最低温度控制是有效避免半刚性路面基层产生裂缝的重要措施
摘 要
二灰碎石、水泥稳定碎石基层的高等级路面竣工后出现 了大量不规则或有规则纵的裂缝。经观察分析，认为施工期 间的气温(尤其是初春气温不定)因素是水泥稳定碎石、二灰 稳定碎石半刚性路面基层产生裂缝的主要原因；只要合理地 控制施工现场最低气温就能有效减少路面裂缝。
关键词
半刚性基层 最低气温 裂缝
1 前言
随着高等级公路(高速公路、一级公路、二级公路)的大规模修建， 二灰碎石、水泥稳定碎石等半刚性基层被广泛应用于高等级路面基 层，随之而来的就是每条路修完后不到一年就出现大量不规则或规则 裂缝，维修人员用乳化沥青灌缝，即影响美观，也降低平整度，更影 响使用效果，经过笔者多年来的观察、记录、实验和总结，正反两方 面的对照认为，除产生裂缝的内部因素(尽量减少细粒料，增大粗颗 粒，控制颗粒级配，控制水泥用量)外，施工现场最低气温的控制是 减少路面出现裂缝的重要措施。
2 半刚性材料温缩与干缩裂缝产生的机理
半刚性材料是由固相(组成其空间骨架原材料的颗粒和其间的胶 结物)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相(存在于 空隙中的气体)组成，所以，半刚性材料的外观胀缩性是三相的不同 温度收缩性综合效应的结果。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。原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩性较 小，粉粒以下的颗粒温度收缩性较大。
半刚性材料温度收缩性的大小与结合料类型和剂量、被稳定材料 的类别、粒料含量、龄期等有关。
半刚性材料基层一般在高温季节修建，成型初期基层内部含水量 大，且尚未被沥青面层封闭，基层内部水分必然要蒸发，从而发生由 表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存在昼夜温度差，因此，修建 初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用，必须控 制修建时的最低温度以强度的增长抵抗干缩和温缩的影响，来减少或 避免裂缝，同时还必须注意养生保护。
3 工程实例分析
国道220线长清至平阴段改建工程，路面结构为：2cm中粒式沥 青混凝土+3cm粗粒式混凝土+15cm二灰碎石(外掺2%水泥)+15cm二 灰碎石(外掺2%水泥)+调平层。由于是老路基改建，路基状况良好，边 沟、泄水槽完整，对路基个别沉陷、翻浆、坑槽按规定进行处理，原路基填土为粘土。开工时间为2002年3月21日，竣工时间为2002年5月1日，施工期大多在春季，气温较 低，阴雨天较多，气温干燥，春风频繁，施工期间最低气温出现在3月21日，为5℃，最高气温出现在4月 2日，为29℃，最大温差出现在3月29日，12℃(9-21℃)。施工时全封闭交通，养护为草帘覆盖，洒水车洒 水养生，二灰碎石比例为：石灰：粉煤灰：碎石=5：15：80(外掺2%水泥)，最大干密度为2.03g/cm 3，碎石级配为石屑=40%，5-10碎石=20%，16-31.5碎石=40%，碎石压碎值为16.3%，集料筛分情况如下表：
筛孔尺寸 | 37.5 | 31.5 | 19 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.075 | |
通过率% | 100 | 91.6 | 82.7 | 61.3 | 38.6 | 29 | 16.8 | 7.9 | 0.2 | |
规定通过百分比 | 最大 | 100 | 100 | 90 | 68 | 50 | 38 | 27 | 20 | 7 |
最小 | 100 | 90 | 72 | 48 | 30 | 18 | 10 | 6 | 0 | |
