一種適用于水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的施工方法

羅 輝, 宋煥宇, 資建民, 賈霖璨

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074;2.平頂山市公路管理局, 河南 平頂山 467000)

瀝青路面的反射裂縫破壞是一個(gè)世界性的難題[1～3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青路面開(kāi)裂這一技術(shù)難題尚未找到較好的解決辦法，多是采取加厚瀝青混凝土面層使用改性瀝青和設(shè)置中間應(yīng)力吸收層、基層預(yù)切縫等方法[4～6]，來(lái)延緩或減輕裂縫的產(chǎn)生。這些措施雖然在一定程度上可以減輕或推遲裂縫的產(chǎn)生，卻不能徹底解決該問(wèn)題，同時(shí)還帶來(lái)另外一些問(wèn)題：如使用改性瀝青使工程造價(jià)大幅增加；加厚瀝青混凝土面層，使其自身產(chǎn)生剪應(yīng)力收縮裂縫以及車轍的可能性增加。

眾所周知，一旦半剛性基層瀝青路面的基層出現(xiàn)開(kāi)裂，在行車荷載和環(huán)境荷載的作用下，在基層裂縫上方的瀝青面層底部，由于應(yīng)力集中，會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸和剪切應(yīng)力。在行車荷載和環(huán)境荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面會(huì)開(kāi)裂，這種開(kāi)裂由基層裂縫向上發(fā)展，最后到達(dá)表面，稱之為反射裂縫。從反射裂縫的開(kāi)裂機(jī)理可以看出，基層是否開(kāi)裂對(duì)瀝青面層的受力狀態(tài)影響極大。

既然反射裂縫的根本原因是基層開(kāi)裂，那么消除反射裂縫的最有效途徑應(yīng)該是消除基層裂縫。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有基層開(kāi)裂，則沒(méi)有反射裂縫。但是常規(guī)施工方法很難消除基層開(kāi)裂。常規(guī)施工方法，在鋪筑完半剛性基層后，灑水養(yǎng)護(hù)7 d，澆透層油后再鋪筑瀝青面層。這種施工方法存在以下幾種弊端：(1)時(shí)間跨度長(zhǎng)，易受天氣變化影響；(2)灑水養(yǎng)護(hù)基層，基層含水量變化較頻繁，呈現(xiàn)忽干忽濕狀態(tài)，容易造成細(xì)微的干縮絲裂；(3)基層養(yǎng)護(hù)期，基層暴露在外，受氣溫影響大(濕麻袋遮蓋基本起不到保溫作用)，易造成基層的溫度裂縫；(4)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，在基層頂面容易造成污染，雖經(jīng)灑布透層油，仍然會(huì)造成基、面層層間粘結(jié)隱患。

基于此，本文以全新的角度，結(jié)合理論研究成果，從路面施工技術(shù)工藝全過(guò)程著手進(jìn)行研究，探索在一定控制條件下創(chuàng)新施工工藝，提出基、面層連續(xù)施工方法，即通過(guò)在基層中摻加一種抗裂縫劑，提高其抗干縮、溫縮性能，同時(shí)推遲其初凝時(shí)間，在基層鋪筑后初凝前，鋪筑瀝青面層。

1 基面層連續(xù)施工技術(shù)

連續(xù)施工技術(shù)的程序?yàn)椋夯鶎右淮武佒尚停B續(xù)鋪筑瀝青面層，取消基層養(yǎng)生期和透層油。如圖1所示。

圖1 連續(xù)施工技術(shù)流程

相對(duì)于傳統(tǒng)施工工藝，連續(xù)施工技術(shù)的關(guān)鍵改變之一是面層施工和基層施工不得超過(guò)8 h，即面層必須在基層尚未終凝前鋪筑，經(jīng)振動(dòng)碾壓而嵌擠到基層一定深度。也就是說(shuō)，基層的灑水養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)被取消了，直接在基層鋪筑后鋪筑瀝青面層。關(guān)鍵改變之二是取消了基層上透層油的澆注，由于面層施工后，面層骨料經(jīng)振動(dòng)碾壓可嵌入尚未初凝的基層中，基、面層間相互嵌鎖，接觸表面交錯(cuò)，層間摩阻力大，相互滲入過(guò)程在膠凝材料水化開(kāi)始時(shí)就發(fā)生了，一直延續(xù)至硬化板結(jié)，因而層間有良好的粘接效果，所以透層油可以省略。關(guān)鍵改變之三是開(kāi)放交通的時(shí)間，傳統(tǒng)工藝面層鋪筑完成后即可開(kāi)放交通，而連續(xù)施工方法，由于基層的養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)取消了，所以基層在面層施工完成后(可以僅僅是瀝青下面層)，基層的強(qiáng)度還沒(méi)有發(fā)展到可開(kāi)放交通的要求，所以必須在2～3 d后，基層強(qiáng)度達(dá)到要求才能開(kāi)放交通。另外，連續(xù)施工的基層壓實(shí)一般推薦采用20 t壓路機(jī)采用1穩(wěn)壓6振動(dòng)壓實(shí)和1靜壓方式碾壓，面層要求采用10 t壓路機(jī)采用1穩(wěn)壓2振動(dòng)壓實(shí)和1靜壓方式碾壓。這樣，能夠在骨料層面，盡量使得面層骨料和基層骨料相互嵌擠，增強(qiáng)層間接觸狀態(tài)。

