半刚性基层沥青路面的过去,现在和未来

半刚性基层沥青路面的过去，现在和未来马辉112364摘要：我国所修建的高速公路中90%以上为半刚性基层沥青路面结构，这种结构承载能力强，车辙深度小，水稳定性好，且已成为我国高等级公路的主要结构型式。

但实践证明半刚性基层沥青路面有一些不可避免的技术问题，如由于半刚性基层材料的收缩特性而导致的沥青路面早期开裂，半刚性基层材料在行车荷载水和温度梯度的综合作用下出现的基层唧泥现象，在重交通条件下出现的早期疲劳损坏现象等等。

本文从半刚性基层的特点，典型结构和主要病害以及防止措施等方面对半刚性基层沥青路面做了详细的介绍，并在结构优化和重载条件下半刚性基层沥青路面的发展做了展望。

关键词：半刚性基层沥青路面；病害；裂缝；结构优化；重载交通1.概述在粉碎的或原状松散的土中掺人一定量的无机结合料(水泥、石灰或工业废渣等)和水，拌和后经压实与养生，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料。

由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，故常称此为半刚性材料，以此修筑的基层(底基层)亦称为半刚性基层(底基层)，在此基础上修筑的沥青路面称为半刚性基层沥青路面。

20世纪80年代中期以来，由于交通量大增，以及轴载和重车比例增大，对路面的整体强度和平整度提出了更高的要求，相应地，对基层的要求也提高到了一个更高的水平。

由于原有的级配碎石基层暴露出很大的弊端，即容易导致新建或改建的高等级公路沥青路面发生一些严重的早期损坏现象，于是普遍采用无机结合料稳定粒料(土)类基层，即在路面材料中掺入一定比例的石灰、水泥、粉煤灰或其他工业废渣等结合料，加水拌和形成混和料，经摊铺压实及养生后形成路面基层。

进入20世纪90年代以后，沥青混凝土为面层的半刚性基层路面被广泛地应用于国内二级以上公路(含高速公路)。

半刚性基层材料在国外一般都用水泥稳定，称为CTB(Cement Treated Base)，最早应用于对软弱地基的处理，随后发展并应用于基层和底基层路面结构设计。

与传统的全柔性路面基层(级配碎石、级配砾石、填隙碎石等)相比，石灰、水泥、粉煤灰等结合料都具有很高(或一定)的活性，与水及土、砂、石等筑路材料拌和后，产生一系列的理化反应，经摊铺压实养生后形成的路面基层，具有较高的强度、刚度及是好的板体性、水稳性，并具有一定的抗冻性，大大提高了路面的承载能力。

半刚性基层材料还具有一定的抗弯拉强度、抗压强度以及抗压回弹模量，它们都具有随龄期而不断增长的特性，因此半刚性沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。

我国大多数高速公路路面结构在使用期内不同时期的代表弯沉值均在O．2mm以内，甚至在0．1mm 内。

已有试验路证明：半刚性基层沥青路面的承载能力完全可由半刚性基层予以满足，沥青面层可仅起功能层的作用，再加上半刚性基层较大的刚度使得其上沥青面层弯拉应力值较小(一般<O.17MPa)，从而提高了沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力，这就使得设计者可以考虑去减薄面层，降低工程造价。

鉴于半刚性基层沥青路面强度、平整度及抗行车疲劳性能较好这一特点，再加上半刚性基层板体性好，利于施工机械化且工程造价低，因此它实际上已成为目前我国高等级公路路面结构的主要形式。

半刚性基层厚度一般在15—40cm之间，对于厚度较大的基层工程多采取两层施工，分为上基层和下基层，下基层的下面是底基层，厚度一般为15～25cm。

1.1半刚性材料在国内外的应用半刚性材料在我国的应用：我国自上世纪50年代起便开始在道路建设中应用石灰土作为路面基层，而且在其后的几十年中石灰稳定类半刚性材料一直是我国高等级公路的主要基层类型。

