半刚性基层沥青路面反射裂缝性能及防治措施研究

何 铭

（广州市公路勘察设计有限公司,广东 广州 511430）

半刚性基层沥青路面是我国高等级公路主要的路面结构形式，能适应各类交通荷载等级的作用，表现出较好的承载能力和稳定性，广泛应用于各等级路面。半刚性基层通常是指无机结合料稳定性材料，通过水硬性胶结料将集料粘结在一起形成强度，并且结构致密，整体性好，能够将车辆荷载进行有效的分布和扩散，大大降低路基土顶面的压应力，减少路基变形对路面产生的不利影响。除此之外，半刚性基层的取材广泛，适应性强，具有良好的经济性。但半刚性材料自身固有的材料特性使得铺筑的半刚性基层很容易产生温缩和干缩裂缝，并且这种裂缝难以从材料组成和结构组合上进行根除，在气温低或养生不当时这种裂缝更为明显。因此，铺筑在半刚性基层上的沥青面层，虽然在结构受力上以压应力和剪应力为主，但在荷载作用下，基层的裂缝却容易在沥青层底面造成应力集中，使得面层由底部开始逐渐产生向上产生开裂，形成表面反射裂缝，破坏了沥青面层表面连续的界面，并且在遇到雨水下渗等情况时会导致基层产生浸泡和冲刷，形成唧浆和坑槽等病害。通过各种材料或结构等工程措施减缓反射裂缝的产生是延长半刚性沥青路面使用寿命的重要途径[1]。

1 半刚性基层开裂与结构分析

半刚性基层材料的开裂裂缝通常较细微，出现在纵横两方向，间距根据当地的气候和养生状况以2 ～3m 为主，裂缝表面交错，具有一定的传递荷载的能力。裂缝的产生不仅与其材料本身的配合比设计有关，与其结构性能的整体发挥和设计方法也密切相关。根据半刚性基层的材料成型特点，通常认为其为具有一定抗变形能力和结构承载力的整体，当由于材料本身在形成强度的过程中，干缩、温缩现象的产生，半刚性基层在使用过程中实际上成为一个具有一定宽度的离散板块模型，与设计计算时的整体状态并不相符，并且其整体性能的发挥主要取决于裂缝的密度和开裂宽度。在沥青路面结构设计方法中，通常以半刚性基层作为主要的承重层，以整体连续的状态承受交通荷载的反复作用，这就要求对半刚性基层的抗弯拉疲劳性能进行设计，而沥青层主要作为功能层看待。按此方法计算得到的半刚性基层厚度较大，因此必须要考虑通过对半刚性基层混合料进行合理的配合比设计、沥青面层的合理厚度取定、以及考虑采用应力吸收夹层等措施来控制和缓解反射裂缝[2]。

当半刚性基层的干缩、温缩裂缝在路面还未通车时就已经产生了，则此时基层的模量实际上已经产生了较大的衰减，抗拉能力与整体状态有着显著的差别。此时再进行结构设计时，沥青层底也承受着较大的弯拉应力，半刚性基层的裂缝会和沥青层底的疲劳裂缝一起出现在表面，沥青路面结构层处于更不利的荷载和环境状态。

对于处于弯拉状态的半刚性基层而言，其破坏通常由于疲劳作用而产生，因此基层自身强度高、承载力强等对于受压状态有利的性能往往由于模量太大反而对路面弯拉性能的发挥起到不利的作用。当结构层需要发生变形时，由于外界的约束和自身模量可能会导致较大的干缩、温缩裂缝，从而使得沥青面层产生反射裂缝。

2 防反射裂缝措施

2.1 调整半刚性基层配合比设计

无机结合料稳定集料的关键是利用无机结合料的粘结性达到稳定碎石的目的，使得松散的集料整体性增强，抗变形能力得到提升，而并不是要依靠水泥的胶凝作用达到比较高的强度，因此半刚性基层的配合比应该适合其层位的特点，从级配和水泥用量两方面进行材料设计。通常材料的极限拉伸应变越小，越容易开裂。调整半刚性基层的矿料级配，适当增加粗集料用量，使其达到85%，尽量减少细粉含量，降低比表面积可以提升材料的变形能力。以7d 饱水抗压强度作为配合比设计的强度指标，通常以3 ～4MPa 为宜，通常采取合理的水泥剂量使得强度处于该范围，并且要严格限制强度值不能过大，以免形成严重开裂，大量试验和研究表明水泥稳定砂砾的最佳水泥用量为5%。