一般倆說(shuō)，連續(xù)施工的機(jī)械配備要求至少一臺(tái)基層攤鋪機(jī)、一臺(tái)20 t基層壓路機(jī)、一臺(tái)瀝青面層攤鋪機(jī)和一臺(tái)10 t面層壓路機(jī)。施工作業(yè)面如圖2所示。根據(jù)基層鋪筑和面層鋪筑的效率，可以調(diào)整增加基層或者面層攤、鋪碾壓機(jī)械，使得基層施工速度和面層施工速度基本一致，避免部分機(jī)械空閑怠工。

圖2 連續(xù)施工作業(yè)面

對(duì)于瀝青路面的基、面層連續(xù)施工，由于材料拌合、材料運(yùn)輸、交通安排等需要，在基層施工完畢后，很難馬上進(jìn)行面層的鋪筑?；鶎尤绻跄笤賹?duì)其進(jìn)行振動(dòng)、碾壓，則會(huì)破壞基層的完整性，使其承載力降低。為了保障基、面層連續(xù)施工不影響基層強(qiáng)度，要求基層在8 h內(nèi)不能初凝(時(shí)間太短不利于施工組織安排)，而普通硅酸鹽水泥一般在拌合2～4 h即初凝，不能滿足連續(xù)施工方法的要求。因此，通過(guò)化工廢料磷石膏發(fā)生火山灰反應(yīng)生成具有膨脹性和增密性的道路用半剛性基層材料抗裂縫劑，將其摻加于半剛性基層材料中，提高半剛性基層材料的抗收縮性能，控制半剛性基層的開(kāi)裂[7]；同時(shí)利用該抗裂縫的緩凝特性，實(shí)現(xiàn)半剛性基層瀝青路面的基、面層連續(xù)施工，加強(qiáng)半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的結(jié)合力。

2 試驗(yàn)路及檢測(cè)分析

為了檢驗(yàn)連續(xù)施工方法的有效性，鋪筑了兩條試驗(yàn)路段。其中一條采用連續(xù)施工方法，另外一條采用常規(guī)施工方法。二路段相連，因此交通量基本一致。路面結(jié)構(gòu)為：AC-10瀝青混凝土(2.5 cm)+ AC-16中粒式瀝青混凝土(4.5 cm)+ 5.5%水泥穩(wěn)定碎石(28.30 cm)+ 老路面(拉毛處理)。試驗(yàn)路施工溫度為31℃，空氣濕度為78°。試驗(yàn)路的檢測(cè)主要是以連續(xù)施工技術(shù)與常規(guī)技術(shù)施工的瀝青路面的濕度、強(qiáng)度、層間結(jié)合、裂縫率的試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 基層強(qiáng)度

鋪筑1.5 d后，對(duì)試驗(yàn)路鉆芯試件的檢測(cè)表明(表1)，基層的抗壓強(qiáng)度達(dá)2.5 MPa以上，相當(dāng)于常溫養(yǎng)生7 d的強(qiáng)度，達(dá)到了開(kāi)放交通的要求。故連續(xù)施工方法施工路面，一般在面層施工完成2～3 d后開(kāi)放交通。

表1 試驗(yàn)路早期鉆芯取樣強(qiáng)度

2.2 基、面層間粘結(jié)強(qiáng)度

對(duì)用不同施工工藝鋪筑的半剛性基層瀝青路面鉆芯檢測(cè)。在以常規(guī)方法施工的路段鉆取芯樣時(shí)基、面層脫落，不能得到完整的芯樣試件，而且面層底有明顯光滑界面。采用基、面層連續(xù)施工技術(shù)鋪筑的路段，鉆取芯樣完好，而且基、面層相互嵌入，沒(méi)有明顯的界面，基、面層是一個(gè)整體，很難將其拉脫，見(jiàn)圖3。對(duì)采用基、面層連續(xù)施工技術(shù)鋪筑路段的芯樣進(jìn)行層間抗剪強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，此時(shí)基、面層層間的黏結(jié)強(qiáng)度高于0.43 MPa。

圖3 芯樣表明基、面層聯(lián)接緊密

編號(hào)直徑/mm破壞載荷/kN剪應(yīng)力/MPa平均/MPa143.80.650.43248.70.650.43343.70.640.43435.70.800.790.52

