［關鍵詞］ 水穩層 裂縫探討 預防 處治
一、概述
用水泥穩定粗粒土（顆料的最大粒徑小于50mm且其中小于40mm的顆粒含量不少于85%）和中粒土（顆粒的最大粒徑小于30mm且其中小于20mm的顆粒含量不少于85%）得到的混合料，視所用原材料為碎石或礫石，簡稱為水泥碎石或水泥礫石。
水泥穩定碎石有良好的力學性能和板體性，其初期強度高并且強度隨齡期增長，其力學強度還可視工程需要進行調整。其特點是：強度高，水穩性好，抗凍性好，耐沖刷，溫縮性和干縮性均較小，是一種優良的路面基層材料。然而水泥穩定碎石料也有其與生俱來的缺點：主要是脆性大，從而導致對溫度和濕度敏感性強，易因溫度變化和濕度變化產生裂縫并反射到路面，導致路面強度和使用性能大大降低，產生沖刷和唧唧漿現象，這也是路面工程不可忽視的病害。
二、產生裂縫的現象
水泥穩定集料基層是將一定級配的集料與水泥和水一起拌和后，在最佳含水量狀態下碾壓成型，經過養生達到一定強度的路面基層結構，此基層是一種半剛性結構。水泥穩定基層容易產生裂縫的同時已是影響瀝青混凝土面層破壞的關鍵因素。這種裂縫，一般在基層頂面沿橫向開裂多為等間距，成直線型，縫長不等，縫寬在0.5～3.5mm左右。較早出現裂縫是在水穩層養生過程中開始出現，有的是在瀝青混凝土路面通車后在荷載的作用下出現，這是由于水穩層出現裂縫并引起瀝青混凝土面層產生相對的反射裂縫。
三、裂縫的危害
基層裂縫的危害有二個方面：一是降低基層的整體強度，二是發展后會形成反射裂縫，使瀝青混凝土路面相應出現有規則的橫向裂縫、起拱。出現第二種情況，若不及時處理，雨水從裂縫內向下滲透，瀝青混凝土和基層裂縫縫隙處充滿自由水，在車輛荷載反復沖擊下，就會使瀝青混凝土中粘附在碎石表面的瀝青剝離，基層的細集料形成泥漿被擠壓出路面，瀝青混凝土路面出現坑洞、碎裂、松散，造成瀝青混凝土路面早期破損，影響其使用壽命。基層裂縫的危害較為常見，直接影響到了路面行車的速度和安全。
四、裂縫產生的原因
對于道路上的半剛性基層，要求其具有較小的收縮性。半剛性材料的收縮包括二個方面，一是由于水分子減少而產生的干縮，二是由于溫度降低而產生的溫度收縮。
基層材料的干縮和溫度收縮是引起基層結構產生橫向裂縫的主要原因。對瀝青面層的開縫特別是反射裂縫的發生有很大影響，另外一個原因是在車輛荷載作用下產生的裂縫。
1、干縮性裂縫：干縮性裂縫的情況有兩種，一是水泥穩定碎石壓實成型到正常養護期（一般為7 d）的干縮；二是養護期滿后到施工瀝青封層或透層、攤鋪瀝青混凝土面層這段時間的干縮。其機理基本上是一樣的，只是其損害的程度有所不同。
水泥穩定碎石壓實成型到正常養護期（一般為7d ）期間，由于混合料本身的水份和養護灑水的水分蒸發以及混合料內部水化作用發生的毛細管作用、分子間吸附作用力和碳化收縮作用等，引起基層混合料體積在一定程度趨于減小而收縮，出現拉裂的現象。如果這段時間天氣正常，氣溫沒有太大變化，混合料（基層）從最佳含水量到較干燥的干縮過程可稱之為一次性的干縮，其產生的裂縫是有限的。
從基層養護期滿后到施工瀝青封層或透層油、攤鋪瀝青混凝土面層之間，如果這段時間間隔較長，自然天氣從睛到雨，從雨到睛，風吹日曬雨淋，基層料從“較干燥→飽水狀態→較干燥→飽水狀態”反復循環作用，水分反復的“蒸發、飽和、蒸發、飽和”，多次重復干縮過程，必然會使基層出現較嚴重的拉裂現象，在薄弱地方就表現為裂縫，這種破壞在多雨的地區特別明顯。養生結束后，如其上為瀝青面層，應先清掃基層，立即噴灑透層或粘層瀝青、在清掃干凈的基層上，也可先做下封層，以防止基層干縮開裂。
