半柔性路面基层在干线公路中的应用研究

余 晖，郑炳锋

（1. 江苏省扬州市公路管理处，江苏 扬州 225007；2. 苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

1 概述

我国公路大量采用半刚性基层沥青路面，传统的半刚性基层材料，由于其悬浮密实型结构和较高的水泥含量，在交通荷载、环境以及水泥稳定材料自身干缩和温缩等因素的多重作用下，出现了较为严重的开裂病害，并且反射到路面，造成路面结构的破坏。采用半柔性路面基层技术，对于提高路面基层的抗裂性能、力学性能，减薄沥青路面基层厚度、提升沥青路面耐久性、丰富和完善我国沥青路面结构型式具有重要意义和推广价值[1-5]。

半柔性路面基层通常采用乳化沥青、泡沫沥青、水泥等粘结材料与集料、水拌和、碾压、成型。泡沫沥青稳定材料性能受沥青发泡设备的影响较大，因此，本文采用乳化沥青-水泥稳定碎石半柔性基层，开展乳化沥青-水泥稳定碎石混合料设计、性能试验、半柔性基层路面结构力学分析、干线公路半柔性路面基层施工等方面的研究。乳化沥青-水泥稳定碎石混合料路面基层技术可减少沥青路面反射裂缝的产生和后期维修频率，同时减少因维修而产生的交通延误，保证路面行驶质量，促进江苏省公路建设水平不断进步，具有很好的直接和间接社会效益[6-10]。

2 乳化沥青-水泥稳定碎石混合料设计

2.1 原材料检测

试验所用的原材料包括集料、水泥、普通乳化沥青。本次试验所用的水泥为高邮八桥水泥厂生产的P.O 42.5水泥，1#、2#集料为山东枣庄生产，3#集料为安徽天长生产，集料、水泥的试验结果见表1～表3。普通乳化沥青的各项性能指标见表4。检测结果显示，乳化沥青的各项性能指标满足乳化沥青-水泥稳定碎石施工技术要求。

2.2 矿料级配设计

在试配的基础上初选一组级配进行试验，具体结果及级配范围要求见图1。1#样品∶2#样品∶3#样品=35%∶34%∶31%。

表1 集料试验结果

表2 水泥试验结果

表3 集料筛分试验结果

表4 普通乳化沥青性能指标

图1 级配曲线图

2.3 振动压实法确定最佳含水量

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》T0842的方法，对混合料进行振动压实试验，确定最佳含水量。试验时拟定乳化沥青掺量为3.0%，变化含水量，采用3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%5个含水量进行振动压实试验。干密度与实际含水量的关系曲线见图2，图中最大干密度对应的含水量即为最佳含水量OWC。试验结果可得，振动压实法确定的级配的最佳含水量OWC为4.4%。

2.4 最佳乳化沥青用量的确定

在上述振动压实法确定的最佳含水量的基础上，进一步结合空隙率、15 ℃劈裂强度试验等确定相应的最佳乳化沥青用量。试件成型方法为马歇尔击实法，双面各75次。密度试验和15 ℃劈裂强度试验结果见表5和图3。

图2 振动压实法确定最佳含水量

表5 密度测试结果

图3 乳化沥青用量-劈裂强度曲线

由表5和图3的试验结果可判定设计级配所对应的最佳乳化沥青用量为3.2%（外掺）。采用最佳乳化沥青用量、最佳含水量进行马歇尔击实试验，试验结果见表6。

在最佳乳化沥青用量及最佳含水量时，混合料15 ℃干劈强度为0.532 6 MPa，15 ℃浸水劈裂强度为0.411 0 MPa，满足乳化沥青-水泥稳定碎石混合料设计所要求劈裂强度不小于0.5 MPa的强度指标。试件空隙率为10.4%，满足乳化沥青-水泥稳定碎石混合料9%～12%设计要求。

以上试验分析表明初选设计级配是可行的，配合比为1#样品∶2#样品∶3#样品=35.0%∶34.0%∶31.0%，水泥用量为2.5%，乳化沥青用量为3.2%、最佳含水量为4.4%（水泥、乳化沥青和水均为外掺）。