拌合场位于施工路段中心位置，基层竣工后15天左右铺筑沥青面层，在当年10月份开始出现横向裂 缝，然后出现纵向裂缝，经过一个冬季后，第二年3月份就出现了多条不规则纵、横向裂缝，在裂缝处用 钻芯机取芯，芯样裂缝为完全断开；施工时7天内取芯，芯样上半部成型，下半部碎裂，到第15天取芯 时，虽然能取出完整芯样，但芯样表面不光滑，很粗糙。笔者认为由于当时气温偏低(虽然最低气温达到 规范要求5℃)，但强度上升慢，基层本身产生的强度，不足以克服温差产生的收缩应力，因而造成裂缝。 所以，低温季节施工，温差与温度是产生温缩裂缝的关键。低温季节，温缩易发生。低温时施工，厚的 覆盖养生及延长养生时间是预防温缩的关键技术措施。
国道308线济南大桥镇至德州界段改建工程于2002年7月21日开始铺筑基层，竣工时间为当年9月 7日，路面结构为：3cm中粒式沥青混凝土+4cm粗粒式混凝土+2×15cm二灰碎石(外掺2％水泥)+调平 层。仅是对原路基沉陷、坑槽、翻浆部分进行了处理，分层回填并压实，原路基填土为粉砂土。施工期 间最低气温是11℃(2002年9月7日11-28.1℃)，最高气温是36.8℃(9月2日)，日最大温差为17.1℃(2002 年9月7日11-28.1℃)。养护采用草帘覆盖，洒水车洒水养生，交通封闭较好，养生及时。二灰碎石配合 比为:石灰:粉煤灰:碎石=7:13:80，最大干密度为:2.05g/cm 3，碎石级配为石屑=40%，5-10碎石=20%，16-31.5碎石=40%，碎石压碎值为16%，集料筛分情况如下表:
筛孔尺寸 | 37.5 | 31.5 | 19 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.075 |
通过率% | 100 | 94.2 | 81.5 | 57.8 | 40.9 | 28.4 | 17.4 | 12.1 | 3.4 |
规定通过百分比 | 100 | 90-100 | 72-90 | 48-60 | 30-50 | 18-38 | 10-27 | 6-20 | 0-7 |
施工期间5天取芯就基本成型，7天时取出的芯样表面就十分光滑，当时未出现裂缝，一年后，省市 公路局组织验收组验收时未发现一条裂缝，时至今日已经两年多了，也未发现一条裂缝。笔者认为，国 道308线与国道220线的施工队伍、机械、设备相同、材料配合比类似，料源也相同，结构相似，都是二 灰碎石基层，为何产生如此大的差距呢？九月份，平均温度高，有利于强度地增长。尽管温差大，相对 三月份平均温度高。这说明，温缩主要发生于强度生长的初期，最低气温比最大温差的影响更大。初期 温度低，强度增长缓慢，强度的增长速度不足以克服温差造成的缩裂，因而出现温度裂缝。
省道242线刁镇至滨州界改建工程于2003年6月19日开始铺底基层，路面结构为4m中粒式沥青混 凝土+6m粗粒式混凝土+15cm水泥稳定碎石(5%水泥含量)+16cm二灰碎石(外掺2%水泥)+16cm12%石灰 土。对原路处理是将沥青面挖除，并将原路基原土翻起、粉碎、洒水，整平后压实(过厚段分层压实)，原 路基填土为粘性土，并对原排水设施进行了必要的改建。基层开工时间为2003年6月19日，竣工时间为 2003年9月25日，根据施工期间我们观测的气温统计，最低气温是12.5℃(9月20日)，最高气温是41.3 ℃(7月15日)，最大温差是9月21日14.8℃(12.4-27.2℃)，养生同样是采用覆盖，草帘洒水车洒水养生， 交通封闭较好，基层表面基本上能够长时间保持湿润，养生充分，二灰碎石配合比为:石灰:粉煤灰:碎石 =3:17:80(外掺2%水泥)，最大干密度为2.05g/cm3 ，碎石压碎石值为16.2%，集料筛分情况如下表:
筛孔尺寸 | 37.5 | 31.5 | 19 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.075 |
通过率% | 100 | 100 | 83.2 | 61.1 | 32.8 | 24.8 | 17.9 | 11.4 | 3.8 |
规定通过百分比 | 100 | 90-100 | 72-90 | 48-60 | 30-50 | 18-38 | 10-27 | 6-20 | 0-7 |
水泥稳定碎石配合比为水泥:碎石=5:95，碎石配合比为:(1-3):(1-2):(0.5-1):石粉=29:21:21:29，集料筛分情 况如下表:
