柔性與半剛性基層瀝青路面性能對比分析

張 強

（山西省交通科學研究院，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。在設計修建過程中，不斷總結前人經(jīng)驗，改善不足之處。結合自然環(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構應該如何選取。本文主要從路面結構基層材料的選取上作對比分析，兩種材料各有優(yōu)點，級配碎石作為基層的瀝青路面問題在于強度的提高，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，作為倒裝結構，有效減緩反射裂縫的擴展，增加路面的使用壽命。

1 級配碎石柔性基層

1.1 級配碎石

級配碎石具有較好的透水性能和力學特性，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構反射裂縫的產(chǎn)生和擴展，起到改變路面結構受力作用，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配碎石形成倒裝結構，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。

級配碎石是無黏結混合料，試驗室按照各檔級配含量加入一定量的礦粉和水拌和后，采用重型擊實方法成型[1]。級配碎石的級配范圍如表1所示[2]。

級配碎石不同級配類型對應不同的力學性能。最大干密度越大，對應的CBR值越大，力學性能越好[3]。本文試驗級配碎石各檔含量如表2所示。表2中級配①是多組級配試驗得出最大干密度最大的級配類型，形成骨架密實型結構。

表1 級配碎石的建議級配范圍 %

表2 級配集料各檔含量 g

1.2 回彈模量

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

式中：E為荷載作用下級配碎石回彈模量值；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為相對于荷載P時回彈變形。

1.3 瀝青混合料面層

瀝青混合料是黏彈性材料，嚴格意義上不能采用彈性層狀體系理論分析計算瀝青路面結構的力學響應。在我國當前的公路瀝青路面設計規(guī)范JTG D50—2006規(guī)定采用20℃的抗壓回彈模量計算彎沉，采用15℃的抗壓回彈模量計算層底彎拉應力[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℃抗壓回彈模量測試結果如圖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。半剛性材料具有強度高、承載力大、水穩(wěn)性好、板體性強等特點，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。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度獲得不僅要靠一定劑量的結合料，更要有良好級配的集料。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際上是一種剪切破壞[8]。剪切強度τ的大小取決于材料的內(nèi)摩阻角φ和黏聚力c，剪切強度計算式如式（2）所示：

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

半剛性基層材料因為加入結合料（一般為水泥），不可避免地具有干縮和溫縮特性。及時地保濕養(yǎng)生可以減少基層的干燥收縮裂縫；控制細料的含量，尤其是控制粒徑小于0.075 mm的細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]。通過減少細料含量、增加結合強度等適當?shù)牟牧辖M成設計，可以顯著地提高半剛性基層材料的抗沖刷性能[9]。

3 對比分析

級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)。前者差值絕對值比后者相對較小，根據(jù)兩層間模量越接近，力學性能越相當，有助于反射裂縫減少。

路面結構的層狀體系決定基層和面層因為不同材料存在層間黏結行為。加強層間黏結能促進提高路面層狀結構的連續(xù)性和耐久性，進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]。

對于級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，基層抗壓強度是其中的薄弱環(huán)節(jié)。采取調(diào)整級配碎石級配類型的方法盡量使級配碎石的CBR值增大，能夠有效地提高級配碎石柔性基層的強度，使基層回彈模量與面層回彈模量更趨于接近，增強路面結構的整體性，延長道路使用壽命。

4 結論

a）級配碎石柔性基層與半剛性基層瀝青路面都具有層狀結構體系，需要黏結層來提高路面的整體性。合理的級配類型能夠使級配碎石的強度得到充分的發(fā)揮運用，恰當?shù)募项愋陀欣诎雱傂曰鶎訌姸刃阅芎蛯娱g黏結行為二者的兼顧。

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

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，盡量彌補不足之處，根據(jù)實際應用對道路以后的發(fā)展有一定的指導意義。