水泥稳定碎石基层材料微裂技术研究

水泥稳定碎石基层在养护初期往往会产生收缩裂缝，进而导致路面反射裂缝的发生。减轻半刚性基层沥青路面反射裂缝的措施有很多，包括提高水泥稳定碎石材料自身抗裂性能、基层预锯缝、采用厚优质沥青面层和设置级配碎石中间层等。微裂技术是一种减轻或避免水泥稳定基层反射裂缝的新思路，指在基层养护初期，使用振动压路机碾压水泥稳定碎石基层使之产生细微裂缝网络，用以预防宽裂缝的产生。国外关于微裂技术的研究已有多年，并取得了良好的使用及经济效果。微裂技术首先由奥地利研究者提出并应用到实际工程中，通过现场检测与观察发现，微裂使基层材料成功避免了宽大裂缝的形成与发展，且沥青面层未出现反射裂缝，同时发现基层微裂后对路面结构后期模量的影响并不显著。在奥地利通往匈牙利的道路上采用了多种减少路面反射裂缝的措施，认为基层微裂技术效果最佳；同时提出，若将连续碾压控制系统装在振动压路机上，基层微裂可以取得更好的效果。美国交通研究所，在2000年开始研究微裂技术在美国公路中的应用，研究发现基层微裂技术可有效减少路面反射裂缝，且将微裂技术应用至美国德克萨斯州的1/4水泥稳定类基层中，取得了良好的技术和经济效果。国内关于应用微裂技术预防水泥稳定类基层沥青路面反射裂缝方面的研究较少，姜慧辉从微裂技术理念、作用机理、施工工艺、设计指南及经济分析等方面对国外微裂技术研究成果进行了介绍；三峡大学刘敬辉对微裂技术理念、作用机理以及施工工艺进行了探讨与研究，阐明该技术具有良好的可实现性和经济性。但在水泥稳定碎石微裂缝的愈合、发展机理方面，以及微裂技术从理论研究到实际应用的全过程方面并没有系统、深入的研究。

本文通过室内试验找到在振动压实仪一定振动参数下，水泥稳定碎石微裂程度与振动时间的对应关系，并通过在不同龄期进行力学强度试验，研究微裂后水泥稳定碎石材料强度自愈合过程；通过在实际工程应用微裂技术并进行现场测试，在验证理论成果的基础上，研究水泥稳定碎石基层微裂技术施工过程、测试方法以及应用效果，为微裂技术在实际工程中的推广、应用与研究提供可靠依据。

水泥稳定类材料收缩变形包括塑性收缩、干燥收缩、自干燥收缩(自身收缩)、温度收缩和碳化收缩等5种主要形式。其中，最常见、最重要的便是干燥收缩和自干燥收缩，主要发生在早期阶段，是造成收缩开裂的主要原因。微裂技术的作用机理是在水泥稳定碎石材料上引入间距很近的微细裂缝网络，用于吸收材料自身收缩应力，降低早期收缩应力，使收缩应力最大值小于等于材料抗拉强度，从而避免长、宽裂缝的形成。微细裂缝传荷能力好，不会反射到路面，不仅能减小裂缝宽度，预防大的有害裂缝的形成，还可以减少基层材料的开裂总量；由于微裂在养护初期进行，裂缝微细而分散，水泥稳定材料的自愈能力使裂缝随龄期的增加逐渐减少、水泥稳定碎石强度逐渐恢复，不会影响路面结构整体承载力。

由微裂技术的作用机理看出，水泥稳定碎石材料微裂技术的关键问题有3点：微裂缝的愈合特性；微裂程度的确定；微裂程度与愈合程度之间的关系。水泥稳定碎石微裂缝的自愈特性与微裂程度、微裂时间密切相关，而微裂程度控制是水泥稳定碎石微裂技术的关键所在。室内试验采用dZY-09型振动压实仪模拟微裂过程，依据现场振动压路机工作参数确定振动压实仪参数，采用振动频率为28Hz、静压力为1　900N、振幅为25mm，因此，微裂程度的控制通过改变振动压实仪振动时间实现。本项目首先进行水泥稳定碎石微裂技术室内试验研究，使用振动击实仪制备微裂程度不同的试样，通过无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等力学性能试验，研究微裂前后水泥稳定碎石材料力学性能变化规律以及微裂后水泥稳定碎石损伤自愈合特性。

