一种适用于水泥稳定基层沥青路面的施工方法

罗 辉, 宋焕宇, 资建民, 贾霖璨

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074;2.平顶山市公路管理局, 河南 平顶山 467000)

沥青路面的反射裂缝破坏是一个世界性的难题[1～3]。目前国内外对沥青路面开裂这一技术难题尚未找到较好的解决办法，多是采取加厚沥青混凝土面层使用改性沥青和设置中间应力吸收层、基层预切缝等方法[4～6]，来延缓或减轻裂缝的产生。这些措施虽然在一定程度上可以减轻或推迟裂缝的产生，却不能彻底解决该问题，同时还带来另外一些问题：如使用改性沥青使工程造价大幅增加；加厚沥青混凝土面层，使其自身产生剪应力收缩裂缝以及车辙的可能性增加。

众所周知，一旦半刚性基层沥青路面的基层出现开裂，在行车荷载和环境荷载的作用下，在基层裂缝上方的沥青面层底部，由于应力集中，会产生较大的拉伸和剪切应力。在行车荷载和环境荷载的反复作用下，沥青路面会开裂，这种开裂由基层裂缝向上发展，最后到达表面，称之为反射裂缝。从反射裂缝的开裂机理可以看出，基层是否开裂对沥青面层的受力状态影响极大。

既然反射裂缝的根本原因是基层开裂，那么消除反射裂缝的最有效途径应该是消除基层裂缝。也就是说，如果没有基层开裂，则没有反射裂缝。但是常规施工方法很难消除基层开裂。常规施工方法，在铺筑完半刚性基层后，洒水养护7 d，浇透层油后再铺筑沥青面层。这种施工方法存在以下几种弊端：(1)时间跨度长，易受天气变化影响；(2)洒水养护基层，基层含水量变化较频繁，呈现忽干忽湿状态，容易造成细微的干缩丝裂；(3)基层养护期，基层暴露在外，受气温影响大(湿麻袋遮盖基本起不到保温作用)，易造成基层的温度裂缝；(4)养护过程中，在基层顶面容易造成污染，虽经洒布透层油，仍然会造成基、面层层间粘结隐患。

基于此，本文以全新的角度，结合理论研究成果，从路面施工技术工艺全过程着手进行研究，探索在一定控制条件下创新施工工艺，提出基、面层连续施工方法，即通过在基层中掺加一种抗裂缝剂，提高其抗干缩、温缩性能，同时推迟其初凝时间，在基层铺筑后初凝前，铺筑沥青面层。

1 基面层连续施工技术

连续施工技术的程序为：基层一次铺筑成型，连续铺筑沥青面层，取消基层养生期和透层油。如图1所示。

图1 连续施工技术流程

相对于传统施工工艺，连续施工技术的关键改变之一是面层施工和基层施工不得超过8 h，即面层必须在基层尚未终凝前铺筑，经振动碾压而嵌挤到基层一定深度。也就是说，基层的洒水养护环节被取消了，直接在基层铺筑后铺筑沥青面层。关键改变之二是取消了基层上透层油的浇注，由于面层施工后，面层骨料经振动碾压可嵌入尚未初凝的基层中，基、面层间相互嵌锁，接触表面交错，层间摩阻力大，相互渗入过程在胶凝材料水化开始时就发生了，一直延续至硬化板结，因而层间有良好的粘接效果，所以透层油可以省略。关键改变之三是开放交通的时间，传统工艺面层铺筑完成后即可开放交通，而连续施工方法，由于基层的养护环节取消了，所以基层在面层施工完成后(可以仅仅是沥青下面层)，基层的强度还没有发展到可开放交通的要求，所以必须在2～3 d后，基层强度达到要求才能开放交通。另外，连续施工的基层压实一般推荐采用20 t压路机采用1稳压6振动压实和1静压方式碾压，面层要求采用10 t压路机采用1稳压2振动压实和1静压方式碾压。这样，能够在骨料层面，尽量使得面层骨料和基层骨料相互嵌挤，增强层间接触状态。

