柔性與半剛性基層瀝青路面性能對(duì)比分析

張 強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著公路工程行業(yè)的發(fā)展，道路的作用更加多樣化。在設(shè)計(jì)修建過程中，不斷總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，改善不足之處。結(jié)合自然環(huán)境、行車要求、交通量大小、道路的用途等因素綜合考慮擬修建或改建道路的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何選取。本文主要從路面結(jié)構(gòu)基層材料的選取上作對(duì)比分析，兩種材料各有優(yōu)點(diǎn)，級(jí)配碎石作為基層的瀝青路面問題在于強(qiáng)度的提高，而半剛性基層瀝青路面的問題在于反射裂縫的控制。目前級(jí)配碎石常用作半剛性或剛性基層瀝青路面的中間層，作為倒裝結(jié)構(gòu)，有效減緩反射裂縫的擴(kuò)展，增加路面的使用壽命。

1 級(jí)配碎石柔性基層

1.1 級(jí)配碎石

級(jí)配碎石具有較好的透水性能和力學(xué)特性，常用作半剛性基層與瀝青混合料面層的中間過渡層，能在一定程度上阻止路面結(jié)構(gòu)反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，起到改變路面結(jié)構(gòu)受力作用，提高路面的使用年限。在瀝青面層與半剛性基層之間鋪筑一定厚度的級(jí)配碎石形成倒裝結(jié)構(gòu)，起到很好的過渡作用，充分發(fā)揮半剛性層和柔性層的優(yōu)點(diǎn)。

級(jí)配碎石是無(wú)黏結(jié)混合料，試驗(yàn)室按照各檔級(jí)配含量加入一定量的礦粉和水拌和后，采用重型擊實(shí)方法成型[1]。級(jí)配碎石的級(jí)配范圍如表1所示[2]。

級(jí)配碎石不同級(jí)配類型對(duì)應(yīng)不同的力學(xué)性能。最大干密度越大，對(duì)應(yīng)的CBR值越大，力學(xué)性能越好[3]。本文試驗(yàn)級(jí)配碎石各檔含量如表2所示。表2中級(jí)配①是多組級(jí)配試驗(yàn)得出最大干密度最大的級(jí)配類型，形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。

表1 級(jí)配碎石的建議級(jí)配范圍 %

表2 級(jí)配集料各檔含量 g

1.2 回彈模量

參考《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]按彎沉計(jì)算得到級(jí)配碎石基層的抗壓回彈模量范圍在300～350 MPa。采用公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTG E40—2007中土的回彈模量試驗(yàn)方法在單位壓力為700 kPa時(shí)按照式（1）計(jì)算得到回彈模量值321.621 MPa，在范圍300～350 MPa之間，則級(jí)配類型良好。

式中：E為荷載作用下級(jí)配碎石回彈模量值；μ0為泊松比，取0.35；D為貫入桿直徑，取50 mm；P為貫入桿壓力，MPa；L為相對(duì)于荷載P時(shí)回彈變形。

1.3 瀝青混合料面層

瀝青混合料是黏彈性材料，嚴(yán)格意義上不能采用彈性層狀體系理論分析計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在我國(guó)當(dāng)前的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D50—2006規(guī)定采用20℃的抗壓回彈模量計(jì)算彎沉，采用15℃的抗壓回彈模量計(jì)算層底彎拉應(yīng)力[4-5]。由于瀝青混合料的抗壓回彈模量受溫度的影響很大，瀝青混合料的抗壓回彈模量隨著溫度的增大而降低[6]。AC-13瀝青混合料在不同溫度20℃、25℃、30℃、45℃、60℃、70℃抗壓回彈模量測(cè)試結(jié)果如圖1所示。得出在20℃的抗壓回彈模量值約為620 MPa。

圖1 不同溫度下瀝青混合料的抗壓回彈模量

2 半剛性基層

2.1 半剛性基層特性

半剛性基層介于柔性基層與剛性基層之間，但半剛性基層與柔性瀝青混合料面層模量差別較大，易形成反射裂縫，透水性差。半剛性材料具有強(qiáng)度高、承載力大、水穩(wěn)性好、板體性強(qiáng)等特點(diǎn)，原材料容易取得，但也存在著抗裂性不足、抗沖刷能力不足等缺點(diǎn)。常見的半剛性基層有水泥穩(wěn)定類基層、石灰穩(wěn)定類基層。

