沥青路面柔性基层与半刚性基层的优化组合研究

吴广文

摘要:半刚性基层具有许多优点的同时,存在排水不良、反射裂缝等不足;而柔性基层则反之。通过改革柔性基层传统的材料与工艺,实现柔性与半刚性基层的优化组合。从重交通对沥青路面使用性能相互矛盾的要求,通过提高柔性基层质量,提高柔性基层的模量,以减少沥青路面的疲劳裂缝,实现柔性基层与半刚性基层的优化组合。

关键词:柔性基层;半刚性基层;级配碎石

1前言

半刚性基层具有良好的强度、刚度与稳定性,且造价较低,因此,半个世纪以来在我国得到广泛的应用。随着交通需求,大量的工程应用与研究发现半刚性基层也存在着一些不足。正是半刚性基层密实而刚度大,所引发出的横向收缩裂缝、反射裂缝、路面内滞水与基层表面冲刷、唧泥的路面病害。

针对上述不足特别是抗裂性,国内进行研究较多。但是密实作为半刚性基层固有的特性,不利于防止当水渗入时沥青面层的水损害,而柔性基层则反之。通过室内试验、理论分析以及现场试验路的修建与观测,针对现有高等级公路半刚性基层沥青路面存在反射裂缝与唧泥、水损害等的不足,在振动压实工艺与紧排骨架--密实组成结构相结合的柔性基层基础上,实现柔性基层与半刚性基层优化结构组合是一个有效的技术途径。

2我国目前半刚性基层的应用分析

为适应我国高等级公路建设的需要,我国通过“七五”~“八五”期间大量的研究,在半刚性基层沥青路面研究的应用方面取得了举世瞩目的成就。半刚性基层较高的强度、承载力和使用性能,为实现“强基薄面”的结构提供了可靠保证,为公路建设与经济发展起到了很大作用。半刚性基层由稳定细粒土发展为稳定集料,无疑是筑路技术的一大进步,其优点主要表现在以下方面:

具有较高的抗压强度和抗弯拉强度,而且具有随龄期增加强度不断增长的特性,具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力,适应重交通发展的要求。采用半刚性材料,特别是厚层的半刚性材料,可使路面具有很高的承载力。

具有较大的刚度,使得沥青面层弯拉应力值较小,减少了沥青面层厚度,降低了路面造价,具有较好的经济性。

具有一定的水稳性和冰冻稳定性。由于半刚性基层具有以上特点,通过对国内已建高等级公路的使用调查发现,半刚性沥青路面的裂缝,无论是非冰冻地区的南方,还是季节性冰冻地区的北方,在通车1-2年后均出现不同程度的裂缝,且随着时间的增长,这种裂缝还将增加和扩大。裂缝产生的原因不能说只是沥青面层温缩的结果,半刚性基层的反射裂缝也不容忽视。大量裂缝的存在必然会降低路面的使用性能,例如,使裂缝处弯沉增大从而加速面层弯曲破坏,同时因裂缝使半刚性基层弹性模量降低,进而影响了路面结构的整体强度。

由于沥青路面面层有许多裂缝和一定的孔隙率,特别是裂缝下渗的雨水和雪水滞留在沥青混合料结构层内,当雨水渗入路面内,雪水、雨水可能沿面层裂缝下渗软化基层,降低承载力,同时半刚性基层路面排水差,密实性结构的半刚性基层,使通过路面裂缝下渗的水份滞留在基层顶面,无法排出,受水浸蚀及动水压力作用,将降低沥青与石料的粘附性和沥青混合料的耐久性,使路面产生剥落、松散、坑槽、泛油、车辙等病害,影响路面的强度;同时如水分进入基层表面,使基层材料过份潮湿,在行车荷载作用下,路面结构层内或基层材料中的水分会产生相当大的动水压力,冲刷基层材料中的细料,在行车荷载反复作用下,细料浆被逐渐挤出裂缝,形成沥青路面的唧浆现象,导致路面进一步损坏,特别是季节性冰冻区在冻胀和冻融的反复作用下,对面层和基层产生破坏的作用,最终导致基层丧失支撑及与面层的联结,从而使沥青面层出现网裂等破坏,使路面损坏加剧,使用寿命缩短。

