水稳碎石基层材料微裂损伤程度控制方法研究

吴全州

摘要 早期养护期间，水泥稳定碎石基层材料易出现收缩裂缝病害，且反射至面层而影响路面质量。文章以工程实践为依托，提出了用于预防沥青路面反射裂缝的微裂技术。基于此，重点论述了水稳碎石基层材料微裂技术应用特点和作用原理，分析了影响该技术应用的因素，并借助微裂损伤程度控制试验，明确了水稳碎石试件微裂程度与振动时间之间的内在关联。

关键词 公路工程项目；水稳碎石基层；微裂损伤；损伤程度控制

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0078-03

0 引言

微裂技术多应用于水泥稳定类基层，多于水泥稳定碎石基层材料完成1～3 d养护后，借助振动压路机进行碾压而产生微小裂缝网络的方式，以防止基层材料收缩引发的有害裂缝。水稳碎石基层材料微裂后基层部分力学强度暂时流失，且后续可恢复，其混合料结构类型、微裂损失程度、微裂时间、水泥用量等因素均会对基层力学指标恢复情况产生影响。该文重点对基层材料微裂损伤程度的控制措施，进行了详细分析。

1 微裂技术及作用机理

微裂技术即完成水泥稳定碎石基层摊铺与碾压工序后，在1～3 d的养生龄期内借助振动压路机进行碾压以产生微小裂缝网络，对抗水泥稳定材料自身收缩产生的收缩应力，以降低由此产生裂缝的概率，实现对基层路面的保护，减少反射裂缝损害面层[1]。

水泥稳定碎石基层材料微裂后，材料表面出现较小的微细裂缝，由于裂缝处于早期阶段，在水泥的水化作用下裂缝会逐渐自愈，且随着龄期增加水泥稳定材料的强度逐步恢复，微裂缝的存在并不会对路基材料的承载力产生明显影响[2]。

2 微裂技术主要影响因素

对水泥稳定碎石基层材料的强度变化情况进行分析可知，基层材料微裂损伤后，其力学强度指标变化处于动态变化的过程中。从工程实践的角度分析，水稳基层材料的微裂作用的力学强度与微裂缝自愈合能力关系密切，而对此产生影响的因素包括混合料结构类型、微裂损失程度、微裂时间、水泥用量、微裂缝荷载等[3]。

2.1 混合料结构类型

水泥稳定基层材料多由水泥、粗集料、细集料等按照不同配比混合而成，材料類型不同其化学特性有所差异，级配、颗粒大小、形状、强度等有所改变，均会对混合料性能产生影响。

2.2 水泥剂量

养生阶段早期水泥稳定基层材料易变性干缩，其与水泥内部水泥颗粒水化不彻底关系密切，水化反应过程中水泥内部水分被消耗，引发材料干裂固缩。

2.3 微裂实施时间

养生龄期1～3 d内，水泥稳定碎石基层强度、收缩特性出现明显变化，随着水泥材料特性的变化，微裂的风险增加。

2.4 微裂程度

微损程度过小产生的网状微裂纹小，无法充分抵消早期收缩应力值，同时会增加施工难度，而如果微损程度过大则会导致裂缝过长或者过宽，降低基层结构强度。

2.5 微裂荷载

振动压路机吨位过大会导致基层材料微裂程度增加，裂缝难于自行愈合；压路机吨位过小则会降低微裂程度，需多次碾压改善微裂效果[4]。

3 微裂损伤程度控制试验分析

室内试验，通过制备损伤程度各异的试件，探究振动参数不同情况下，水泥稳定碎石材料在不同影响因素条件下的微损程度与振动时间的关系。

3.1 微裂损伤程度控制试验振动参数选择

以现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的试验标准为基础进行振动试验操作，并以厂家推荐的试验方法为参考进行微裂损伤控制试验。此次试验中振动压实仪型号为DZY-09，详细参数如下：振幅25 mm，静压力1 900 N，振动频率30 Hz。工程上通过控制振动压实仪的振动时间来对水泥稳定碎石试件微裂损伤程度进行控制[5]。

3.2 微裂损伤程度控制试验过程

水泥稳定碎石基层微裂损伤程度控制试验流程如下：

（1）结合水稳碎石混合料性能确定最佳含水量和最大干密度，借助振动压实仪调整压实度为98%，将试件制备为150 mm×150 mm的圆柱形，分别于养生龄第1 d、第2 d、第3 d取出，并将成型的试件置于15 mm的圆形套筒内进行微裂。

（2）制备微损程度各异的水泥稳定碎石试件应用于微裂损伤控制试验中，并对不同试件的结构强度水平进行测量。测量微裂损伤后试样抗压回弹模量的操作较为繁琐，且影响测量结果的因素众多，为简化操作，该文试验中选用抗压强度降低百分率指标评估试样的微损情况[6]。

（3）根据微裂损伤试验结果，试件抗压强度随着振动压实仪振动时间增加呈现先降低后增大的趋势，微裂损伤主要集中在180 s以内，选取养生第1 d试样按照0 s、15 s、30 s、45 s、60 s 、75 s、90 s进行振动，选取养生第2 d和第3 d试样按照0 s、30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s进行振动，分别测定不同振动时间条件下试样的无侧限抗压强度，并记录无侧限抗压强度降低百分率为20%、30%和40%时的振动时间。