2、溫縮性裂縫：也就是熱脹冷縮產生的裂縫。萬物都具有熱脹冷縮的性質，水泥穩定碎石基層屬半剛性體，也不會例外。在水泥路面設計和施工中，設置伸縮縫的做法規范中已有明確的規定，并且在施工和實際中得到廣泛的應用，取得了顯著的成效。但長期以來，在水泥穩定碎石基層的設計規范或施工技術規范中卻沒有提出來，這有待于進一步探索。
水泥無機結合料內部的不同礦物顆粒組成的固相、液相和氣相體，在溫差作用中必然會使其產生熱脹冷縮的體積變化，從而引起溫縮性裂縫。
（1）固相礦物不同的脹縮性：碎石原材料礦物（主要為SiO2、AI2O3）組成的熱脹冷縮系數為810-6/℃，水泥穩定碎石生成的新膠結礦物主要成分為C-S-H凝膠體，熱脹冷縮系數一般為10～2010-6/℃。由于兩者組成的固相復合穩定材料的礦物具有不同的熱脹冷縮性，在溫度變化時其脹縮值是不相同的。
（2）液相（水）的熱脹縮性：自由水、毛細水、結構水、結晶水存在于混合料內部的孔隙中和膠體中，水的熱脹縮系數為7010-6/℃。當溫度升高時，可以產生相當大的擴張力使顆粒間距增大而產生膨脹。
（3）氣相的熱脹縮性：混合料毛細孔、內部孔隙充盈著氣體。夏天時水穩層內部結構氣體體積受熱充分膨脹，結構內的顆粒相應充滿擴張力。冬季時，原膨脹的氣體體積收縮，顆粒內的結構應力減小，產生收縮力，體積變小。當擴張力超過臨界值時，水穩層就會產生起拱；當收縮力超過結構拉應力時，便產生橫向裂縫。
3、荷載性裂縫
荷載性裂縫一般發生在基層的底部，由于車輛荷載的反復作用，裂縫逐漸向上擴展至表面，車輪荷載作用下產生的裂縫反映在面層，往往不是單獨的、稀疏的或較有規則的裂縫，而是稠密的，有時是相互聯系的。
五、裂縫的預防
1、嚴格控制級配和壓實度：作為水泥穩定基層用的碎石要求不是很高，規范中只有4個指標：相對密度、壓碎值、有機質含量、硫酸鹽含量，因此很多巖礦都可作為基層碎石的料礦。高速公路基層碎石用量是很大的，而一般外購的一個石料場的產量卻很小，就必須同時使用幾個料場進料，并且由于儲料場地不足而又混堆儲料，這就產生兩個很嚴重的問題：一是由于不同礦源篩網不同造成同一檔料內各粒料數量不同，幾檔材料混合后，生產配合比經常變化，極易超出上限或下限。二是各料場碎石的密度不同，在確定最大干密度帶來很大的困難——無法在幾種混合礦料中得到一個最具代表性的最大干密度，最終導致現場無法進行正常壓實度檢測和控制，壓實度經常超過100%或小于極限值。
如果只使用一個巖礦做粗集料的料場，既能保證生產配合比與理論配合比吻合較好，也能保證最大干密度不至于經常變化，有利于壓實度的現場控制。事實證明，水泥穩定碎石基層級配和壓實度的好壞，不但影響水泥穩定基層的干縮性，而且還影響到水泥穩定基層的耐凍性。所以，控制好級配和壓實度可預防裂縫的產生。
2、嚴格控制混合料中小于0.075以下的顆粒（礦粉、粘土）含量：小于0.075以下的顆粒含量增加時，不但增加了水泥的用量，而且基層表面還容易起皮（起砂），嚴重影響水穩層的質量。同時，當細集料增加時，混合料的溫縮系數隨溫度降低的變化幅度越來越大。溫度越低，細粒料對溫縮的影響也越大。因此，規范中水穩層的顆粒組成范圍規定：集料中0.5mm以下細粒土有塑性指數時，小于0.075以下的顆粒含量不應超過5%，細粒土無塑性指數時，小于0.075以下的顆粒含量不應超過7%。
