半剛性基層路用性能的影響因素分析及應(yīng)用前景探討

郭 福 喬衛(wèi)華

山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院 市政與環(huán)境工程系 山東 濟(jì)南 250103

1 引言

道路基層是指直接位于路基（或墊層）表面以上、瀝青路面層以下，用高質(zhì)量材料填筑的主要承重層，或直接位于路基（或墊層）表面以上、水泥混凝土路面以下，用高質(zhì)量材料鋪筑的結(jié)構(gòu)層[1]。其材料與質(zhì)量的好壞直接影響路面的質(zhì)量、路用性能和使用壽命。從目前國(guó)內(nèi)外道路工程實(shí)踐來(lái)看，高等級(jí)道路如高速路、一級(jí)路或城市快速路、主干路的路面結(jié)構(gòu)基層材料的應(yīng)用從力學(xué)行為上來(lái)分基本上不外乎以下三種：即剛性基層材料如貧混凝土、碾壓混凝土；柔性基層材料如瀝青混凝土、瀝青穩(wěn)定碎石或級(jí)配粒料；半剛性基層材料即無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料如石灰穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土或石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定類，工業(yè)廢渣應(yīng)用最為典型的是粉煤灰，所以石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定類有時(shí)也稱為“二灰”穩(wěn)定類。其中無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層材料以其強(qiáng)度比較高、穩(wěn)定性好、抗凍性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)本身自成板體等綜合優(yōu)勢(shì)成為高等級(jí)道路基層設(shè)計(jì)的首選材料。但其耐磨性差、易發(fā)生干縮或溫縮導(dǎo)致開(kāi)裂、養(yǎng)生期長(zhǎng)等缺陷制約著其使用范圍和應(yīng)用前景。在現(xiàn)有的道路基層材料應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，目前還找不到一種可替代的性價(jià)比更高的基層材料，因此在當(dāng)前采用無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料作為基層材料的同時(shí)，我們有必要搞清楚半剛性基層路用性能的具體影響因素，進(jìn)而采取有針對(duì)性的措施來(lái)改善其性能、抑制或減弱其缺陷。

2 半剛性基層路用性能指標(biāo)及其影響因素分析

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土是在各種粉碎或原狀松散的土、碎（礫）石、工業(yè)廢渣中，摻入適當(dāng)數(shù)量的無(wú)機(jī)結(jié)合料（如水泥、石灰或工業(yè)廢渣如粉煤灰等）和水，經(jīng)拌和得到的混合料在壓實(shí)與養(yǎng)生后，其抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定要求的材料，以此材料修筑的路面基層稱為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層即半剛性基層。無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土作為道路路面結(jié)構(gòu)基層的主要材料，為滿足行車、氣候、水文地質(zhì)條件的要求，穩(wěn)定土材料不但要求具有一定的強(qiáng)度，而且還需要具有良好的抗變形能力和水穩(wěn)定性。其主要的路用性能包括以下5個(gè)指標(biāo)。

2.1 強(qiáng)度

在瀝青路面結(jié)構(gòu)中，由于路面面層厚度較薄，汽車荷載傳遞給基層的豎向應(yīng)力較大，基層是承受車輛荷載作用的主要承重層，這就要求無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土材料具有足夠的強(qiáng)度。如果是水泥混凝土面層材料，由于剛性的面板傳遞給基層的應(yīng)力已經(jīng)很小，此時(shí)基層不起主要的承重作用。但是基層是確保路面整體強(qiáng)度，防止面板開(kāi)裂、破壞的重要基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)延長(zhǎng)路面的使用壽命有顯著的影響，同樣也要求基層材料具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，最重要的是要求材料強(qiáng)度均勻、整體性好。影響穩(wěn)定土強(qiáng)度的因素有：

① 土質(zhì)

土的類別不同如粘土、粉土或砂礫，或同一類別土的粒徑大小不同、級(jí)配不同，都會(huì)影響到穩(wěn)定土強(qiáng)度的大小，以水泥穩(wěn)定類為例，宜選用粗粒土、中粒土。粒料用作基層時(shí)，粒料最大粒徑不宜超過(guò)37.5mm； 用作底基層粒料最大粒徑：城鎮(zhèn)快速路、主干路不得超過(guò)37.5mm； 次干路及以下道路不得超過(guò)53mm。有機(jī)質(zhì)和硫酸鹽含量高的土，均不宜用于石灰穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土。