（4）为减少重复工作量，同一水平的试件数量为6个，制备不同微裂程度试件并检测不同无侧限抗压强度降低百分率值情况下对应的微裂损伤情况[7]。

3.3 微裂损伤程度控制试验结果分析

养生1 d、2 d、3 d分别对试样进行微裂损伤程度与振动时间关系的分析，将试验结论数据绘制成直观的统计图，详情如图1～3所示。

分析不同养生龄期水泥稳定碎石基层微裂程度控制试验结果可知：水泥稳定碎石试件微裂程度随振动时间增加表现为先增大后降低，微损达到最大值后，随着振动时间增加微裂损伤值不再变化，试件抗压强度也不再增大，基层粗料受损，试件结构改变。由此可见，过长时间的振动，会导致水泥稳定碎石基层表面破坏，影响其结构质量[8]。

分析图1～3可知：

（1）养生1 d后水稳碎石基层微裂损伤程度可达15%～20%，振动时间约30～45 s，随着振动时间增加，试件的抗压强度水平增大。

（2）利用振动压实仪对试件进行微裂时，混合料受损主要表现为水泥稳定碎石试件集料间裂隙或表面破坏，试件结构强度值降低，振动时间增加，混合料的均匀度改变，压实度增加后试件强度值有所回升。故振动时间一定的情况下，随着振动时间的增加试件抗压强度值呈现先降低后增加的趋势，且最大微裂破损程度在15%～20%范围内。

（3）微裂损伤程度控制试验结果显示，养生2 d和3 d后，试样的微裂程度随着振动时间的增加呈现先增大后减小的趋势，最大微裂损伤程度在35%～45%范围内，其振动时间约150～180 s，随后持续振动将导致试件上部结构受损[9]。

结合大量国内外研究结果，水稳碎石基层强度损失控制在30%～50%范围内效果最佳，微裂损伤强度过小难以达到理想的微裂效果，损伤过大则可能导致基层收缩裂缝影响结构质量。该研究结果显示，养生1 d后的微裂试样微裂损伤程度为15%～20%，结合实验设计需将微裂损失程度控制在20%～40%，故后续研究主要集中在水稳碎石基层养生2 d和3 d后的力学性能指标恢复情况。检测结果显示，养生2 d和3 d后，水稳碎石试样的损伤程度与振动时间关系如表1所示。

以后续试验研究为基础，要制备特定损伤程度的水稳碎石材料，需对振动参数指标进行严格控制并注意振动时间符合规范。完成养生2 d和3 d后，水泥稳定碎石试件抗压强度损失20%、30%、40%时，试件劈裂强度与抗压回弹模量之间的关系如表2所示。

对表2分析可知：

（1）养生2 d后水泥剂量控制为3%～5%范围内时，时间劈裂强度值与抗压回弹模量损伤程度值高出抗压强度损失值15%～25%。

（2）养生3 d后劈裂强度与抗压回弹模量损伤程度比抗压强度损伤程度高出10%～20%。

（3）水稳碎石材料抗压强度损失在20%～40%时，劈裂强度损伤程度约35%～65%，抗压回弹模量损失程度约30%～60%[10]。

4 结论

综上所述，该文对微裂技术特点及其应用原理进行了介绍，并分析了影响微裂技术应用效果的因素，结合微裂损伤程度控制试验结果可知：

（1）养生期1～3 d范围内，水泥稳定碎石基层的抗压强度损失程度随振动时间的增大而降低：①养生1 d后水稳碎石基层微裂损伤程度可达15%～20%，振动时间约30～45 s；②养生2 d和3 d后，最大微裂损伤程度在35%～45%范围内，振动时间约150～180 s；③振动压实仪振动参数一定的条件下，控制水泥剂量为3%～5%，水泥稳定碎石养生2 d和3 d后，不同微裂损伤程度需要的振动时间有所差异，为后续相关研究提供了理论基础；

（2）水泥稳定碎石材料微裂后，劈裂强度、抗压回弹模量损伤程度比抗压强度损伤程度高。水泥剂量为3%～5%的水泥稳定碎石材料，养生2 d和3 d后微裂，抗压强度损伤为20%～40%条件下，劈裂强度损伤程度与抗压回弹模量的损伤程度分别为35%～65%和30%～60%。

参考文献

[1]赵源. 骨料界面弱化水泥稳定碎石破坏行为研究[D]. 天津：河北工业大学， 2021.

[2]田波， 权磊， 张艳聪. 半刚性基层损伤开裂机制与微裂技术研究综述[J]. 山西交通科技， 2022（5）： 1-8.

[3]赵谟涵. 落锤冲击作用下的水泥路面微裂均质化机理[D]. 西安：长安大学， 2021.

[4]劉子龙， 马士宾， 贺苗， 等. 基于离散元法的水泥稳定碎石微裂细观机理研究[J/OL]. 土木与环境工程学报（中英文）： 1-10[2023-05-14].

[5]樊旺生. 微裂水泥稳定碎石基层材料抗冻性能研究[J]. 黑龙江交通科技， 2022（1）： 55-57.

[6]刘勇. 水稳碎石基层施工技术及质量控制分析[J]. 黑龙江交通科技， 2021（10）： 12-13.

[7]张继春. 道路水稳碎石基层配合比设计及施工探讨[J]. 工程建设与设计， 2021（18）： 94-95+111.

[8]刘洋. 公路改造项目水稳碎石基层施工质量控制要点研究[J]. 运输经理世界， 2020（13）： 100-101.

[9]张明， 李实成， 吴红辉， 等. 填充式大粒径水稳碎石基层在重载密集山区国省干线上的应用——以富源公路分局G320沪瑞线、S204升长线为例[C]//中国公路学会养护与管理分会. 中国公路学会养护与管理分会第十二届学术年会论文集， 2022： 264-270.

[10]谢勇波. 探索水稳碎石基层双层连铺施工关键技术[J]. 中国公路， 2021（15）： 102-104.