70年代中期，我国开始使用水泥稳定材料作基层。

90年代至今，以水泥稳定材料和石灰、粉煤灰稳定材料为代表的半刚性材料占各等级公路路面基层材料用量的95％以上。

半刚性材料在国外的应用：半刚性材料在国外的应用也很广泛，但其做法与国内有以下不同之处：(1)半刚性材料主要用来改善和加强路基强度，一般不直接作为基层。

(2)半刚性材料上通常设柔性基层作为过渡层。

如南非，半刚性基层上一般设15cm级配碎石作为过渡层，有效抑制半刚性基层裂缝产生。

美国、日本和德国通常采用全厚式沥青面层和柔性基层，半刚性材料仅作为各等级公路底基层使用。

(3)半刚性基层强度较国内要求低。

南非半刚性基层强度通常为2～3 MPa，日本水泥稳定材料的水泥含量(2％～3％)通常较国内低(4％～6％)，其强度相对也要低些。

1.2半刚性基层沥青路面的特征半刚性基层具有较高的刚度，具备较强的荷载扩散能力。

所以施工及运营过程中一定要保持半刚性基层的整体性；半刚性基层起着结构承载能力作用，而沥青面层只起着功能层作用，因此半刚性基层沥青路面结构的主要破坏形式是半刚性基层的弯拉疲劳损坏；半刚性基层采用防水下渗措施是十分重要的，这是规范的规定。

半刚性基层的突出优点表现在：(1)具有较高的强度和承载能力，后期强度高且具有随龄期不断增长的特性。

资料显示，近年来国内多数高速公路路面结构在使用期内的代表弯沉均在20(1／100mm)以内。

为此，许多业内人士积极推行“强基薄面”理论，即认为半刚性基层沥青路面的承载能力完全可由半刚性基层予以满足，沥青面层可仅起功能层的作用，因而可以减小沥青面层厚度，降低工程造价。

(2)刚度大。

半刚性基层抗压回弹模量值可高达l800MPa，致使沥青面层弯拉应力相应减小，从而提高沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力。

由于基层模量较大，面层极少出现拉应力状况(这在沥青路面设计中经常遇到，沥青路面层底拉应力计算经常为负值)，沥青面层几乎完全处于受压状态。

(3)稳定性好。

半刚性基层材料具有较高的水稳性和冰冻稳定性，因此在水的作用以及多次冻融反复作用下，不影响半刚性材料基层的承载能力。

另外，半刚性基层材料板体性好，利于机械化施工，且工程造价低，能适应重交通发展需要。

半刚性基层沥青路面结构正是以其优良的工程性能和显著的经济效益在我国公路建设中得到广泛应用，目前己成为高等级公路路面主要结构形式。

1.3半刚性基层沥青路面设计理念与典型结构我国半刚性基层路面结构设计采用路表弯沉、结构层底拉应力作为控制指标。

结合多处调查路段的路面结构和实际使用状况,以及国内外半刚性基层沥青路面的工程设计,可知半刚性基层沥青路面的承载能力主要来自半刚性基层, 承载能力改变时主要通过基层厚度的变化来实现。

我国半刚性基层路面设计理论和方法,只是以前轻交通路面设计理论和方法的简单外延,与重交通路面的要求尚有较大距离。

在重轴载和大交通量的情况下,半刚性基层路面出现了许多问题,其路面结构设计理论和方法以及技术参数有待进一步的研究。

典型结构分析为研究半刚性基层路面各层的受力情况和适用条件, 选取半刚性基层路面结构实例进行分析，结构如图1。

图1 半刚性基层路面典型结构在15℃时不同荷载作用下半刚性基层路面各结构层最大拉应力值变化如图2。

随着荷载的增加,沥青层表面最大拉应力呈减小趋势,水泥稳定碎石基层底部最大拉应力随着路面荷载的增加而增加,荷载增加43%时,层底最大弯拉应力增长达170%,可见荷载增加情况下基层层底拉应力大幅度提高。