表6 最佳乳化沥青用量及最佳含水量试验结果

2.5 乳化沥青-水泥稳定碎石混合料检验

对采用设计级配、最佳乳化沥青用量和最佳含水量成型的混合料试件进行冻融劈裂试验以检验乳化沥青-水泥稳定碎石混合料的水稳定性能。冻融劈裂试验结果见表7，满足要求。

3 乳化沥青-水泥稳定碎石混合料性能试验

3.1 无侧限抗压强度

乳化沥青用量取3.2%，振动压实法成型混合料7 d无侧限抗压强度试验结果见表8，其抗压强度代表值均大于3.5 MPa，满足路面基层的强度要求。

表7 冻融劈裂试验结果

表8 7 d无侧限抗压强度试验结果

3.2 抗压回弹模量

20 ℃乳化沥青-水泥稳定碎石基层的抗压回弹模量在800 MPa左右（见表9），相当于半刚性基层抗压回弹模量的50%～60%，而抗压强度能够满足要求，说明乳化沥青-水泥稳定碎石基层既具有路面基层需要满足的强度，又具有更好的柔度。

表9 20 ℃抗压回弹模量试验结果 MPa

3.3 高温性能

乳化沥青-水泥稳定碎石混合料车辙试验结果见表10，动稳定度超过15 000次/mm，远远超过热拌沥青混合料。乳化沥青-水泥稳定碎石中水泥的水化产物与沥青膜的相互交织形成一种空间立体网络结构，裹覆在矿料周围，将矿料紧密地结合在一起。既保证了混合料具有足够的强度，又防止了高温情况下沥青软化时混合料过大的变形。由此可见，乳化沥青-水泥稳定碎石混合料具有优异的高温稳定性。

表10 车辙试验结果

3.4 低温抗裂性能

低温弯曲试验是国内常用的一种沥青混合料低温抗裂性评价方法，通过测定规定温度和加载速率得到的弯曲破坏时的力学特性来评价沥青混合料的抗拉能力与低温抗裂性能。本文采用-10 ℃时的小梁弯曲试验评价乳化沥青-水泥稳定碎石混合料的低温抗裂性能。试验结果见表11。

表11 -10 ℃小梁弯曲试验结果

乳化沥青-水泥稳定碎石混合料在具有优异的高温稳定性的同时，保留了沥青混合料的部分柔性，其最大弯拉应变仍达到3 057.6。水泥的加入使乳化沥青-水泥稳定碎石混合料的脆性增加，但水泥作为胶结料起着辅助提高强度的作用，占主导作用的胶结料仍是沥青材料。既有优异的高温性能，又保留较好的低温柔性，这正是半柔性基层的一个重要特点。

3.5 疲劳性能

采用英国Cooper公司生产的气动伺服诺丁汉沥青胶结料试验仪NU-14进行试验。试件经静压成型后切割至长（380±6）mm、宽（63±6）mm、高（50±6）mm的小梁。试件制作完毕后在环境箱中放置6 h以上，使试件各部分达到恒定的温度，本次小梁疲劳试验在（20±1）℃的温度下进行。试验结果见表12。

沥青用量3%，水泥用量2%，200 με条件下，乳化沥青-水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命达到32 300次。乳化沥青-水泥稳定碎石混合料在低应变水平下，有良好的抗疲劳性能，而应变水平增加后，疲劳寿命迅速降低。

表12 乳化沥青-水泥稳定碎石混合料疲劳次数试验结果

4 半柔性基层路面结构力学分析

4.1 半柔性基层对路面结构受力状态的影响

为分析半柔性基层对路面抗反射裂缝能力的影响，选择基层厚度16 cm、模量3 000 MPa进行竖向剪应力计算，与相同结构的半刚性基层进行比较，结果见图4。半柔性基层代替半刚性基层，能降低路面基层层底的拉应力，有利于减轻基层疲劳开裂，提高路面的抗反射裂缝的能力。

图4 路面结构竖向剪应力计算结果

4.2 半柔性基层模量变化对路面结构受力状态的影响

两层半柔性基层厚度分别为16 cm，计算半柔性基层模量为700 MPa、800 MPa、900 MPa、1 000 MPa、1 100 MPa时的路表弯沉、层底拉应力及竖向剪应力。计算结果见图5～图7。结果表明：路面弯沉值随着基层的模量增大而减小，基层层底拉应力随着模量的增大而增大，沥青层间剪应力随着模量的增大而增大，可见适当降低路面基层的模量有利于防止反射裂缝的产生，提高疲劳路面结构的疲劳性能和抗车辙、抗剪切破坏性能，但是模量过小又会导致路面承载力不足。