2.3 裂縫對(duì)比

對(duì)采用常規(guī)施工工藝和基、面層連續(xù)施工工藝鋪筑的路面開(kāi)裂狀況進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)(見(jiàn)表3，4)，檢測(cè)時(shí)間為道路鋪筑后大約3年。按基、面層連續(xù)施工工藝鋪筑的半剛性基層瀝青路面，其橫向裂縫率為1～4條/km。采用常規(guī)工藝鋪裝的相同結(jié)構(gòu)的半剛性基層路面，其橫向裂縫率為50～115條/km。這說(shuō)明基、面層連續(xù)施工工藝可顯著降低半剛性基層的橫向裂縫，其橫向裂縫率只有常規(guī)施工工藝的3%～8%。

表3 連續(xù)施工工藝施工試驗(yàn)路路面路用性能檢測(cè)

表4 常規(guī)工藝施工試驗(yàn)路路面路用性能檢測(cè)

由表3、表4可見(jiàn)，用水泥穩(wěn)定碎石作基層的對(duì)比路段上，基、面層連續(xù)快速施工方法鋪筑的路面，每公里平均僅有2條橫向裂縫，且縫較窄，縫寬一般都為0.2～0.7 mm，主要是因溫度引起的裂縫。而在常規(guī)方法施工的路段上，平均每公里橫向裂縫多達(dá)20～150條，裂縫較寬，一般都在0.8 mm左右，且多貫通全斷面，主要是因基層干縮引起的裂縫和基層分層鋪筑結(jié)合不好造成的整體強(qiáng)度差所引起的荷載裂縫。另外，因試驗(yàn)路各結(jié)構(gòu)層連續(xù)施工而使其整體強(qiáng)度較高，所以其彎沉值也普遍高于常規(guī)施工路段30%以上。

3 連續(xù)施工方法抗裂機(jī)理分析

試驗(yàn)路研究表明，連續(xù)施工方法可以提升路面的抗裂能力。常規(guī)施工方法的基層需要灑水養(yǎng)護(hù)，而連續(xù)施工方法在基層鋪筑好后立即鋪筑瀝青面層。也就是說(shuō)，沒(méi)有灑水養(yǎng)生，基層的養(yǎng)護(hù)沒(méi)有額外的水分補(bǔ)充。表5列出了連續(xù)施工方法，不同材料的基層在鋪筑瀝青面層不同天數(shù)的含水量變化情況。

表5 試驗(yàn)路基層含水量變化

表5說(shuō)明，采用基、面層連續(xù)施工工藝鋪筑的半剛性基層瀝青路面，其基層含水量在一個(gè)月內(nèi)都基本保持不變，變化幅度只有0.2%～1.5%。這樣小的含水量變化范圍，所造成的干縮也很小。另外，強(qiáng)度檢測(cè)證明，基層強(qiáng)度不受影響，這說(shuō)明采用連續(xù)施工方法，盡管沒(méi)有外來(lái)水分補(bǔ)充，但是由于基層的水分不會(huì)蒸發(fā)(地基吸水很少，幾乎可以忽略)，依然能夠?yàn)榛鶎铀嗨峁┳銐虻乃謥?lái)發(fā)展強(qiáng)度。

水泥穩(wěn)定基層一般在高溫季節(jié)中建成，成型初期內(nèi)部含水量大，且未被瀝青面層封閉。此時(shí)基層內(nèi)部的水分必然要蒸發(fā)，從而發(fā)生由表及里的干燥收縮。實(shí)踐證明，在壓實(shí)的半剛性基層上及時(shí)鋪筑覆蓋瀝青面層，基層養(yǎng)生從常規(guī)的忽干忽濕的灑水養(yǎng)生轉(zhuǎn)換為瀝青面層封閉養(yǎng)生，基層的水分不易蒸發(fā)散失，基層含水量變化很小，因此，按基、面層快速連續(xù)法施工，水泥穩(wěn)定基層含水量變化很小，不會(huì)引起干縮裂縫。

同時(shí)基、面層連續(xù)快速施工法，由于熱拌瀝青混合料面層的鋪筑，面層的熱能會(huì)提高半剛性基層的溫度，使得半剛性基層在高溫下自然養(yǎng)生，半剛性基層強(qiáng)度可以迅速增長(zhǎng)[8, 9]，克服了因基層強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，其強(qiáng)度不足以克服溫度變化產(chǎn)生的溫差應(yīng)力而導(dǎo)致基層開(kāi)裂的問(wèn)題?；鶎邮欠裼辛芽p，對(duì)于瀝青面層底部的受力狀況是大相徑庭的。通過(guò)連續(xù)施工方法的施工的水泥穩(wěn)定基層瀝青路面，基層的開(kāi)裂可能性極大地降低，這對(duì)于防止反射裂縫來(lái)說(shuō)是極為有利的。