② 結(jié)合料的種類及用量

無(wú)機(jī)結(jié)合料的種類包括：石灰、水泥、“二灰”即石灰和粉煤灰、或同時(shí)用石灰和水泥進(jìn)行綜合穩(wěn)定，一般來(lái)說(shuō)用水泥來(lái)穩(wěn)定土?xí)r，其強(qiáng)度、抗凍性、耐久性明顯的高于其它類型的穩(wěn)定劑，而用“二灰”來(lái)做穩(wěn)定劑其抗開(kāi)裂抗收縮的性能要高于其它類型的穩(wěn)定材料。對(duì)于結(jié)合料的劑量應(yīng)在保證滿足其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)即7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)的前提下，盡可能減少其用量，這樣其經(jīng)濟(jì)性是最優(yōu)的。

③ 含水率

半剛性基層材料不同的含水量，直接影響其碾壓后的壓實(shí)效果，進(jìn)而會(huì)影響到后期的成型強(qiáng)度。通常情況下，施工前應(yīng)通過(guò)做標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定其最佳含水量和最大干密度，這樣才能確保運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定材料盡可能的達(dá)到最佳含水率，或保持在最佳含水量的±2%的范圍，以便達(dá)到最佳的密實(shí)效果。

④ 密實(shí)度

密實(shí)度越大，材料有效受荷面積越大，強(qiáng)度就越高，受水影響的可能性越小。密實(shí)度的提高應(yīng)通過(guò)原材料選取和合理的施工工藝等綜合控制。

⑤ 施工工藝及養(yǎng)生條件

以水泥穩(wěn)定土為例，從拌和到攤鋪完成的時(shí)間通常不得超過(guò)3h，若碾壓或濕拌的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，水泥就會(huì)產(chǎn)生部分結(jié)硬，影響水泥穩(wěn)定土的壓實(shí)度，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度損失。穩(wěn)定土的強(qiáng)度發(fā)展需要適當(dāng)?shù)臏囟取穸群妄g期。要想達(dá)到理想的強(qiáng)度，必須在規(guī)范規(guī)定的一定溫度和濕度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7-14天，否則其強(qiáng)度不增長(zhǎng)或增長(zhǎng)緩慢。

現(xiàn)行《公路路面基層施工細(xì)則》(JTG/TF20-2015)規(guī)定，采用無(wú)機(jī)結(jié)合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)表征，同時(shí)采用該指標(biāo)進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)，選定最適宜于水泥或石灰穩(wěn)定的土或集料，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)集料的天然含水量及運(yùn)輸距離等因素確定施工中所用的無(wú)機(jī)結(jié)合料的最佳劑量。以水泥穩(wěn)定粒料基層為例，公路等級(jí)為高速公路、一級(jí)公路，要求其7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值在3.0～5.0MPa；二級(jí)路或二級(jí)路以下，要求其7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值在2.5～3.0MPa。

2.2 變形性能

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的縮裂特性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面即干縮和溫縮。隨著無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土強(qiáng)度的不斷形成，水分逐漸消耗以及蒸發(fā)，體積發(fā)生收縮，收縮變形受到約束時(shí)，逐漸產(chǎn)生裂縫，稱為干縮裂縫。隨著氣溫的降低，穩(wěn)定土?xí)a(chǎn)生冷卻收縮變形，收縮變形受到約束時(shí)，逐漸形成裂縫，稱為溫縮裂縫。顯然最后體現(xiàn)其變形特性優(yōu)劣是由干縮和溫縮兩方面共同決定的。試驗(yàn)表明，在最佳含水量狀態(tài)下同一種類的集料，采用不同的膠結(jié)材料其抗裂性能的優(yōu)劣為：二灰穩(wěn)定類>水泥穩(wěn)定類>石灰穩(wěn)定類，而在最佳含水量狀態(tài)下同一膠結(jié)材料，采用不同的集料抗裂性能的優(yōu)劣為：穩(wěn)定粒料>穩(wěn)定土。施工過(guò)程中要改善其抗裂性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：

① 改善土質(zhì)或摻加粗粒料

一般來(lái)講穩(wěn)定土用土越黏，則縮裂越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低，耐久性越差。所以在穩(wěn)定用土的材料上應(yīng)采用黏性較小的土，或在黏性土中摻入砂土、粉煤灰等，以降低土的塑性指數(shù)。以石灰穩(wěn)定土為例，宜采用塑性指數(shù)10～15的粉質(zhì)黏土或黏土。

摻入一定數(shù)量的粗粒料如砂、碎石、礫石等，使混合料滿足最佳級(jí)配組成，也可以提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)減少裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)可以節(jié)約結(jié)合料和改善碾壓時(shí)的擁擠現(xiàn)象。