4.3 半柔性基层厚度变化对路面结构受力状态的影响

改变半柔性基层的厚度，研究半柔性基层厚度变化对结构层受力状态的影响。半柔性基层的厚度取值分别为6 cm、10 cm、15 cm和20 cm，计算结果见图8～图10。结果表明，路表弯沉、基层层底拉应力、竖向剪应力都随着半柔性基层厚度的增大而减小，因此适当地增大半柔性基层厚度可提高路面抵抗荷载破坏的能力。

图5 弯沉随模量的变化

图6 层底拉应力随模量的变化

图7 剪应力随模量的变

图8 弯沉随基层厚度的变化

图9 层底弯拉应力随基层厚度的变化

图10 剪应力随厚度的变化

5 乳化沥青-水泥稳定碎石路面基层施工

2013-11，依托237省道高邮段改扩建工程开展了乳化沥青-水泥稳定碎石半柔性路面基层试验段铺筑。试验段采用5台压实机械，包括1台YZC13C型双钢轮振动压路机用于初压，2台22J型单钢轮压路机用于复压，2台XP302型胶轮压路机用于终压。试验段采用双钢轮初压+单钢轮复压+胶轮终压的碾压组合方案，具体碾压组合方案见表13。现场碾压的整体情况较好，无明显推移、波浪、离析现象。

表13 施工碾压方案

试验段养生5 d的现场取芯检测表明，乳化沥青-水泥稳定碎石基层成型良好，芯样较完整，无侧限抗压强度4.4 MPa。试验路通车约半年后，乳化沥青-水泥稳定碎石基层试验路全程路表外观良好，未见破损病害。

6 结语

（1）提出了乳化沥青-水泥稳定碎石混合料，采用最大公称粒径为31.5 mm集料，合成级配为骨架嵌挤级配，采用振动压实法确定最佳含水量、干湿劈裂强度确定最佳乳化沥青用量的设计方法。在最佳乳化沥青用量3.2%及最佳含水量4.4%时，乳化沥青-水泥稳定碎石混合料强度及空隙率满足设计要求。

（2）对乳化沥青-水泥稳定碎石混合料性能进行综合试验研究，振动成型抗压强度大于3.5 MPa，满足路面基层的强度要求。20 ℃抗压回弹模量约800 MPa，具有一定的柔度。动稳定度超过15 000次/mm，具有优异的高温稳定性。低温弯曲试验表明最大弯拉应变达到3 057.6，具有较好的低温柔性，在低应变水平下，有非常良好的疲劳性能。

（3）乳化沥青-水泥稳定碎石基层代替半刚性基层，能降低路面的最大竖向剪应力，有利于提高路面的抗裂能力。路表弯沉、层底拉应力、竖向剪应力都随着乳化沥青-水泥稳定碎石基层厚度的增大而减小，适当地增大半柔性基层厚度可提高路面抵抗荷载破坏的能力。

（4）半柔性路面基层试验路应用表明，乳化沥青-水泥稳定碎石混合料具有均匀性好、易压实的特点。

[1]Technical Guideline：Bitumen Stabilised Materials，A Guideline for the Design and Construction of Bitumen Emulsion and Foamed Bitumen Stabilised Materials. Asphalt Academy， 2009.

[2]Twagira M E，Jenkins J K. Durability Properties of Materials and Mixture Composition of Bitumen Stabilized Materials[J].Journal of Wuhan University of Technology，2010，17.

[3] 丁武洋，刘强，吴旻.乳化沥青厂拌冷再生混合料关键技术研究及应用[J].中外公路， 2012（5）：216-219.

[4]严金海，倪富健，杨美坤.乳化沥青冷再生混合料的间接拉伸疲劳性能[J]. 建筑材料学报，2011（1）：58-61.

[5]王宏，郝培文，南兵章.乳化沥青冷再生混合料高温稳定性研究[J].公路工程，2013（4）：191-192.

[6]蒋丽伟.乳化沥青水泥稳定级配碎石路用性能试验研究[J]. 四川建筑科学研究，2013（3）：222-223.

[7]俞韶秋.水泥-乳化沥青冷再生混合料水稳性的研究[J].中外公路，2013（1）：249-250.

[8]侯彦明，李国芬，李志刚，等.水泥乳化沥青稳定碎石混合料干缩性能试验研究[J]. 公路，2010（10）：107-108.

[9]李志刚，邓小勇. 水泥乳化沥青稳定碎石基层收缩特性[J].解放军理工大学学报，2008（2）：177-179.

[10]杜少文.水泥乳化沥青再生水泥稳定碎石基层材料研究[J].公路，2012（7）：250-251.