一般俩说，连续施工的机械配备要求至少一台基层摊铺机、一台20 t基层压路机、一台沥青面层摊铺机和一台10 t面层压路机。施工作业面如图2所示。根据基层铺筑和面层铺筑的效率，可以调整增加基层或者面层摊、铺碾压机械，使得基层施工速度和面层施工速度基本一致，避免部分机械空闲怠工。

图2 连续施工作业面

对于沥青路面的基、面层连续施工，由于材料拌合、材料运输、交通安排等需要，在基层施工完毕后，很难马上进行面层的铺筑。基层如果初凝后再对其进行振动、碾压，则会破坏基层的完整性，使其承载力降低。为了保障基、面层连续施工不影响基层强度，要求基层在8 h内不能初凝(时间太短不利于施工组织安排)，而普通硅酸盐水泥一般在拌合2～4 h即初凝，不能满足连续施工方法的要求。因此，通过化工废料磷石膏发生火山灰反应生成具有膨胀性和增密性的道路用半刚性基层材料抗裂缝剂，将其掺加于半刚性基层材料中，提高半刚性基层材料的抗收缩性能，控制半刚性基层的开裂[7]；同时利用该抗裂缝的缓凝特性，实现半刚性基层沥青路面的基、面层连续施工，加强半刚性基层沥青路面各结构层的结合力。

2 试验路及检测分析

为了检验连续施工方法的有效性，铺筑了两条试验路段。其中一条采用连续施工方法，另外一条采用常规施工方法。二路段相连，因此交通量基本一致。路面结构为：AC-10沥青混凝土(2.5 cm)+ AC-16中粒式沥青混凝土(4.5 cm)+ 5.5%水泥稳定碎石(28.30 cm)+ 老路面(拉毛处理)。试验路施工温度为31℃，空气湿度为78°。试验路的检测主要是以连续施工技术与常规技术施工的沥青路面的湿度、强度、层间结合、裂缝率的试验及检测结果进行分析。

2.1 基层强度

铺筑1.5 d后，对试验路钻芯试件的检测表明(表1)，基层的抗压强度达2.5 MPa以上，相当于常温养生7 d的强度，达到了开放交通的要求。故连续施工方法施工路面，一般在面层施工完成2～3 d后开放交通。

表1 试验路早期钻芯取样强度

2.2 基、面层间粘结强度

对用不同施工工艺铺筑的半刚性基层沥青路面钻芯检测。在以常规方法施工的路段钻取芯样时基、面层脱落，不能得到完整的芯样试件，而且面层底有明显光滑界面。采用基、面层连续施工技术铺筑的路段，钻取芯样完好，而且基、面层相互嵌入，没有明显的界面，基、面层是一个整体，很难将其拉脱，见图3。对采用基、面层连续施工技术铺筑路段的芯样进行层间抗剪强度检测，结果见表2。由表2可见，此时基、面层层间的黏结强度高于0.43 MPa。

图3 芯样表明基、面层联接紧密

编号直径/mm破坏载荷/kN剪应力/MPa平均/MPa143.80.650.43248.70.650.43343.70.640.43435.70.800.790.52

2.3 裂缝对比

对采用常规施工工艺和基、面层连续施工工艺铺筑的路面开裂状况进行对比检测(见表3，4)，检测时间为道路铺筑后大约3年。按基、面层连续施工工艺铺筑的半刚性基层沥青路面，其横向裂缝率为1～4条/km。采用常规工艺铺装的相同结构的半刚性基层路面，其横向裂缝率为50～115条/km。这说明基、面层连续施工工艺可显著降低半刚性基层的横向裂缝，其横向裂缝率只有常规施工工艺的3%～8%。