在實際施工控制中，要減小0.075以下的顆粒（礦粉、粘土）含量采用在儲料場過篩方法除去或用水沖洗是很不現實也很費時的。最好的方法是在破碎現場加裝水洗裝置或者在破碎機的皮帶運輸機最后一環節上再加裝一個可360度旋轉的滾動篩。經過這個工序，小于0.075以下的顆粒含量將會大大減小。施工時，如果能將塑性指數控制在小于4%，不但可以減小水泥穩定粒料的收縮性，而且還可以提高壓力水對基層的抗沖刷能力。
3、嚴格控制水泥用量和碾壓時的最佳含水量：一般的水泥穩定碎石基層，其設計強度通常為3～5Mpa。設計強度越高，所需水泥用量越大。基層剛性越大，越易產生干縮性裂縫，縫寬也越大，所以規范規定水泥劑量≦6%（美國和日本也限制在6%，法國限制在5%）。
水泥穩定碎石基層干縮應變隨混合料的含水量增加而增大。施工碾壓時含水量越大，結構層越易產生干縮性裂縫。即使鋪筑了瀝青面層，在旱季或冬季也可能產生干燥裂縫。因此在施工時，應根據天氣情況適當增加或減少拌和用水量。例如，在夏天施工氣溫較高，即使在同一天施工，混合料的拌和用水量也應早、中、晚各不相同，并且，還要根據運距遠近、運輸車輛配置情況不斷的調整，確保碾壓時混合料含水量在最佳含水量范圍內。
攤鋪完成后，要及時用尼龍布、麻袋布覆蓋進行灑水養護，防止基層因混合料內部發生水化作用和水分的過分蒸發引起表面的干縮性裂縫現象。如果在冬天施工溫度較低，則可以用一層塑料薄膜再加上二層土工布覆蓋保溫，不一定需要灑水養護。
可能的情況下，養護期結束，立即進行瀝青封層或透層油的施工，及時攤鋪瀝青混凝土面層，這樣水穩層裸露在外面風吹日曬雨淋的時間短，能有效地減少“重復干縮”產生的裂縫。這個措施是非常有效的。
4、選擇有利的季節或時間進行水穩基層的施工：水穩基層施工最好選擇在年平均氣溫時期施工。由于此時氣溫變化不大，結構內溫度應力較小，水穩層不易產生熱脹冷縮的現象。施工時的氣溫與一年中最冷或最熱時的溫差越大，越易產生溫縮性裂縫。
如果在夏天酷暑條件下施工，最好能選擇在早晚的時間，盡可能避開中午時間進行攤鋪，并要加強覆蓋灑水養護，保證水穩層處于濕潤狀態。
冬天氣溫低于5℃時，一般不能進行水穩基層的施工。在有冰凍的地區，應在第一次重冰凍（-3～-5℃）到來之前半個月到一個月內完成。
六、裂縫的處治
1、密封膠封縫技術
水穩層出現裂縫，需要進行及時的封填處理，有效阻止水分的滲入，防止病害的進一步擴展和蔓延。密封膠封縫技術是一種比較成功的途徑，當密封膠加熱到180℃以后，粘度變得很低，灌入裂縫后，很快就滲透到裂縫兩側的混合料中并融合到一起，當密封膠冷卻后，在常溫和低溫時均有著較高的彈性，可隨著裂縫的脹縮而發生彈性變形，始終保持其密封作用，這樣就長期、有效地封閉了水穩層的裂縫。在灌縫之前，首先要用切縫機對裂縫進行切縫處理，當裂縫寬度超過3mm，都應該進行切縫。
2、填灌瀝青膠、鋪設土工布技術
基層頂面出現裂縫后，首先應將較大的裂縫進行切縫處理，填灌瀝青膠，對較小的裂紋，直接鋪上土工布。這種土工布多為深色或灰色，具有抗老化、耐高溫、強度高、單面燒毛等特點。施工時橫向搭接寬度為10cm，縱向搭接為5cm。施工前應在基層頂上先灑布粘層油，用量約0.7～1.1kg/㎡，再鋪土工布，并進行碾壓，注意施工車輛不得在土工布表面轉彎。最后再灑布一次粘層油，用量約為0.5～0.6kg/㎡，爾后方可攤鋪瀝青混凝土面層。用這種方法處理基層反射裂縫是目前較為有效的解決方法。