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1、路面半刚性基层的设计建议 摘要 ：本文以路面半刚性基层的特点、缺陷分析及应用实例，同时通过对三种常用半刚性基层的对比分析，表明水泥粉煤灰稳定碎石为路面半刚性基层设计首选的观点。关键词：半刚性基层 水泥粉煤灰稳定碎石 1 前言在我国，路面结构类型是以半刚性基层为主，而这种结构的最大特点就是半刚性基层是承重层，基层的强弱和好坏对整个路面，特别是沥青路面的强度、使用质量和使用寿命都有十分重要的影响，因此，作为路面的基层，无论是水泥混凝土路面还是沥青路面的基层，一般都必须具备足够的强度和刚度、水稳定性及温度稳定性、足够的抗冲刷能力、足够的平整度并且要求收缩性小。2 半刚性基层的缺陷分析半刚性基层尤其是
2、水泥稳定碎石类材料由于呈脆性，对温度、湿度敏感性较差，在温度、湿度变化作用下容易产生裂缝。裂缝向上发展，破坏了路面结构整体性和连续性，在一定程度上导致结构强度的削弱(如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等)。而且随着雨水或雪水的浸入，基层变软，在大量行车荷载反复作用下导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，随着裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。下面是一些实地照片： 通过对已建高等级公路使用调查表明，半刚性沥青路面裂缝问题日益突出，并已成为该结构的主要缺陷。现场钻芯取样观察表明，裂缝中相当数量为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝，这一比例常常超
3、过60%。造成半刚性沥青路面裂缝的因素是复杂的，其中有沥青面层低温缩裂、有行车疲劳裂缝（通常应很少），但造成半刚性沥青路面破坏的原因，主要是来自半刚性基层的反射裂缝。3 半刚性基层的发展及应用上个世纪80年代，我国公路建设开始进入修建高潮时期。随着国民经济持续高速增长，我国公路交通状况又发生了明显变化，交通量增长很快，重载车辆数量显著增加，超载车辆比较普遍，新交通状况对路面基层提出了更高的技术要求。为适应交通量日益增加和车辆荷载逐渐增大的需要，具有良好的力学强度、板体性和水稳定性等特点的二灰碎石、水泥稳定碎石、水泥粉煤灰稳定碎石基层，在高等级公路建设中得到了广泛的应用。不仅河南如此，全国也都基
4、本一致，见下表。半刚性基层典型结构设计表道路名称长度（km）路面结构面层（cm）基层（cm）底基层（cm）广佛路15.74 细粒式5 中粒式25 水泥碎石或31 水泥石屑2528 水泥土沈大路3754 细粒式 5 中粒式 6 沥青碎石25 水泥碎石待添加的隐藏文字内容3京津塘142.55 细粒式 6 中粒式 12 沥青碎石25 水泥碎石30 石灰土京石144 中粒式 8 沥青碎石15 二灰碎石40 石灰土济青路1518 开级配中粒式3840二灰碎石42 石灰土沪宁4 细粒式 6 中粒式 6 粗粒式3840二灰碎石30 石灰土3.1 二灰碎石基层石灰粉煤灰稳定碎石(也称二灰碎石)是一种广泛使用的
5、路面半刚性基层材料。我国早期的高等级公路普遍采用二灰碎石作为半刚性基层，近十年来先后用以建成了京津唐高速公路、沪宁高速公路等一批得到社会普遍认可的半刚性路面，对我国高等级公路沥青路面建设具有明显的促进作用。这些高等级公路的路面技术和质量总体上已经达到或接近国际先进水平，但是也应看到，一些石灰粉煤灰稳定碎石半刚性路面还存在使用12年即出现早期路面损害现象的情况，造成了很大的直接和间接的经济损失。究其原因，这主要是由于:石灰为个体户小作坊生产，质量不稳定，在施工过程中遇雨淋后有效钙镁含量迅速降低，严重影响了基层材料的施工质量。另外二灰碎石的早期强度较低，强度随时间增长也较为缓慢，不利于高等级公路的
6、快速施工。因此石灰稳定类材料近年来在高等级公路上一般只用作垫层，而不在作为基层使用。3.2 水泥稳定碎石基层作为典型的半刚性路面，水泥稳定碎石基层具有良好的板体性、较高的强度和抗裂性能以及较强的抗变形能力，被广泛应用于高等级公路、城市道路和机场工程，如南昌九江公路，南宁北海公路，重庆江北机场扩建工程等。水泥稳定碎石具有足够的力学强度、抗水性和耐冻性。但是，水泥稳定碎石不可避免地产生收缩裂缝，而且水泥用量越多，裂缝也越厉害。同时，裂缝经常会反射到薄的面层上，从而影响面层的使用质量和使用寿命。在以往的实际应用中发现，水泥稳定碎石基层主要存在两方面的问题：(1)矿料级配对基层材料的施工质量有很大影响