表3 连续施工工艺施工试验路路面路用性能检测

表4 常规工艺施工试验路路面路用性能检测

由表3、表4可见，用水泥稳定碎石作基层的对比路段上，基、面层连续快速施工方法铺筑的路面，每公里平均仅有2条横向裂缝，且缝较窄，缝宽一般都为0.2～0.7 mm，主要是因温度引起的裂缝。而在常规方法施工的路段上，平均每公里横向裂缝多达20～150条，裂缝较宽，一般都在0.8 mm左右，且多贯通全断面，主要是因基层干缩引起的裂缝和基层分层铺筑结合不好造成的整体强度差所引起的荷载裂缝。另外，因试验路各结构层连续施工而使其整体强度较高，所以其弯沉值也普遍高于常规施工路段30%以上。

3 连续施工方法抗裂机理分析

试验路研究表明，连续施工方法可以提升路面的抗裂能力。常规施工方法的基层需要洒水养护，而连续施工方法在基层铺筑好后立即铺筑沥青面层。也就是说，没有洒水养生，基层的养护没有额外的水分补充。表5列出了连续施工方法，不同材料的基层在铺筑沥青面层不同天数的含水量变化情况。

表5 试验路基层含水量变化

表5说明，采用基、面层连续施工工艺铺筑的半刚性基层沥青路面，其基层含水量在一个月内都基本保持不变，变化幅度只有0.2%～1.5%。这样小的含水量变化范围，所造成的干缩也很小。另外，强度检测证明，基层强度不受影响，这说明采用连续施工方法，尽管没有外来水分补充，但是由于基层的水分不会蒸发(地基吸水很少，几乎可以忽略)，依然能够为基层水泥水化提供足够的水分来发展强度。

水泥稳定基层一般在高温季节中建成，成型初期内部含水量大，且未被沥青面层封闭。此时基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。实践证明，在压实的半刚性基层上及时铺筑覆盖沥青面层，基层养生从常规的忽干忽湿的洒水养生转换为沥青面层封闭养生，基层的水分不易蒸发散失，基层含水量变化很小，因此，按基、面层快速连续法施工，水泥稳定基层含水量变化很小，不会引起干缩裂缝。

同时基、面层连续快速施工法，由于热拌沥青混合料面层的铺筑，面层的热能会提高半刚性基层的温度，使得半刚性基层在高温下自然养生，半刚性基层强度可以迅速增长[8, 9]，克服了因基层强度增长较慢，其强度不足以克服温度变化产生的温差应力而导致基层开裂的问题。基层是否有裂缝，对于沥青面层底部的受力状况是大相径庭的。通过连续施工方法的施工的水泥稳定基层沥青路面，基层的开裂可能性极大地降低，这对于防止反射裂缝来说是极为有利的。

试验路研究显示，通过采用连续施工方法，沥青路面的基层和面层之间的粘结增强了。很多研究都显示，基层和面层之间的粘结增强可增强沥青路面的整体性，提升沥青路面的路用性能。分析其原因，良好的层间粘结可将路面各结构层很好地联系在一起，形成一个有机的整体，共同抵抗外部荷载作用。由于连续施工方法可以改善层间接触状态，因此，沥青路面达到相同程度的累积损伤如反射裂缝扩散到面层所需要作用的次数，相对于传统施工方法而言就越多，路面寿命增长。

另外，连续施工方法铺筑的沥青路面，因不容易遭受养护期间的降雨、污染等影响，基层质量更容易得到保证。而且，由于抗裂缝剂的掺入，基层自身的抗裂性能也得到了加强，因此，基层也为沥青面层提供了一个更好的支撑平台。

