观胀缩性是固、液、气三相不同温度收缩性的综合效应，使得基层材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒温度收缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。存在于半刚性基层材料内部大空隙、毛细孔、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”这三种过程对半刚性材料产生较大影响的。半刚性材料在干燥和饱水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下有较大的温度收缩值。
2.2干燥收缩机理
半刚性基层的干燥收缩是指基层材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象。其基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、干燥收缩的层间水作用以及碳化脱水作用而引起的整体宏观体积变化。
(1)毛细管张力作用。半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在内外压力差，即毛细管张力，以压力的形式作用于毛细管壁。在毛细管张力作用阶段，随着水分的散失，半刚性材料的干燥收缩率越来越大。
(2)吸附水及分子间力作用。毛细管水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，其间距变小分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。
(3)干燥收缩的层间水作用。半刚性基层材料中的一些层状结构物晶体或非晶体，如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H结晶等，层间“夹”有大量层间水及水化离子，随着层间水的蒸发，使晶格间距减小，也会引起整体收缩。
(4)碳化脱水作用。所谓碳化收缩也就是由于碳化反应引起的收缩，即在碳化反应中，Ca(OH)2和CO2反应生产水和CaCO3结晶体，所生成的水散失后所引起的体积收缩。
当半刚性基层铺筑后，由于基层材料具有的干燥收缩特性，随着基层混合料中水分的减少要产生干缩和干缩应力。如果没有合适的养生，在头几天内就会产生很大的干缩应力，而此时基层混合料的抗拉强度还不大，因此很容易产生干缩裂缝。
3．半刚性基层裂缝的预防措施
半刚性基层开裂原因是由于基层内部的最大收缩应力超过了半刚性材料的抗拉强度，因而，防治半刚性基层裂缝的措施就是减小基层内部最大收缩应力和增大半刚性材料抗拉强度的措施，可针对半刚性基层最大温缩、干缩应力的影响因素采取相应的措施。
3.1针对半刚性基层材料的措施
为减少半刚性基层的开裂，应尽量提高基层材料的抗拉强度，降低材料的弹性模量、温缩系数和干缩系数，减小基层内部的最大收缩应力。二灰稳定类基层和水泥稳定类基层必要时可加入早强剂，以提高半刚性基层早期强度，使其抗弯拉强度增大而弯拉模量变化不大，温湿效应减弱，耐用性提高，抗裂性增强。
水泥剂量的多少与水泥稳定材料的强度、弹性模量、温缩系数和干缩系数大小有直接关系。随着水泥用量增加，其强度和弹性模量增加，但是收缩系数也随之增加，因而，在满足要求的情况下，宜采用最小的水泥用量以降低弹性模量和收缩系数。半刚性基层材料中细料含量越多，其内部孔隙也就越多，从而在水作用下其收缩也就越大，所以要严格控制粒料中细料的含量和塑性指数，做到连续级配，避免间断级配，必要时采取掺配等手段优化级配。
3.2针对施工过程的措施
实践表明，相当数量的基层裂缝是由施工质量引起的，因而一定要确保半刚性基层的施工质量。尽量减小基层内部温度变化量和含水量损失量。基层混合料要尽量采用厂拌法施工，保证混合料拌和均匀，并严格控制基层碾压含水量，含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许范围内，含水量不宜过小，否则会影响水泥的水化，影响基层的强度形成，但含水量也不宜超过最佳含水量的1%，因水分过多会引起干缩裂缝。在基层碾压完成后要及时进行养生，使混合料的含水量不受损失，决不能让基层暴晒变干裂。养生结束后，应立即喷洒稀释的高粘度沥青，做成透层或封层，在其上撒布3—8mm的石屑，并尽快铺筑沥青面层。
3.3设置预切缝的措施
在基层设置预切缝也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累积的温缩、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。预切缝间距越小，切缝越多，不仅增加施工的复杂性，而且影响路面的整体强度。但是，预切缝过长也会带来一些问题，如温度翘曲应力增大，干缩、温缩引起基层的伸缩量大，增加基层开裂的可能性等。由于在荷载和环境因素作用下的基层预切缝缝隙处的沥青面层易产生应力集中，因此还要对预切缝处预先处理（如用乳化沥青填缝、在切缝处铺设一定宽度的防水油毡或土工织物等），这样可使预切缝“停留”在基层而不会反射到面层，即使产生反射裂缝，也比基层自由开裂而产生的反射裂缝规则。
4．结束语
目前，我国高等级公路沥青面层普遍较薄，怎样减少由半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的反射裂缝和对应裂缝便成为减少整个路面裂缝的关键。深入系统地研究和探讨半刚性基层裂缝产生的形成机理并采取相应的防治措施，将有益于延长路面的使用寿命，使半刚性基层路面发挥更好的使用性能。
参考文献：
［1］黄煜镔.水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝防治研究.上海:同济大学博士后研究工作报.
［2］郑健龙,张起森.半刚性基层沥青路面.北京:人民交通出版社.