7、，当细集料过多时路面容易出现反射裂缝，抗冲刷能力差；当细集料过少时路面空隙较大，容易透水。(2)干缩系数较大，容易产生早期的收缩裂缝，从而导致沥青路面反射裂缝过早的出现，降低路面的使用寿命。近年来随着对水泥稳定碎石基层材料研究的深入，对材料级配、试验方法及施工技术进行了较大的改进，用水泥稳定碎石铺筑的基层有些路段很长也未发现裂缝。3.3水泥粉煤灰稳定碎石基层粉煤灰是火力发电厂排放的废渣，是主要的环境污染物之一，但由于它是具有火山灰反应性能的硅铝质材料，可用于水泥稳定碎石中以改善拌和物的和易性，增加后期强度，提高极限拉伸值，弥补水泥稳定碎石性能上的不足。水泥粉煤灰稳定碎石混合料是以水泥全部或部分
8、代替石灰作粉煤灰的活性激发剂，并掺有一定比例的碎石而形成的路面基层材料。在水泥粉煤灰稳定碎石混合料中，集料颗粒间的相互摩擦、嵌挤形成了混合料的骨架，水泥粉煤灰填充于骨架空隙之内，遇水发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，这些胶凝性化合物将各个大小骨料粘结成整体，从而构成了水泥粉煤灰稳定碎石的强度。这种混合料与石灰粉煤灰相比，具有早强、高强、在较低温度条件下施工其强度仍有较大增长的特点，同时能够提前开放交通。4 水泥粉煤灰稳定碎石的应用实例介绍4.1 应用概况焦作至晋城高速公路（焦作段）焦作至新庄高速公路（西段）全长29.236km，双向四车道，路面基层原设计：石灰:粉煤灰:碎石=
9、5:15:80。由于在施工中石灰质量不易控制，砂砾料的天然级配差异较大，质量难以控制，且以上两种材料供应无法满足施工需要，在这种特定条件下，经多方论证，变更为水泥粉煤灰碎石结构，选定基层配合比水泥:粉煤灰:碎石=5.5:10:84.5，最大干密度2.24，最佳含水量6.6，设计强度4.0MPa。4.2 目前状况焦晋高速公路路面半刚性基层为水泥粉煤灰稳定碎石基层，于2002年12月22日通车，至目前已经使用四年多的时间，未曾进行过大修。从2007年3月现场调查结果来看，路面上反射裂缝很少，个别地方有横缝出现，分析为施工缝位置所致。另外一种现象是：焦作往山西轻载上坡方向有轻微车辙出现，而山西往焦作
10、重载下坡方向无车辙出现。分析结果表明，焦作往山西轻载方向为上坡路段，车速行使较低所致，非结构性车辙，为沥青路面车辙。下图是其实地照片。图25 辙槽5 半刚性基层设计建议半刚性基层的开裂主要有两部分：一部分是温度变化产生的（称为温缩裂缝），是材料本身固有的特性；另一部分是混合料在形成强度过程中，随着水分的散失引起的裂缝（称为干缩裂缝），虽不能根除，但可以调整材料种类来降低混合料的干缩性能。由此看来，由半刚性基层开裂而引起的沥青面层反射裂缝是难以避免和固有的，因此，针对半刚性基层的不足，在基层类型上出现了两种新的型式：级配碎石基层和沥青稳定类柔性基层。基于这两种新的基层型式还处于研究试验阶段、还没
11、有成功的实例，目前路面基层仍然采用有着丰富成功经验的水泥稳定粒料类混合料。二灰碎石、水泥稳定碎石、水泥粉煤灰碎石是我国公路主要的基层、底基层结构型式，用作半刚性基层各有优缺点，综合性能对比见下表。二灰碎石、水泥稳定碎石、水泥粉煤灰碎石混合料性能对比表性能二灰碎石水泥稳定碎石水泥粉煤灰碎石强度早期强度较低，后期增长也缓慢7天无侧限抗压强度较高早期强度较低，后期增长较快刚度板体性一般板体性较高板体性一般冰冻稳定性具有较高的抗冻性具有较高的抗冻性具有较高的抗冻性抗冲刷能力一般具有较强的抗冲刷能力具有较强的抗冲刷能力收缩性不易产生收缩裂缝干缩系数大，易产生收缩裂缝不易产生收缩裂缝和易性较好一般较好施工
12、周期长，不利于快速施工短，快速施工方便短，快速施工方便从二灰碎石、水泥稳定碎石、水泥粉煤灰碎石混合料性能对比和焦晋、济焦高速公路的成功经验，同时从环保角度考虑，作为路面基层材料，水泥粉煤灰稳定碎石比水泥稳定碎石有更好的和易性和抗干缩能力。研究表明，在同样的材料及最佳级配下，二灰稳定碎石的最大抗压强度及最小抗压强度明显小于水泥粉煤灰的稳定碎石混合料的最大和最小抗压强度，劈裂强度也有同样的规律。掺加粉煤灰会使水泥稳定级配碎石基层的早期性能有所下降，但由于粉煤灰活性效应和填充效应的综合作用，水泥粉煤灰稳定碎石基层具有后期高强度、低模量、高密实度、低胀缩性的优良路用性能。试验表明，水泥粉煤灰稳定碎石基层能够明显减小沥青面层开裂的控制应力和基层自身裂缝尖端的应力强度因子，减轻和延缓沥青路面反射裂缝的产生，改善路面结构的长期性能。因此建议水泥粉煤灰稳定碎石基层为路面基层的首选。
