半剛性基層瀝青路面反射裂縫性能及防治措施研究

何 銘

（廣州市公路勘察設計有限公司,廣東 廣州 511430）

半剛性基層瀝青路面是我國高等級公路主要的路面結構形式，能適應各類交通荷載等級的作用，表現(xiàn)出較好的承載能力和穩(wěn)定性，廣泛應用于各等級路面。半剛性基層通常是指無機結合料穩(wěn)定性材料，通過水硬性膠結料將集料粘結在一起形成強度，并且結構致密，整體性好，能夠將車輛荷載進行有效的分布和擴散，大大降低路基土頂面的壓應力，減少路基變形對路面產生的不利影響。除此之外，半剛性基層的取材廣泛，適應性強，具有良好的經濟性。但半剛性材料自身固有的材料特性使得鋪筑的半剛性基層很容易產生溫縮和干縮裂縫，并且這種裂縫難以從材料組成和結構組合上進行根除，在氣溫低或養(yǎng)生不當時這種裂縫更為明顯。因此，鋪筑在半剛性基層上的瀝青面層，雖然在結構受力上以壓應力和剪應力為主，但在荷載作用下，基層的裂縫卻容易在瀝青層底面造成應力集中，使得面層由底部開始逐漸產生向上產生開裂，形成表面反射裂縫，破壞了瀝青面層表面連續(xù)的界面，并且在遇到雨水下滲等情況時會導致基層產生浸泡和沖刷，形成唧漿和坑槽等病害。通過各種材料或結構等工程措施減緩反射裂縫的產生是延長半剛性瀝青路面使用壽命的重要途徑[1]。

1 半剛性基層開裂與結構分析

半剛性基層材料的開裂裂縫通常較細微，出現(xiàn)在縱橫兩方向，間距根據當?shù)氐臍夂蚝宛B(yǎng)生狀況以2 ～3m 為主，裂縫表面交錯，具有一定的傳遞荷載的能力。裂縫的產生不僅與其材料本身的配合比設計有關，與其結構性能的整體發(fā)揮和設計方法也密切相關。根據半剛性基層的材料成型特點，通常認為其為具有一定抗變形能力和結構承載力的整體，當由于材料本身在形成強度的過程中，干縮、溫縮現(xiàn)象的產生，半剛性基層在使用過程中實際上成為一個具有一定寬度的離散板塊模型，與設計計算時的整體狀態(tài)并不相符，并且其整體性能的發(fā)揮主要取決于裂縫的密度和開裂寬度。在瀝青路面結構設計方法中，通常以半剛性基層作為主要的承重層，以整體連續(xù)的狀態(tài)承受交通荷載的反復作用，這就要求對半剛性基層的抗彎拉疲勞性能進行設計，而瀝青層主要作為功能層看待。按此方法計算得到的半剛性基層厚度較大，因此必須要考慮通過對半剛性基層混合料進行合理的配合比設計、瀝青面層的合理厚度取定、以及考慮采用應力吸收夾層等措施來控制和緩解反射裂縫[2]。

當半剛性基層的干縮、溫縮裂縫在路面還未通車時就已經產生了，則此時基層的模量實際上已經產生了較大的衰減，抗拉能力與整體狀態(tài)有著顯著的差別。此時再進行結構設計時，瀝青層底也承受著較大的彎拉應力，半剛性基層的裂縫會和瀝青層底的疲勞裂縫一起出現(xiàn)在表面，瀝青路面結構層處于更不利的荷載和環(huán)境狀態(tài)。

對于處于彎拉狀態(tài)的半剛性基層而言，其破壞通常由于疲勞作用而產生，因此基層自身強度高、承載力強等對于受壓狀態(tài)有利的性能往往由于模量太大反而對路面彎拉性能的發(fā)揮起到不利的作用。當結構層需要發(fā)生變形時，由于外界的約束和自身模量可能會導致較大的干縮、溫縮裂縫，從而使得瀝青面層產生反射裂縫。