② 控制含水率及壓實(shí)度

穩(wěn)定土的干縮現(xiàn)象顯會(huì)隨著超過(guò)最佳含水量偏差的增加而增加，干縮裂縫也會(huì)隨著壓實(shí)性能的減少而顯著增加。因此，工地現(xiàn)場(chǎng)一般要求穩(wěn)定土壓實(shí)時(shí)含水率要比最佳含水率略小為好，并盡可能要達(dá)到最佳的壓實(shí)效果，這樣將縮裂現(xiàn)象的不利因素降低到最低。

2.3 疲勞特性

半剛性基層材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變引起局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷發(fā)展并使它的力學(xué)性能下降并最終導(dǎo)致龜裂或完全斷裂的性能稱之為疲勞特性。通過(guò)試驗(yàn)表明，石灰粉煤灰穩(wěn)定材料的抗疲勞性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定類優(yōu)于石灰穩(wěn)定類。這個(gè)特性也反映在工程實(shí)踐中，“二灰”穩(wěn)定類和水泥穩(wěn)定類的應(yīng)用范圍要比石灰穩(wěn)定類更為普遍。

2.4 水穩(wěn)定性和抗凍性

作為承重層的基層材料要求不僅具有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受設(shè)計(jì)荷載，還應(yīng)具備一定的水穩(wěn)定性和抗凍性來(lái)抵抗水和低溫的影響，否則由于面層開(kāi)裂滲水或者兩側(cè)路肩積水均會(huì)將使穩(wěn)定土含水量增加，強(qiáng)度降低，從而使路面過(guò)早破壞。在存在冰凍的北方地區(qū)，冰將會(huì)加劇這種破壞。影響水穩(wěn)定性及抗凍性的因素主要有土的種類、結(jié)合料的種類及劑量、密實(shí)度及養(yǎng)護(hù)等。一般來(lái)講顆粒較細(xì)、塑性指數(shù)大的土，水穩(wěn)定性與抗冰凍穩(wěn)定性較差；結(jié)合料劑量越大，水穩(wěn)定性與抗冰凍穩(wěn)定性越好；密實(shí)度大時(shí)，透水能力降低，水穩(wěn)定性增強(qiáng)。

2.5 壓實(shí)性

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層的強(qiáng)度、抗變形性能、耐疲勞性、水穩(wěn)定性和抗凍性等均與密實(shí)度即壓實(shí)性有關(guān)，這是保證其路用性能的最基本的要求。實(shí)踐證明：密實(shí)度每增加1%，強(qiáng)度增加3%左右，同時(shí)抗變形性能、耐疲勞性、水穩(wěn)定性和抗凍性等也會(huì)有所提高，現(xiàn)行的施工技術(shù)規(guī)范對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土基層碾壓密實(shí)后的壓實(shí)度作了硬性規(guī)定，以水泥穩(wěn)定粒料基層為例，公路等級(jí)為高速公路、一級(jí)公路，要求其碾壓后的壓實(shí)度至少達(dá)到98%；二級(jí)或二級(jí)公路以下，要求碾壓密實(shí)后的壓實(shí)度至少達(dá)到97%。如果是石灰穩(wěn)定類或二灰穩(wěn)定類基層，結(jié)合料不同、道路等級(jí)不同，碾壓密實(shí)后的壓實(shí)度要求亦不同。

3 工程應(yīng)用及評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

3.1 項(xiàng)目應(yīng)用一

新疆境內(nèi)連接新源縣城和阿熱勒托別鎮(zhèn)的X745線二級(jí)公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，在2004-2005年建設(shè)期內(nèi)，由于受當(dāng)?shù)貧夂蚝驮牧瞎?yīng)的影響，其道路基層擬采用的水泥穩(wěn)定結(jié)合料混合料在做基層試驗(yàn)路質(zhì)量檢測(cè)時(shí)就出現(xiàn)鉆芯不易成形、強(qiáng)度不優(yōu)等現(xiàn)象，但基于當(dāng)?shù)氐耐顿Y有限，盡可能就地取材，利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有豐富的卵石集料和結(jié)合料，結(jié)果導(dǎo)致該項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)不到數(shù)年就出現(xiàn)了開(kāi)裂早、承載力降低等質(zhì)量通病，后期不得不進(jìn)行大面積翻修處理和整治。如果當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)到擬采用的基層原材試驗(yàn)路驗(yàn)證出來(lái)的路用性能欠佳的事實(shí)，及時(shí)的進(jìn)行原材料的變更或糾偏，那以上的質(zhì)量病害可能不會(huì)過(guò)早出現(xiàn)或其使用壽命也會(huì)延長(zhǎng)。