微裂程度指微裂后水泥稳定碎石材料受到的损伤，室内试验中以无侧限抗压强度降低百分率表示。水泥稳定碎石级配采用悬浮密实结构，水泥用量为5%。

通过大量试验。由于养生1d后微裂的试样微裂程度最大仅能达到21.05%，因此微损伤程度取L-1一种。

确定以上7种微裂程度工况后，对试件进行微裂，分别测定其抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量，确定微裂作用后每种微损伤程度对应的力学性能变化规律。

看出，对水泥稳定碎石试样进行微裂后，抗压强度、劈裂强度及抗压回弹模量的下降百分率并不相同。其中，劈裂强度下降百分率略大于抗压回弹模量，这两者均大于抗压强度。通过对数据进行计算分析得到，劈裂强度下降百分率为抗压强度的1.6~1.8倍，抗压回弹模量下降百分率为抗压强度的1.4~1.6倍。

依据确定的微裂时间以及振动压实仪振动时间制备微损伤程度不同的试件，分别于7d、14d、28d龄期进行无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、抗压回弹模量试验，研究微裂后水泥稳定碎石材料损伤自愈合过程及力学强度变化规律。

根据强度愈合百分率数据可以看出，水泥稳定碎石愈合百分率随微裂实施时间的推后越来越低，即养生1d后进行微裂，材料愈合程度最高，养生2d、3d依次降低；水泥稳定碎石养生1d时强度较低，主要靠成型过程中集料间的嵌挤、挤压等物理作用提供，水泥水化产物在强度增长中的贡献相对较少，振动压实仪的微裂作用不能有效释放水泥稳定材料早期收缩应力。因此，综合考虑微裂作用对水泥稳定碎石材料收缩应力的释放以及材料后期的强度恢复，微裂技术的实施时间宜选在养生2d进行。根据养生28d的强度恢复数据，L-4、L-7愈合程度明显低于其他工况，说明对应微裂程度过大，导致材料自愈合能力下降，养护期内裂缝无法实现愈合或宽度减小，导致强度在后期得不到完全恢复，因此，微裂程度以无侧限抗压强度下降百分率不超过40%为宜。

在水泥稳定碎石基层微裂技术施工过程中，最关键的步骤是水泥稳定碎石基层微裂过程的强度控制。为能及时、准确地掌握基层强度的变化，达到对基层强度实时控制的目的，研究使用落球式弯沉仪进行水泥稳定碎石基层微裂技术的过程控制。落球式弯沉仪检测技术不仅测量精度高、参数全面，其突出的优点是可以即时进行现场解析得到测量数据，可以很好地满足对半刚性基层强度实时控制及跟踪的要求。因此，现场试验中微裂程度采用抗压回弹模量下降百分率进行控制。

项目位于104国道连镇出口~宁武线交叉口段，原路面结构为4cm沥青罩面+8cm沥青混凝土+15cm二灰碎石+15cm石灰土，由于出现了严重龟裂、网裂、路面变形、坑槽、强度不足等严重病害，统一做18cm冷再生基层调拱，补强18cm水泥稳定级配碎石+9cm沥青混凝土。根据室内试验研究结果，水泥稳定碎石微裂在养生2d进行；现场试验微裂程度采用抗压回弹模量下降百分率控制。根据室内试验研究结果，抗压回弹模量下降百分率为抗压强度的1.4~1.6倍，因此，试验路控制抗压回弹模量下降百分率分别为30%、40%、50%。试验路起止桩号为K314+650~K315+050，共分4段，每段100m，其中4号段作为参照路段，不进行微裂。