2 防反射裂縫措施

2.1 調整半剛性基層配合比設計

無機結合料穩(wěn)定集料的關鍵是利用無機結合料的粘結性達到穩(wěn)定碎石的目的，使得松散的集料整體性增強，抗變形能力得到提升，而并不是要依靠水泥的膠凝作用達到比較高的強度，因此半剛性基層的配合比應該適合其層位的特點，從級配和水泥用量兩方面進行材料設計。通常材料的極限拉伸應變越小，越容易開裂。調整半剛性基層的礦料級配，適當增加粗集料用量，使其達到85%，盡量減少細粉含量，降低比表面積可以提升材料的變形能力。以7d 飽水抗壓強度作為配合比設計的強度指標，通常以3 ～4MPa 為宜，通常采取合理的水泥劑量使得強度處于該范圍，并且要嚴格限制強度值不能過大，以免形成嚴重開裂，大量試驗和研究表明水泥穩(wěn)定砂礫的最佳水泥用量為5%。

根據半剛性基層材料的特性，干縮產生的裂縫往往比溫縮嚴重，因此必須通過加強合理養(yǎng)生、保濕覆蓋等措施進行改善，降低材料的干縮和溫縮系數(shù)。

2.2 增設應力擴散層和級配碎石層

通過在瀝青層底部與半剛性基層頂面之間設置一層柔性高、疲勞性能好的隔離層或抗拉性能好的土工材料能有效隔絕面層與基層之間的直接接觸，使得基層的裂縫所產生的應力集中能在隔離層上得到消散或緩解，實踐證明該方法能延長半剛性材料裂縫反射到面層的時間，提高路面使用性能。應力擴散層通過合理的配合比設計，采取較多的細集料和高瀝青用量，通常達到8% ～10%，設計成一種厚度約為2cm 的瀝青砂，如AC-10。工程上也可以通過改變?yōu)r青膠結料的柔韌性進行改性材料，如通過利用橡膠的高彈性性能設置一層橡膠改性瀝青應力吸收層，通過該層對變形的適應性消散應力。在地基狀況較差的路段設置級配碎石層，厚度通常為10 ～15cm 通過松散材料沒有抗拉強度的特性將基層頂面裂縫處的應力集中消散，充分吸收半剛性基層表面裂縫釋放的應變能，但由于級配碎石的模量較低，荷載傳遞時會在瀝青層底部形成較大的彎拉應力，因此在結構設計中應注意驗算瀝青層的疲勞強度，適當增加瀝青層厚。除此之外，也可以通過適當增加瀝青層厚度來減緩溫縮裂縫的產生以及瀝青層底的彎拉應力，達到緩解反射裂縫的作用。

2.3 增設土工措施層

土工布和土工格柵利用其高抗拉強度在水平方向上能承受很大的拉應力，并且由于其厚度較薄，通常厚度為0.5 ～5mm，在豎向的剛度較小，對反射裂縫的阻斷和瀝青層材料開裂的約束具有明顯的效果，并且施工變異性小，材料性能有保障，應用廣泛，是常見的防反射裂縫的措施。

適當增大瀝青層的厚度對于防止基層反射裂縫向上傳遞具有明顯的效果，研究表明，瀝青層的厚度不宜小于15cm。但我國大量工程實踐中瀝青層厚度達到18cm，卻仍然無法避免反射裂縫的產生，這主要與我國建設理念、檢測標準和施工方式有關。我國長期以來以彎沉值作為路面施工質量的最重要承載能力檢驗指標，并認為半剛性基層材料的高強度有利于達到該指標，因此，在進行基層施工時，水泥劑量通常比較多，造成半剛性基層的強度比設計強度要高很多，而甚至在施工期間就由于剛度太大發(fā)生開裂，使得面層底部在運營初期就形成了集中應力[3]。另外，施工時瀝青面層通常由于混合料拌合攤鋪對氣溫要求高，而且工程量太大，不得不跨冬季施工，在年后進行上面層攤鋪時往往在中面層已經出現(xiàn)了發(fā)射裂縫，最后再逐步傳遞到上面層。

3 結語

通過半剛性基層開裂特點和結構層分析，要求基層的剛度處于適合的范圍以降低溫縮和干縮現(xiàn)象，在配合比設計時就應當適當降低無機結合料，如水泥的用量，或面層和基層都具有適宜的厚度，通過結構強度來抵抗集中應力。當基層配合比和厚度都確定后，還可以通過在基層和面層之間增設高柔性的應力吸收層、無抗拉強度的松散級配碎石或抗拉能力強的土工格柵材料等措施來緩解或消除反射裂縫的產生。研究為我國公路和城市道路建設中深入理解半剛性瀝青路面的材料和結構性能、反射裂縫的特點和防治措施提供設計思路。