3.2 項(xiàng)目應(yīng)用二

重慶境內(nèi)奉節(jié)、萬(wàn)州等三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江沿線因鋼鐵廠煉鋼、磷肥廠造肥、電廠發(fā)電次生出鋼渣、磷石膏、煤矸石、電石渣、粉煤灰、電解錳渣、燒渣、固硫灰、赤泥等多種固體廢棄物，這些廢棄物堆放不僅占用大量土地，對(duì)周邊環(huán)境的危害也極大[2]。三峽庫(kù)區(qū)本身經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重滯后，GDP水平只相當(dāng)于全國(guó)平均水平的62%，也低于西部地區(qū)的平均水平，三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)村公路通鄉(xiāng)通暢率、通村通達(dá)率等也屬于全國(guó)中等偏下水平。農(nóng)村公路建設(shè)和提升勢(shì)在必行，但基于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平和生產(chǎn)力有限，當(dāng)?shù)卣鞴懿块T提出“就地取材、變廢為寶、以人為本、嚴(yán)控成本”的理念，率先通過(guò)重慶公路局、當(dāng)?shù)馗咝＜翱蒲兴?lián)合立項(xiàng)進(jìn)行專項(xiàng)課題攻關(guān)研究，前期通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)現(xiàn)存的工業(yè)廢渣進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，取樣后進(jìn)行試驗(yàn)研究并對(duì)其性能進(jìn)行歸類梳理，按活性這一指標(biāo)將這些廢棄物分為可用作膠結(jié)材料的活性固體廢棄物和可用于集料等填充材料的非活性固體廢棄物兩類，利用石灰對(duì)此類固體廢棄物進(jìn)行綜合穩(wěn)定，通過(guò)試驗(yàn)路段來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證其路用性能成功后，在山峽庫(kù)區(qū)沿線進(jìn)行了農(nóng)村公路立項(xiàng)投資的示范路建設(shè)，三峽庫(kù)區(qū)也逐漸恢復(fù)生態(tài)再現(xiàn)綠水青山，在建項(xiàng)目平均節(jié)約投資20%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論及展望

4.1 技術(shù)性可行

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層作為承重層，其原材料包含的集料、結(jié)合料、拌合用水的選用及用量，首先要考慮的要素就是混合料碾壓成型后的強(qiáng)度等基本技術(shù)指標(biāo)要滿足設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范的要求。從以上工程實(shí)踐可以看出，在同等條件下水泥穩(wěn)定類要比“二灰”穩(wěn)定類和石灰穩(wěn)定類的優(yōu)勢(shì)更顯著，其各項(xiàng)路用指標(biāo)更符合高等級(jí)道路結(jié)構(gòu)層基層的功能要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)合理

當(dāng)前在滿足強(qiáng)度等路用指標(biāo)的前提下，相關(guān)專業(yè)的高校和科學(xué)研究院正在搞試點(diǎn)研究，嘗試尋找更為經(jīng)濟(jì)的可替代或改善無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料中活性結(jié)合料或符合技術(shù)指標(biāo)和級(jí)配的優(yōu)質(zhì)集料如工業(yè)廢渣或固體廢棄物，以此來(lái)降低這種有著廣泛應(yīng)用范圍的半剛性材料的建設(shè)成本或優(yōu)化其路用性能。從工程實(shí)踐可以看出，石灰粉煤灰穩(wěn)定類其抗裂性要比水泥穩(wěn)定類和石灰穩(wěn)定類優(yōu)勢(shì)顯著，工程造價(jià)也會(huì)降低25%左右。

4.3 安全、環(huán)保、綠色

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，未來(lái)人們對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的功能期望不僅僅是作為單一的道路建筑材料來(lái)使用，更多的還要考慮材料的二次利用、新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)化、與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)或智慧宜居城市等理念相關(guān)的附加功能結(jié)合起來(lái)，此時(shí)工業(yè)化生產(chǎn)殘留的不同類別的固體廢棄物可通過(guò)對(duì)其性能進(jìn)行研究并經(jīng)過(guò)優(yōu)選后，作為一種“新型”的活性結(jié)合料或可填充的集料來(lái)用，這樣既可以變廢為寶、保護(hù)環(huán)境，又可以節(jié)約資源、降低工程成本。顯然石灰工業(yè)廢渣這種無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層不失為一種順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的“弄潮兒”，其未來(lái)在道路工程建筑材料中的應(yīng)用前景不可估量。