瀝青路面柔性基層與半剛性基層的優化組合研究

吳廣文

摘要:半剛性基層具有許多優點的同時,存在排水不良、反射裂縫等不足;而柔性基層則反之。通過改革柔性基層傳統的材料與工藝,實現柔性與半剛性基層的優化組合。從重交通對瀝青路面使用性能相互矛盾的要求,通過提高柔性基層質量,提高柔性基層的模量,以減少瀝青路面的疲勞裂縫,實現柔性基層與半剛性基層的優化組合。

關鍵詞:柔性基層;半剛性基層;級配碎石

1前言

半剛性基層具有良好的強度、剛度與穩定性,且造價較低,因此,半個世紀以來在我國得到廣泛的應用。隨著交通需求,大量的工程應用與研究發現半剛性基層也存在著一些不足。正是半剛性基層密實而剛度大,所引發出的橫向收縮裂縫、反射裂縫、路面內滯水與基層表面沖刷、唧泥的路面病害。

針對上述不足特別是抗裂性,國內進行研究較多。但是密實作為半剛性基層固有的特性,不利于防止當水滲入時瀝青面層的水損害,而柔性基層則反之。通過室內試驗、理論分析以及現場試驗路的修建與觀測,針對現有高等級公路半剛性基層瀝青路面存在反射裂縫與唧泥、水損害等的不足,在振動壓實工藝與緊排骨架--密實組成結構相結合的柔性基層基礎上,實現柔性基層與半剛性基層優化結構組合是一個有效的技術途徑。

2我國目前半剛性基層的應用分析

為適應我國高等級公路建設的需要,我國通過“七五”~“八五”期間大量的研究,在半剛性基層瀝青路面研究的應用方面取得了舉世矚目的成就。半剛性基層較高的強度、承載力和使用性能,為實現“強基薄面”的結構提供了可靠保證,為公路建設與經濟發展起到了很大作用。半剛性基層由穩定細粒土發展為穩定集料,無疑是筑路技術的一大進步,其優點主要表現在以下方面:

具有較高的抗壓強度和抗彎拉強度,而且具有隨齡期增加強度不斷增長的特性,具有較小的彎沉和較強的荷載分布能力,適應重交通發展的要求。采用半剛性材料,特別是厚層的半剛性材料,可使路面具有很高的承載力。

具有較大的剛度,使得瀝青面層彎拉應力值較小,減少了瀝青面層厚度,降低了路面造價,具有較好的經濟性。

具有一定的水穩性和冰凍穩定性。由于半剛性基層具有以上特點,通過對國內已建高等級公路的使用調查發現,半剛性瀝青路面的裂縫,無論是非冰凍地區的南方,還是季節性冰凍地區的北方,在通車1-2年后均出現不同程度的裂縫,且隨著時間的增長,這種裂縫還將增加和擴大。裂縫產生的原因不能說只是瀝青面層溫縮的結果,半剛性基層的反射裂縫也不容忽視。大量裂縫的存在必然會降低路面的使用性能,例如,使裂縫處彎沉增大從而加速面層彎曲破壞,同時因裂縫使半剛性基層彈性模量降低,進而影響了路面結構的整體強度。

由于瀝青路面面層有許多裂縫和一定的孔隙率,特別是裂縫下滲的雨水和雪水滯留在瀝青混合料結構層內,當雨水滲入路面內,雪水、雨水可能沿面層裂縫下滲軟化基層,降低承載力,同時半剛性基層路面排水差,密實性結構的半剛性基層,使通過路面裂縫下滲的水份滯留在基層頂面,無法排出,受水浸蝕及動水壓力作用,將降低瀝青與石料的粘附性和瀝青混合料的耐久性,使路面產生剝落、松散、坑槽、泛油、車轍等病害,影響路面的強度;同時如水分進入基層表面,使基層材料過份潮濕,在行車荷載作用下,路面結構層內或基層材料中的水分會產生相當大的動水壓力,沖刷基層材料中的細料,在行車荷載反復作用下,細料漿被逐漸擠出裂縫,形成瀝青路面的唧漿現象,導致路面進一步損壞,特別是季節性冰凍區在凍脹和凍融的反復作用下,對面層和基層產生破壞的作用,最終導致基層喪失支撐及與面層的聯結,從而使瀝青面層出現網裂等破壞,使路面損壞加劇,使用壽命縮短。