半刚性基层因其自身材料的性质,抗拉应力(应变)能力较差,因此在重载的频繁作用下基层很容易发生破坏。

图2 不同荷载下格结构层的拉应力此外,半刚性基层沥青路面对重载车具有较强的轴载敏感性。

重载车换算为标准轴载时对柔性基层通常是按4次方换算,对半刚性基层,随着基层和沥青层模量比的增大,换算荷载达到10次方以上。

也就是说,同样的超载对半刚性基层沥青路面的危害要远远大于对柔性基层沥青路面的危害。

若超载严重,拉应变超过半刚性基层的极限弯拉应变较多,将直接导致结构破坏,这种破坏是致命性的。

2.半刚性基层沥青路面的病害2.1超载车辆作用下的破坏近几年，高速公路上超限运输车辆急剧增加，尤以大货车为主。

根据实验数据，设计荷载10t的货车若装载20 t(100％超载)，每通行一次，沥青路面受压相当于通行295次，极大地加速了路面的疲劳破坏，大大缩短了高速公路的使用寿命。

另外，装载高度大的超载车因路拱坡度形成偏载，加上路面渗入水在路面结构层间沿横坡向低处汇集，造成行车道外侧轮迹处的病害普遍比内侧严重。

从路面大修过程来看，超载严重路段，行车道轮迹处半刚性基层基本碎裂，形成面层反射纵向裂缝、车辙或局部沉陷。

2.2水损坏(1)由于半刚性基层非常致密，透水性很差，大气降水、中央分隔带绿化浇水、挖方路段裂隙水等进入路面后，不能从基层迅速排走，在基层与下面层问形成部分滞留水，浸泡和冲刷二灰碎石混合料，造成基层强度下降，形成龟裂、沉陷等病害。

(2)在行车荷载作用下，层间水沿层间薄弱处横向渗透，使基层与沥青面层的层面间逐渐成为不连续的状态使路面处于不利的受力状态。

(3)由于沥青面层空隙率较小，渗入面层中的水分不能形成径流，不易排出，在行车荷载，尤其是重车荷载作用下，对沥青混合料进行冲刷，造成沥青膜剥离，混合料松散脱落。

(4)由于半刚性基层收缩裂缝或在重荷载作用下发生破碎，导致面层形成反射裂缝或局部网裂，雨水下渗到基层甚至底基层，冲刷二灰碎石表面的细料，在动水压力下从路面裂缝中唧出(唧浆)。

2.3半刚性基层板体断裂导致反射裂缝由于受优质石油沥青缺乏及经济不发达等因素的限制，我国长期以来奉行“强基、薄面、稳土基”的设计原则，具有承载能力强、造价低等特点的半刚性基层在高速公路中得到广泛应用。

但是，由于半刚性基层非常致密、强度高，与面层和土基层相比，弹性模量相差很大，在路基发生不均匀沉降或在超载作用下，都极易导致模量很高的板体断裂。

另外我国路面设计以弯沉作为承载能力设计最主要的指标，对半刚性基层的强度要求很高，而过高的强度将使基层开裂及反射裂缝的问题更加严重。

同时，由于半刚性基层材料本身的特性决定了其收缩开裂是不可避免的，并且往往在铺筑沥青路面前就会因温缩或干缩而出现横向缩缝。

随着半刚性基层的开裂，在裂缝顶部、下面层的底部处形成薄弱区，在行车荷载和温度应力的作用下，裂缝逐渐扩展到面层，并向上发展直至穿透面层，形成反射裂缝，再加上渗水等因素的作用，使该处半刚性基层弹性模量迅速降低，板体松散，弯沉增大，加速了路面的破坏。

对裂缝采取的常规养护处理手段是封缝，但封缝仅起到了防水作用，对巨大的竖向剪切力作用下的破坏、起不到任何保护作用。

在温度应力和动载的共同反复作用下，反射裂缝处逐渐加宽导致封缝失效，进而发展成网裂、坑槽、沉陷、车辙等病害。

从沥青路面早期病害调查情况来看，半刚性基层破坏是导致沥青路面早期损坏的重要原因之一。

半刚性基层的病害中早期裂缝对道路的损坏尤为严重。

半刚性基层沥青路面有着其他路面结构不可替代的优越性，然而，随着半刚性沥青路面的大量使用，逐步发现它也存在着一些严重的问题，这就是在半刚性基层，特别是水泥稳定类基层沥青路面的早期出现了比柔性基层沥青路面多而频繁的裂缝，这个问题在国外也比较普遍。