半剛性基層材料的強(qiáng)度獲得不僅要靠一定劑量的結(jié)合料，更要有良好級(jí)配的集料。半剛性基層材料的抗壓回彈模量的取值范圍[7]見表3。水泥、石灰、粉煤灰穩(wěn)定集料基層材料的抗壓回彈模量在1 000 MPa左右。

表3 半剛性材料的抗壓回彈模量取值

2.2 半剛性基層改善措施

半剛性基層材料受壓破壞實(shí)際上是一種剪切破壞[8]。剪切強(qiáng)度τ的大小取決于材料的內(nèi)摩阻角φ和黏聚力c，剪切強(qiáng)度計(jì)算式如式（2）所示：

使剪切強(qiáng)度增大可以采用增大c，也可以采用增大σtanφ。增大黏聚力c是通過增加結(jié)合料劑量來提高半剛性材料強(qiáng)度，增大σtanφ是通過選擇級(jí)配良好的集料并合理確定粗集料的比例形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。

半剛性基層材料因?yàn)榧尤虢Y(jié)合料（一般為水泥），不可避免地具有干縮和溫縮特性。及時(shí)地保濕養(yǎng)生可以減少基層的干燥收縮裂縫；控制細(xì)料的含量，尤其是控制粒徑小于0.075 mm的細(xì)料含量可以顯著減少基層的溫度收縮裂縫，隨著集料粒徑的減小，溫度收縮系數(shù)大[8]。通過減少細(xì)料含量、增加結(jié)合強(qiáng)度等適當(dāng)?shù)牟牧辖M成設(shè)計(jì)，可以顯著地提高半剛性基層材料的抗沖刷性能[9]。

3 對(duì)比分析

級(jí)配碎石柔性基層瀝青路面與水泥穩(wěn)定集料基層瀝青路面相比，級(jí)配碎石基層回彈模量（300～350 MPa）與瀝青混合料面層抗壓回彈模量（620 MPa）差值在270～320 MPa之間，而水泥穩(wěn)定集料基層抗壓回彈模量（900～1 100 MPa）與瀝青混合料面層抗壓回彈模量差值在280～480 MPa范圍內(nèi)。前者差值絕對(duì)值比后者相對(duì)較小，根據(jù)兩層間模量越接近，力學(xué)性能越相當(dāng)，有助于反射裂縫減少。

路面結(jié)構(gòu)的層狀體系決定基層和面層因?yàn)椴煌牧洗嬖趯娱g黏結(jié)行為。加強(qiáng)層間黏結(jié)能促進(jìn)提高路面層狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和耐久性，進(jìn)而一定程度上提高瀝青路面的使用壽命。半剛性基層瀝青路面基本都是在層間發(fā)生剪切破壞，層間抗剪切能力小于半剛性基層和瀝青混合料的抗剪切能力，層間是半剛性基層瀝青路面的薄弱環(huán)節(jié)[10]。

對(duì)于級(jí)配碎石柔性基層瀝青路面，基層回彈模量值小于瀝青面層模量值，基層抗壓強(qiáng)度是其中的薄弱環(huán)節(jié)。采取調(diào)整級(jí)配碎石級(jí)配類型的方法盡量使級(jí)配碎石的CBR值增大，能夠有效地提高級(jí)配碎石柔性基層的強(qiáng)度，使基層回彈模量與面層回彈模量更趨于接近，增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的整體性，延長(zhǎng)道路使用壽命。

4 結(jié)論

a）級(jí)配碎石柔性基層與半剛性基層瀝青路面都具有層狀結(jié)構(gòu)體系，需要黏結(jié)層來提高路面的整體性。合理的級(jí)配類型能夠使級(jí)配碎石的強(qiáng)度得到充分的發(fā)揮運(yùn)用，恰當(dāng)?shù)募项愋陀欣诎雱傂曰鶎訌?qiáng)度性能和層間黏結(jié)行為二者的兼顧。

b）改善層間黏結(jié)薄弱環(huán)節(jié)帶來的路面損害是半剛性基層瀝青路面的重點(diǎn)內(nèi)容，而通過優(yōu)選級(jí)配碎石的級(jí)配類型是解決級(jí)配碎石柔性基層強(qiáng)度不足的主要措施。

c）根據(jù)不同環(huán)境、交通量大小、道路用途等各因素選取柔性基層或半剛性基層作為瀝青路面的基層，因地制宜，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，盡量彌補(bǔ)不足之處，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)道路以后的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。