3瀝青路柔性基層(級配碎石)設計參數

3.1 目前國內外路面設計參數概況

粒狀材料在交通荷載作用下表現出非線性和依賴于時間的彈塑性特性,為了表述這種非線性特征,通常用回彈模量表達。傳統的柔性基層通常是設置于土基或其它柔性基層上,其彈性模量一般較低,美國瀝青協會(AI)設計法中規定粒料基層棤一般采用100~350Mpa,并控制基層模量與路基模量之比在2~4之間。

前蘇聯《柔性路面設計須知》中推薦嵌擠型碎石彈性模量,1~3級配碎石350~450Mpa,1~4級普通碎石為200~250Mpa,級配碎石為150~250Mpa。

我國《公路瀝青路面設計規范》(JTJ014-97)中提出:級配碎石可作任何等級公路的基層,并給出抗壓模量,抗壓模量一般在200~350Mpa范圍內,當交通量較大時,級配碎石不宜作基層,或不能作為承重層,否則需加大瀝青的厚度。

為了解級配碎石的強度變化規律,本文對級配碎石的回彈模量設計參數作了重點研究。

3.2 級配碎石回彈模量的測定

本課題分別在遼源試驗路、通化試驗路對級配碎石基層進行了承載板試驗共完成25個點的承載板測定。

遼源試驗路測定的數據在570MPa-690Mpa;由通化試驗路測定的結果看,級配碎石的彈性模量在290Mpa-1710Mpa,平均值在600MPa-950Mpa,但變異系數較大,主要是在施工程中,受降雨的影響;級配碎石材料具有較顯著的非線性,這種非線性使其在剛性較大的下臥層上,表現出較大的回彈模量,通過室內試驗和試驗路測定,級配碎石的彈性模量可通過級配的調整、施工工藝等方法,在一定組合(其下有較好的半剛性基層),其彈性模量可達到400Mpa-500Mpa。從而亦具有足夠的抵抗應力及變形能力,最終使得級配碎石頭作為上基層不僅具有減緩半剛性瀝青路面反射裂縫的作用,同時也具有足夠的抗疲勞能力。

3.3級配碎石彈性模量建議值

規范JTJ014-97表D2提出符合級配要求的級配碎石上基層,抗壓模量取值300~350Mpa。本文建議保留這一取值的基礎上增加一個檔次400~500Mpa,以供設計選擇。選用400~500Mpa的條件如下:

空隙率為20±3%條件下級配符合緊排骨架--密實原則的同時,現場有包括裝備與施工技術兩方面在內的較高的壓實工藝水平,達到振動壓實標準的0.98。

級配碎石為上基層,應有強度較高的以穩定粒料為主的半剛性底基層。

4 柔性基層與半剛性基層的優化組合

由于柔性基層具有較大的變形,其自身的破壞主要在反復荷載作用下,當累計殘余變形達到一定值,路面會產生沉陷或車轍,這種殘余變形是路基和其結構層發生塑性變形的綜合反映,它不僅同荷載大小、作用次數、應力水平、應力歷史、密實度、級配的性質等方面有關。故傳統的級配碎石由于主要應用在底基層,而受各種影響因素,其強度較低,路面破壞往往表現在變形量過大而影響整體強度。

如將柔性基層設置在剛度較大的半剛性基層之上,由于半剛性基層的變形較小,對柔性基層的變形起到了約束作用,同時通過級配的調整、施工工藝的提高等,使其強度參數得以較大的增加,則路面結構的應力分布、受力等與傳統的柔性基層結構受力狀態有所不同,故可通過柔性基層與半剛性基層的優化組合,提高路面的使用性能,減少路面的早期病害。

5 結束語

柔性基層與半剛性基層優化組合的路面結構仍然體現了強基、薄面的設計思想。首先,振動壓路機的普遍使用與控制技術的發展,為提高級配碎石工程質量創造了條件;其次,由于瀝青材料的供應與施工設備已發生了重大的變化,更由于高速、重載交通對路面結構化使用性能與功能性使用性能的全面要求,用瀝青修筑基層的技術-經濟條件已經具備,因此在富于半剛性基層瀝青路面結構建設與使用經驗基礎上,發展兩種基層結構優化組合是技術進步的必然,并有必要加快完善和系統配套。

參考文獻

[1]沙慶林,高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防,人民交通出版社,2001.

[2]李建東,等.半剛性基層減裂措施的探討.天津公路,2001.

[3]鄧有左,等.半剛性基層瀝青路面開裂原因及防治措施.公路,2001.