根据半刚性基层材料的特性，干缩产生的裂缝往往比温缩严重，因此必须通过加强合理养生、保湿覆盖等措施进行改善，降低材料的干缩和温缩系数。

2.2 增设应力扩散层和级配碎石层

通过在沥青层底部与半刚性基层顶面之间设置一层柔性高、疲劳性能好的隔离层或抗拉性能好的土工材料能有效隔绝面层与基层之间的直接接触，使得基层的裂缝所产生的应力集中能在隔离层上得到消散或缓解，实践证明该方法能延长半刚性材料裂缝反射到面层的时间，提高路面使用性能。应力扩散层通过合理的配合比设计，采取较多的细集料和高沥青用量，通常达到8% ～10%，设计成一种厚度约为2cm 的沥青砂，如AC-10。工程上也可以通过改变沥青胶结料的柔韧性进行改性材料，如通过利用橡胶的高弹性性能设置一层橡胶改性沥青应力吸收层，通过该层对变形的适应性消散应力。在地基状况较差的路段设置级配碎石层，厚度通常为10 ～15cm 通过松散材料没有抗拉强度的特性将基层顶面裂缝处的应力集中消散，充分吸收半刚性基层表面裂缝释放的应变能，但由于级配碎石的模量较低，荷载传递时会在沥青层底部形成较大的弯拉应力，因此在结构设计中应注意验算沥青层的疲劳强度，适当增加沥青层厚。除此之外，也可以通过适当增加沥青层厚度来减缓温缩裂缝的产生以及沥青层底的弯拉应力，达到缓解反射裂缝的作用。

2.3 增设土工措施层

土工布和土工格栅利用其高抗拉强度在水平方向上能承受很大的拉应力，并且由于其厚度较薄，通常厚度为0.5 ～5mm，在竖向的刚度较小，对反射裂缝的阻断和沥青层材料开裂的约束具有明显的效果，并且施工变异性小，材料性能有保障，应用广泛，是常见的防反射裂缝的措施。

适当增大沥青层的厚度对于防止基层反射裂缝向上传递具有明显的效果，研究表明，沥青层的厚度不宜小于15cm。但我国大量工程实践中沥青层厚度达到18cm，却仍然无法避免反射裂缝的产生，这主要与我国建设理念、检测标准和施工方式有关。我国长期以来以弯沉值作为路面施工质量的最重要承载能力检验指标，并认为半刚性基层材料的高强度有利于达到该指标，因此，在进行基层施工时，水泥剂量通常比较多，造成半刚性基层的强度比设计强度要高很多，而甚至在施工期间就由于刚度太大发生开裂，使得面层底部在运营初期就形成了集中应力[3]。另外，施工时沥青面层通常由于混合料拌合摊铺对气温要求高，而且工程量太大，不得不跨冬季施工，在年后进行上面层摊铺时往往在中面层已经出现了发射裂缝，最后再逐步传递到上面层。

3 结语

通过半刚性基层开裂特点和结构层分析，要求基层的刚度处于适合的范围以降低温缩和干缩现象，在配合比设计时就应当适当降低无机结合料，如水泥的用量，或面层和基层都具有适宜的厚度，通过结构强度来抵抗集中应力。当基层配合比和厚度都确定后，还可以通过在基层和面层之间增设高柔性的应力吸收层、无抗拉强度的松散级配碎石或抗拉能力强的土工格栅材料等措施来缓解或消除反射裂缝的产生。研究为我国公路和城市道路建设中深入理解半刚性沥青路面的材料和结构性能、反射裂缝的特点和防治措施提供设计思路。