試驗(yàn)路研究顯示，通過(guò)采用連續(xù)施工方法，瀝青路面的基層和面層之間的粘結(jié)增強(qiáng)了。很多研究都顯示，基層和面層之間的粘結(jié)增強(qiáng)可增強(qiáng)瀝青路面的整體性，提升瀝青路面的路用性能。分析其原因，良好的層間粘結(jié)可將路面各結(jié)構(gòu)層很好地聯(lián)系在一起，形成一個(gè)有機(jī)的整體，共同抵抗外部荷載作用。由于連續(xù)施工方法可以改善層間接觸狀態(tài)，因此，瀝青路面達(dá)到相同程度的累積損傷如反射裂縫擴(kuò)散到面層所需要作用的次數(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)施工方法而言就越多，路面壽命增長(zhǎng)。

另外，連續(xù)施工方法鋪筑的瀝青路面，因不容易遭受養(yǎng)護(hù)期間的降雨、污染等影響，基層質(zhì)量更容易得到保證。而且，由于抗裂縫劑的摻入，基層自身的抗裂性能也得到了加強(qiáng)，因此，基層也為瀝青面層提供了一個(gè)更好的支撐平臺(tái)。

4 需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

盡管試驗(yàn)路顯示連續(xù)施工方法能夠極大地緩解瀝青路面的反射裂縫病害，但是，仍然存在著一些需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

試驗(yàn)路檢測(cè)表明，連續(xù)施工方法施工的瀝青路面基層存在壓實(shí)度超百的問(wèn)題。分析其原因，壓實(shí)度超百主要原因是室內(nèi)試驗(yàn)確定水泥穩(wěn)定碎石混合料最大干密度、最佳含水量的重型擊實(shí)試驗(yàn)方法及測(cè)定混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試件成型方式與現(xiàn)場(chǎng)碾壓方式不匹配。其次是由于碾壓方式不合理造成的。試驗(yàn)路施工鋪筑基層時(shí)，按照常規(guī)施工方法達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度。但是在基層初凝前鋪筑面層，面層的鋪筑碾壓會(huì)對(duì)基層進(jìn)一步壓實(shí)，這也是造成壓實(shí)度過(guò)大的原因之一。

鑒于此，一方面，可以采用振動(dòng)成型骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室成型方法來(lái)進(jìn)行半剛性基層混合料的設(shè)計(jì)。 骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石基層具有優(yōu)良的抗裂性已被大家接受，且經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)的驗(yàn)證。另一方面，通過(guò)優(yōu)化鋪筑壓實(shí)方案，使得基層、面層同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度，保障基層、面層的施工質(zhì)量，節(jié)約機(jī)具臺(tái)班，減少資源消耗。盡管有很多室內(nèi)壓實(shí)方法或者設(shè)備能夠研究瀝青混合料的壓實(shí)，但是這些設(shè)備很昂貴，而且壓實(shí)過(guò)程比較費(fèi)時(shí)，還容易受人員操作經(jīng)驗(yàn)的影響?？赏ㄟ^(guò)離散元方法(DEM)模擬基、面層連續(xù)施工瀝青路面施工的壓實(shí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)壓實(shí)方案的優(yōu)化。

另外，基、面層連續(xù)施工工藝，改變了傳統(tǒng)的瀝青路面施工方法，基層和面層之間沒(méi)有設(shè)置粘結(jié)層，但是層間粘結(jié)較常規(guī)施工方法好，其粘結(jié)機(jī)理如何，是什么原因使得在界面處產(chǎn)生了如此好的粘結(jié)，這些都是迫切需要解決的問(wèn)題。以便在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步提高粘結(jié)的措施和施工控制方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的反射裂縫機(jī)理的分析，總結(jié)了常規(guī)施工方法的弊端，提出了一種針對(duì)水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的基層、面層連續(xù)施工方法。試驗(yàn)路研究顯示，水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的基層、面層連續(xù)施工可有效降低瀝青路面的反射裂縫病害。

對(duì)水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的基層、面層連續(xù)施工方法的抗裂機(jī)理進(jìn)行了分析。分析表明，水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的基層、面層連續(xù)施工方法可以減少基層的開(kāi)裂，保持基層的完整性，達(dá)到從源頭消滅反射裂縫的目的。同時(shí)，由于面層的振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程可以講面層骨料嵌入未初凝的基層，因此可實(shí)現(xiàn)基層、面層相互嵌入，提高基層、面層的粘結(jié)強(qiáng)度，使得瀝青路面成為一個(gè)有機(jī)整體，增強(qiáng)了瀝青路面的抗開(kāi)裂能力。

分析了水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的基層、面層連續(xù)施工方法存在的需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題，為后續(xù)的研究提供參考。

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