（作者单位：河南省公路工程局集团有限公司）
关键词 半刚性基层 裂缝 形成机理 防治措施
1．引言
由于半刚性基层具有强度高、水稳性和冰冻稳定性好、刚性较大、材料板体性好，利于机械化施工且工程造价低，能适应重交通发展的需要等优点，我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层。
国内已建成高速公路使用调查表明，半刚性基层沥青路面通车后一年最迟两年均出现了大量裂缝，裂缝率最高达640m/1000m2，路面开裂的形式有：横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝。引起路面开裂的原因很多，主要分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。非荷载型裂缝又可分为沥青面层自身的温缩裂缝和由基层温缩、干缩、疲劳引起的反射裂缝和对应裂缝。在上述诸多类型的裂缝中，非荷载型裂缝是最主要的，尤其是由半刚性基层材料温缩和干缩引起的裂缝问题最为严重，所占比例超过50%。
2．半刚性基层裂缝形成机理
半刚性基层的裂缝是由其温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用产生的，而疲劳荷载作用是次要的，主要因素是温度收缩和干燥收缩。因而，半刚性基层材料的温度收缩机理和干燥收缩机理便构成了半刚性基层裂缝形成的主要机理。
2.1温度收缩机理
半刚性基层材料的基本结构是由固相（组成其空间骨架原材料的颗粒和其间的胶结料）、液相（存在于固相表面与空隙中的水和水溶液）、气相（存在于空隙中的气体）组成，因而半刚性基层材料的外观胀缩性是固、液、气三相不同温度收缩性的综合效应，使得基层材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒温度收缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。存在于半刚性基层材料内部大空隙、毛细孔、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”这三种过程对半刚性材料产生较大影响的。半刚性材料在干燥和饱水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下有较大的温度收缩值。
2.2干燥收缩机理
半刚性基层的干燥收缩是指基层材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象。其基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、干燥收缩的层间水作用以及碳化脱水作用而引起的整体宏观体积变化。
(1)毛细管张力作用。半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在内外压力差，即毛细管张力，以压力的形式作用于毛细管壁。在毛细管张力作用阶段，随着水分的散失，半刚性材料的干燥收缩率越来越大。
(2)吸附水及分子间力作用。毛细管水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，其间距变小分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。
(3)干燥收缩的层间水作用。半刚性基层材料中的一些层状结构物晶体或非晶体，如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H结晶等，层间“夹”有大量层间水及水化离子，随着层间水的蒸发，使晶格间距减小，也会引起整体收缩。
(4)碳化脱水作用。所谓碳化收缩也就是由于碳化反应引起的收缩，即在碳化反应中，Ca(OH)2和CO2反应生产水和CaCO3结晶体，所生成的水散失后所引起的体积收缩。
当半刚性基层铺筑后，由于基层材料具有的干燥收缩特性，随着基层混合料中水分的减少要产生干缩和干缩应力。如果没有合适的养生，在头几天内就会产生很大的干缩应力，而此时基层混合料的抗拉强度还不大，因此很容易产生干缩裂缝。
3．半刚性基层裂缝的预防措施
半刚性基层开裂原因是由于基层内部的最大收缩应力超过了半刚性材料的抗拉强度，因而，防治半刚性基层裂缝的措施就是减小基层内部最大收缩应力和增大半刚性材料抗拉强度的措施，可针对半刚性基层最大温缩、干缩应力的影响因素采取相应的措施。
3.1针对半刚性基层材料的措施
为减少半刚性基层的开裂，应尽量提高基层材料的抗拉强度，降低材料的弹性模量、温缩系数和干缩系数，减小基层内部的最大收缩应力。二灰稳定类基层和水泥稳定类基层必要时可加入早强剂，以提高半刚性基层早期强度，使其抗弯拉强度增大而弯拉模量变化不大，温湿效应减弱，耐用性提高，抗裂性增强。
水泥剂量的多少与水泥稳定材料的强度、弹性模量、温缩系数和干缩系数大小有直接关系。随着水泥用量增加，其强度和弹性模量增加，但是收缩系数也随之增加，因而，在满足要求的情况下，宜采用最小的水泥用量以降低弹性模量和收缩系数。半刚性基层材料中细料含量越多，其内部孔隙也就越多，从而在水作用下其收缩也就越大，所以要严格控制粒料中细料的含量和塑性指数，做到连续级配，避免间断级配，必要时采取掺配等手段优化级配。
3.2针对施工过程的措施
实践表明，相当数量的基层裂缝是由施工质量引起的，因而一定要确保半刚性基层的施工质量。尽量减小基层内部温度变化量和含水量损失量。基层混合料要尽量采用厂拌法施工，保证混合料拌和均匀，并严格控制基层碾压含水量，含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许范围内，含水量不宜过小，否则会影响水泥的水化，影响基层的强度形成，但含水量也不宜超过最佳含水量的1%，因水分过多会引起干缩裂缝。在基层碾压完成后要及时进行养生，使混合料的含水量不受损失，决不能让基层暴晒变干裂。养生结束后，应立即喷洒稀释的高粘度沥青，做成透层或封层，在其上撒布3—8mm的石屑，并尽快铺筑沥青面层。
3.3设置预切缝的措施
在基层设置预切缝也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累积的温缩、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。预切缝间距越小，切缝越多，不仅增加施工的复杂性，而且影响路面的整体强度。但是，预切缝过长也会带来一些问题，如温度翘曲应力增大，干缩、温缩引起基层的伸缩量大，增加基层开裂的可能性等。由于在荷载和环境因素作用下的基层预切缝缝隙处的沥青面层易产生应力集中，因此还要对预切缝处预先处理（如用乳化沥青填缝、在切缝处铺设一定宽度的防水油毡或土工织物等），这样可使预切缝“停留”在基层而不会反射到面层，即使产生反射裂缝，也比基层自由开裂而产生的反射裂缝规则。
4．结束语
目前，我国高等级公路沥青面层普遍较薄，怎样减少由半刚性基层温度收缩和干燥收缩产生的反射裂缝和对应裂缝便成为减少整个路面裂缝的关键。深入系统地研究和探讨半刚性基层裂缝产生的形成机理并采取相应的防治措施，将有益于延长路面的使用寿命，使半刚性基层路面发挥更好的使用性能。
参考文献：
［1］黄煜镔.水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝防治研究.上海:同济大学博士后研究工作报.
［2］郑健龙,张起森.半刚性基层沥青路面.北京:人民交通出版社.
（作者单位：河南省公路工程局集团有限公司）