3沥青路柔性基层(级配碎石)设计参数

3.1 目前国内外路面设计参数概况

粒状材料在交通荷载作用下表现出非线性和依赖于时间的弹塑性特性,为了表述这种非线性特征,通常用回弹模量表达。传统的柔性基层通常是设置于土基或其它柔性基层上,其弹性模量一般较低,美国沥青协会(AI)设计法中规定粒料基层棤一般采用100~350Mpa,并控制基层模量与路基模量之比在2~4之间。

前苏联《柔性路面设计须知》中推荐嵌挤型碎石弹性模量,1~3级配碎石350~450Mpa,1~4级普通碎石为200~250Mpa,级配碎石为150~250Mpa。

我国《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)中提出:级配碎石可作任何等级公路的基层,并给出抗压模量,抗压模量一般在200~350Mpa范围内,当交通量较大时,级配碎石不宜作基层,或不能作为承重层,否则需加大沥青的厚度。

为了解级配碎石的强度变化规律,本文对级配碎石的回弹模量设计参数作了重点研究。

3.2 级配碎石回弹模量的测定

本课题分别在辽源试验路、通化试验路对级配碎石基层进行了承载板试验共完成25个点的承载板测定。

辽源试验路测定的数据在570MPa-690Mpa;由通化试验路测定的结果看,级配碎石的弹性模量在290Mpa-1710Mpa,平均值在600MPa-950Mpa,但变异系数较大,主要是在施工程中,受降雨的影响;级配碎石材料具有较显著的非线性,这种非线性使其在刚性较大的下卧层上,表现出较大的回弹模量,通过室内试验和试验路测定,级配碎石的弹性模量可通过级配的调整、施工工艺等方法,在一定组合(其下有较好的半刚性基层),其弹性模量可达到400Mpa-500Mpa。从而亦具有足够的抵抗应力及变形能力,最终使得级配碎石头作为上基层不仅具有减缓半刚性沥青路面反射裂缝的作用,同时也具有足够的抗疲劳能力。

3.3级配碎石弹性模量建议值

规范JTJ014-97表D2提出符合级配要求的级配碎石上基层,抗压模量取值300~350Mpa。本文建议保留这一取值的基础上增加一个档次400~500Mpa,以供设计选择。选用400~500Mpa的条件如下:

空隙率为20±3%条件下级配符合紧排骨架--密实原则的同时,现场有包括装备与施工技术两方面在内的较高的压实工艺水平,达到振动压实标准的0.98。

级配碎石为上基层,应有强度较高的以稳定粒料为主的半刚性底基层。

4 柔性基层与半刚性基层的优化组合

由于柔性基层具有较大的变形,其自身的破坏主要在反复荷载作用下,当累计残余变形达到一定值,路面会产生沉陷或车辙,这种残余变形是路基和其结构层发生塑性变形的综合反映,它不仅同荷载大小、作用次数、应力水平、应力历史、密实度、级配的性质等方面有关。故传统的级配碎石由于主要应用在底基层,而受各种影响因素,其强度较低,路面破坏往往表现在变形量过大而影响整体强度。

如将柔性基层设置在刚度较大的半刚性基层之上,由于半刚性基层的变形较小,对柔性基层的变形起到了约束作用,同时通过级配的调整、施工工艺的提高等,使其强度参数得以较大的增加,则路面结构的应力分布、受力等与传统的柔性基层结构受力状态有所不同,故可通过柔性基层与半刚性基层的优化组合,提高路面的使用性能,减少路面的早期病害。

5 结束语

柔性基层与半刚性基层优化组合的路面结构仍然体现了强基、薄面的设计思想。首先,振动压路机的普遍使用与控制技术的发展,为提高级配碎石工程质量创造了条件;其次,由于沥青材料的供应与施工设备已发生了重大的变化,更由于高速、重载交通对路面结构化使用性能与功能性使用性能的全面要求,用沥青修筑基层的技术-经济条件已经具备,因此在富于半刚性基层沥青路面结构建设与使用经验基础上,发展两种基层结构优化组合是技术进步的必然,并有必要加快完善和系统配套。

参考文献

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