筛孔尺寸 | 31.5 | 26.5 | 19 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 0.6 | 0.075 |
通过率% | 100 | 96.4 | 82.7 | 51 | 31.1 | 21.3 | 9.8 | 1.5 |
规定通过百分比 | 100 | 90-100 | 72-89 | 47-67 | 29-49 | 17-35 | 8-27 | 0-7 |
由于施工期间气温较高，二灰碎石只用5天就取出了完整的芯样,并且表面光滑，无颗粒脱落，水泥 稳定碎石最快仅用3天就取出了完整的芯样，说明强度增长随着温度增高而显著加快，施工期间及摊铺完 面层后未发现裂缝，在2004年底省厅组织的竣工验收中被评为优质工程。
以上三个工程，结构类似，都是以半刚性结构作为路面基层、底基层，配合比相似，即水泥稳定碎 石配合比为:水泥:碎石=5:95，7天无侧向抗压强度不小于4.0mPa:二灰碎石配合比为: 石灰:粉煤灰:碎石=7:13:80(或5:15:80)(外掺2%水泥)，7天无侧限抗压强度为不小于1.0 mPa，施工单位、施工水平、施工机具、施工负责人几乎没变化，但效果却相差很大。2002年上半年竣工的国道220线就出现了大量不规则 或规则裂缝，而下半年竣工的国道308线和2003年9月底竣工的省道242线从通车至今就从未发现一条 裂缝。排除上述内部因素外，外部原因也大体相似，最主要的原因就是最低气温的影响，第一例国道220 线施工时最低气温为5℃，第二例国道308线施工时最低气温为11℃，第三例省道242线施工时最低气温 为12.5℃。结果是施工期间温度低的出现了裂缝，施工最低温度超过10℃的第二例和第三例未出现裂缝， 究其原因就是温度过低，基层强度增长较慢，其强度不足以克服温度变化产生的温差应力而导致基层开 裂产生各种裂缝。
省道104线长清至肥城段改建工程于2001年6月27日开始铺筑路面基层，7月31日摊铺完毕。路面 结构为3cm中粒式沥青混凝土+4cm粗粒式沥青混凝土+2×15cm二灰碎石(外掺2%水泥)+15cm10%石 灰土，该改建工程除局部加宽外，基本上是按原路线走向，对原路沉陷、坑槽均按规定进行处理，路基 边沟、泄水槽、排水沟基本良好，原路基填土为粘性土，施工期间的气温较高，气候较干燥，最低气温 为20.2℃(7月7日)，最高气温是39.6℃（7月14日），最大日温差为16.7℃(即7月14日22.9℃-39.6℃)， 二灰碎石配合比为石灰:粉煤灰:碎石=7:13:80，最大干密度为:2.05g/cm 3，碎石级配为石屑=35%，5—10碎石=25%，10—20碎石=40%，碎石压碎值为16%，拌合场位于施工路段的中心位置，基层完工后20 天左右铺筑面层，养生为覆盖草帘，洒水车洒水养生，但由于该路线通过村庄较多，人口较密集，该路 又是唯一一条进出线路，虽为全封闭施工，但车辆来往不断，投入大量人力物力加强覆盖养生，但仍有 相当部分位置尤其线路中心位置时常暴露。由于天气干燥气温较高，水分蒸发快，造成竣工通车后不久 （2001年10月下旬）就断断续续出现了纵、横向裂缝，2002年3月份就出现了大量纵、横向裂缝，尤其 是下雨时，裂缝更为明显，为了防止水分下渗，采取了乳化沥青灌缝，即影响美观，又影响使用，所以 即使高温季节施工不存在低温缩裂问题，但是施工期间，水分蒸发得快，表面干燥得快，养生不良更容 易产生干缩裂缝，所以高温施工防止干缩最关键。
近几年我参与了或负责的基层工程也产生了类似的结果，不再一一例证。，通过总结近几年的施工经 验，我建议最低施工温度最好控制在8℃以上，只有这样才能有效地避免或减少由于温度影响的缩裂，从 而避免唧泥、坑槽等各种病害，以延长路面的使用寿命。当然加强养护、控制交通、提高压实度、及时 铺筑面层、控制0.75mm以下颗粒的含量等内外因素同样不可偏废。
4 结论
产生温缩与干缩不是温度差，而是施工期间的最低温度。平均温度低的低温施工，半刚性材料以温 缩为主。平均温度高的高温季节施工，半刚性材料以干缩为主。施工时最低温度的控制是有效避免半刚 性基层产生裂缝的有效措施。
此文的编写过程中，得到了单位施工技术人员大力支持，特别得到了山东大学商庆森教授的热心指 导和帮助，在此深表感谢!
工程建设机械2005.NO.9
路桥施工