在水泥稳定碎石基层的微裂过程中，使用厦工(三明)重型机器有限公司生产的XG6224m-I型振动压路机，工作质量为22　000kg，振动频率采用28Hz，激振力为380kN。施工过程中，须保证振动压路机对基层振动碾压的覆盖面积达到最大且碾压程度尽可能均匀。试验路宽9.5m，压路机宽3.185m。根据试验路及压路机宽度确定碾压方案为：压路机按照从左到右分3次进行碾压，途中经2次掉头，并使碾压速度保持在3~5km/h之间匀速前进。此碾压方案基本可以保证碾压率达到100%，且重叠区域不超过1%。

在基层摊铺碾压完成洒水养生2d后，按照表5方案实施微裂。微裂过程中，模量采用落球式弯沉仪测定。每试验段内各车道纵向每20m为一个测区，设置一组测点，每车道内横向设置2个测点，横向间距为2m，每个测点落下8次。首先测定出微裂前各试验路段基层模量作为基准模量，在此基础上按方案进行微裂。微裂过程中，振动压路机每振动碾压一遍测定一次回弹模量，当模量减少到要求微裂程度时，停止振动碾压，并观察微裂缝情况。

水泥稳定碎石基层在养生2d使用振动压路机进行微裂作用后。

可以看到，微裂程度为32%时，微裂作用产生的微裂缝肉眼基本不可见；微裂程度为44%时，微裂作用产生的微裂缝大部分肉眼不可见，少数可见；微裂程度为56%时，微裂缝大部分肉眼可见，呈细而分散的微裂缝网络。根据微裂技术作用机理，微裂后产生的微裂缝网络呈现大部分肉眼不可见、少数可见为最佳状态，不仅能够有效释放材料早期收缩应力，而且大部分裂缝在养生后期能够愈合，不影响路面结构整体承载力。因此，微裂程度为40%左右为最佳，此时裂缝大部分肉眼不可见。本文使用荧光渗透法对微裂程度44%的水泥稳定碎石基层表面进行处理。

根据水泥稳定碎石自愈合过程室内试验研究，微裂后水稳碎石基层材料模量随龄期的增长能够逐渐恢复。因此，在试验路段沥青路面铺筑前对基层回弹模量进行了现场测量，以便分析其愈合情况。通过计算养生7d时试验路现场抗压回弹模量愈合百分率以及室内试验模量愈合百分率，可以看到，两者误差在0.45%~1.33%范围内，即7d现场抗压回弹模量检测结果与室内试验结果基本一致，说明现场试验路水泥稳定碎石基层的愈合情况与室内试验愈合情况相同，室内试验研究结果可以作为现场试验的参考依据。

微裂技术提高水泥稳定碎石基层材料的抗裂性主要体现在其对沥青路面反射裂缝的改善情况。在试验路通车一年，即路面结构经历了最不利情况干缩、最不利季节温缩及车辆荷载作用后，对沥青路面进行裂缝观测。通过裂缝观测数据可以看出，1号和2号试验路沥青路面的裂缝数量少于3号和4号，即微裂程度为30%和40%的试验路段沥青路面的裂缝数量少于50%和未微裂路段基层。考虑到在不影响材料后期强度恢复的基础上，微裂程度越大对收缩应力的释放效果越好，因此，微裂技术宜在养生2d后进行，微裂程度以抗压回弹模量下降百分率为40%最佳。

(1)根据室内试验对微裂程度控制及微裂缝自愈特性的研究结果，综合考虑微裂作用对水泥稳定碎石材料收缩应力的释放以及材料后期的强度恢复，微裂技术的实施时间宜选在养生2d后进行，且微裂程度不宜过大，以无侧限抗压强度下降百分率不超过40%为宜。

(2)通过在实际工程应用微裂技术并测定7d抗压回弹模量，结果显示现场试验路水泥稳定碎石基层的愈合情况与室内试验愈合情况相同，室内试验研究结果可以作为现场试验的参考依据。

(3)根据水泥稳定碎石基层微裂技术现场试验结果，微裂技术宜在养生2d后进行，微裂程度以抗压回弹模量下降百分率为40%最佳。