4 需要进一步研究的问题

尽管试验路显示连续施工方法能够极大地缓解沥青路面的反射裂缝病害，但是，仍然存在着一些需要进一步研究的问题。

试验路检测表明，连续施工方法施工的沥青路面基层存在压实度超百的问题。分析其原因，压实度超百主要原因是室内试验确定水泥稳定碎石混合料最大干密度、最佳含水量的重型击实试验方法及测定混合料无侧限抗压强度的试件成型方式与现场碾压方式不匹配。其次是由于碾压方式不合理造成的。试验路施工铺筑基层时，按照常规施工方法达到设计压实度。但是在基层初凝前铺筑面层，面层的铺筑碾压会对基层进一步压实，这也是造成压实度过大的原因之一。

鉴于此，一方面，可以采用振动成型骨架密实结构代替传统的实验室成型方法来进行半刚性基层混合料的设计。 骨架密实水泥稳定碎石基层具有优良的抗裂性已被大家接受，且经过了试验的验证。另一方面，通过优化铺筑压实方案，使得基层、面层同时达到设计压实度，保障基层、面层的施工质量，节约机具台班，减少资源消耗。尽管有很多室内压实方法或者设备能够研究沥青混合料的压实，但是这些设备很昂贵，而且压实过程比较费时，还容易受人员操作经验的影响。可通过离散元方法(DEM)模拟基、面层连续施工沥青路面施工的压实过程，实现压实方案的优化。

另外，基、面层连续施工工艺，改变了传统的沥青路面施工方法，基层和面层之间没有设置粘结层，但是层间粘结较常规施工方法好，其粘结机理如何，是什么原因使得在界面处产生了如此好的粘结，这些都是迫切需要解决的问题。以便在此基础上，研究进一步提高粘结的措施和施工控制方法。

5 结 语

本文通过对水泥稳定基层沥青路面的反射裂缝机理的分析，总结了常规施工方法的弊端，提出了一种针对水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工方法。试验路研究显示，水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工可有效降低沥青路面的反射裂缝病害。

对水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工方法的抗裂机理进行了分析。分析表明，水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工方法可以减少基层的开裂，保持基层的完整性，达到从源头消灭反射裂缝的目的。同时，由于面层的振动压实过程可以讲面层骨料嵌入未初凝的基层，因此可实现基层、面层相互嵌入，提高基层、面层的粘结强度，使得沥青路面成为一个有机整体，增强了沥青路面的抗开裂能力。

分析了水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工方法存在的需要进一步解决的问题，为后续的研究提供参考。

[1] Bennert T,Maher A.Field and laboratory evaluation of a reflective crack interlayer in New Jersey[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2008, 2084(1): 114-123.

[2] 黄志义, 王金昌, 朱向荣. 动荷载下含反射裂缝沥青路面结构黏弹性分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2007, 41(1): 114-119.

[3] Owusu-Antwi E B, Khazanovich L, Titus-Glover L. Mechanistic-based model for predicting reflective cracking in asphalt concrete-overlaid pavements[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 1998, 1629(1): 234-241.

[4] 苗英豪, 赵恩强, 王书云, 等. 土工织物延缓沥青路面疲劳型反射裂缝的有限元分析[J]. 北京工业大学学报, 2009, 35(6): 790-795

[5] Aglan H, Othman A, Figueroa L. Processing conditions—fracture toughness relationships of asphalt concrete mixtures[J]. Journal of Materials Science, 1994, 29(18): 4786-4792.

[6] Ren R, Li H, Wang Z. Analysis of Semi-Rigid Asphalt Pavement with Flexible Base as a Sandwich Layer[C]//Material Design, Construction, Maintenance, and Testing of Pavements@ sSelected Papers from the 2009 GeoHunan International Conference. ASCE, 2009: 155-162.

[7] 罗 辉, 朱宏平, 资建民, 等. 路用半刚性基层材料抗裂缝剂应用研究[J]. 建筑材料学报, 2011, 14(6): 787-792.

[8] 孙兆辉, 许志鸿, 刘志远, 等. 养生温度对水泥稳定碎石基层抗裂性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2006, (5): 9-13.

[9] 尹利华, 王晓谋, 张留俊, 等. 二灰砂砾高温快速养生试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(6): 1272-1277.