半刚性基层路用性能的影响因素分析及应用前景探讨

郭 福 乔卫华

山东城市建设职业学院 市政与环境工程系 山东 济南 250103

1 引言

道路基层是指直接位于路基（或垫层）表面以上、沥青路面层以下，用高质量材料填筑的主要承重层，或直接位于路基（或垫层）表面以上、水泥混凝土路面以下，用高质量材料铺筑的结构层[1]。其材料与质量的好坏直接影响路面的质量、路用性能和使用寿命。从目前国内外道路工程实践来看，高等级道路如高速路、一级路或城市快速路、主干路的路面结构基层材料的应用从力学行为上来分基本上不外乎以下三种：即刚性基层材料如贫混凝土、碾压混凝土；柔性基层材料如沥青混凝土、沥青稳定碎石或级配粒料；半刚性基层材料即无机结合料稳定材料如石灰稳定土、水泥稳定土或石灰工业废渣稳定类，工业废渣应用最为典型的是粉煤灰，所以石灰工业废渣稳定类有时也称为“二灰”稳定类。其中无机结合料稳定基层材料以其强度比较高、稳定性好、抗冻性能强、结构本身自成板体等综合优势成为高等级道路基层设计的首选材料。但其耐磨性差、易发生干缩或温缩导致开裂、养生期长等缺陷制约着其使用范围和应用前景。在现有的道路基层材料应用实践来看，目前还找不到一种可替代的性价比更高的基层材料，因此在当前采用无机结合料稳定材料作为基层材料的同时，我们有必要搞清楚半刚性基层路用性能的具体影响因素，进而采取有针对性的措施来改善其性能、抑制或减弱其缺陷。

2 半刚性基层路用性能指标及其影响因素分析

无机结合料稳定土是在各种粉碎或原状松散的土、碎（砾）石、工业废渣中，掺入适当数量的无机结合料（如水泥、石灰或工业废渣如粉煤灰等）和水，经拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要求的材料，以此材料修筑的路面基层称为无机结合料稳定基层即半刚性基层。无机结合料稳定土作为道路路面结构基层的主要材料，为满足行车、气候、水文地质条件的要求，稳定土材料不但要求具有一定的强度，而且还需要具有良好的抗变形能力和水稳定性。其主要的路用性能包括以下5个指标。

2.1 强度

在沥青路面结构中，由于路面面层厚度较薄，汽车荷载传递给基层的竖向应力较大，基层是承受车辆荷载作用的主要承重层，这就要求无机结合料稳定土材料具有足够的强度。如果是水泥混凝土面层材料，由于刚性的面板传递给基层的应力已经很小，此时基层不起主要的承重作用。但是基层是确保路面整体强度，防止面板开裂、破坏的重要基础，同时对延长路面的使用寿命有显著的影响，同样也要求基层材料具有适当的强度，最重要的是要求材料强度均匀、整体性好。影响稳定土强度的因素有：

① 土质

土的类别不同如粘土、粉土或砂砾，或同一类别土的粒径大小不同、级配不同，都会影响到稳定土强度的大小，以水泥稳定类为例，宜选用粗粒土、中粒土。粒料用作基层时，粒料最大粒径不宜超过37.5mm； 用作底基层粒料最大粒径：城镇快速路、主干路不得超过37.5mm； 次干路及以下道路不得超过53mm。有机质和硫酸盐含量高的土，均不宜用于石灰稳定土和水泥稳定土。

② 结合料的种类及用量

无机结合料的种类包括：石灰、水泥、“二灰”即石灰和粉煤灰、或同时用石灰和水泥进行综合稳定，一般来说用水泥来稳定土时，其强度、抗冻性、耐久性明显的高于其它类型的稳定剂，而用“二灰”来做稳定剂其抗开裂抗收缩的性能要高于其它类型的稳定材料。对于结合料的剂量应在保证满足其设计技术指标即7d无侧限抗压强的前提下，尽可能减少其用量，这样其经济性是最优的。

③ 含水率

半刚性基层材料不同的含水量，直接影响其碾压后的压实效果，进而会影响到后期的成型强度。通常情况下，施工前应通过做标准重型击实试验来确定其最佳含水量和最大干密度，这样才能确保运到施工现场的稳定材料尽可能的达到最佳含水率，或保持在最佳含水量的±2%的范围，以便达到最佳的密实效果。

④ 密实度

密实度越大，材料有效受荷面积越大，强度就越高，受水影响的可能性越小。密实度的提高应通过原材料选取和合理的施工工艺等综合控制。

⑤ 施工工艺及养生条件

以水泥稳定土为例，从拌和到摊铺完成的时间通常不得超过3h，若碾压或湿拌的时间过长，水泥就会产生部分结硬，影响水泥稳定土的压实度，导致水泥稳定土强度损失。稳定土的强度发展需要适当的温度、湿度和龄期。要想达到理想的强度，必须在规范规定的一定温度和湿度条件下进行养护7-14天，否则其强度不增长或增长缓慢。

现行《公路路面基层施工细则》(JTG/TF20-2015)规定，采用无机结合料7d无侧限抗压强度指标来表征，同时采用该指标进行材料组成设计，选定最适宜于水泥或石灰稳定的土或集料，根据施工现场集料的天然含水量及运输距离等因素确定施工中所用的无机结合料的最佳剂量。以水泥稳定粒料基层为例，公路等级为高速公路、一级公路，要求其7d无侧限抗压强度值在3.0～5.0MPa；二级路或二级路以下，要求其7d无侧限抗压强度值在2.5～3.0MPa。

2.2 变形性能

无机结合料稳定土的缩裂特性主要表现在两个方面即干缩和温缩。随着无机结合料稳定土强度的不断形成，水分逐渐消耗以及蒸发，体积发生收缩，收缩变形受到约束时，逐渐产生裂缝，称为干缩裂缝。随着气温的降低，稳定土会产生冷却收缩变形，收缩变形受到约束时，逐渐形成裂缝，称为温缩裂缝。显然最后体现其变形特性优劣是由干缩和温缩两方面共同决定的。试验表明，在最佳含水量状态下同一种类的集料，采用不同的胶结材料其抗裂性能的优劣为：二灰稳定类>水泥稳定类>石灰稳定类，而在最佳含水量状态下同一胶结材料，采用不同的集料抗裂性能的优劣为：稳定粒料>稳定土。施工过程中要改善其抗裂性，应从以下几个方面进行控制：

① 改善土质或掺加粗粒料

一般来讲稳定土用土越黏，则缩裂越严重，强度越低，耐久性越差。所以在稳定用土的材料上应采用黏性较小的土，或在黏性土中掺入砂土、粉煤灰等，以降低土的塑性指数。以石灰稳定土为例，宜采用塑性指数10～15的粉质黏土或黏土。

掺入一定数量的粗粒料如砂、碎石、砾石等，使混合料满足最佳级配组成，也可以提高其强度和稳定性的同时减少裂缝的产生，同时可以节约结合料和改善碾压时的拥挤现象。

② 控制含水率及压实度

稳定土的干缩现象显会随着超过最佳含水量偏差的增加而增加，干缩裂缝也会随着压实性能的减少而显著增加。因此，工地现场一般要求稳定土压实时含水率要比最佳含水率略小为好，并尽可能要达到最佳的压实效果，这样将缩裂现象的不利因素降低到最低。

2.3 疲劳特性

半刚性基层材料承受交变循环应力或应变引起局部结构变化和内部缺陷发展并使它的力学性能下降并最终导致龟裂或完全断裂的性能称之为疲劳特性。通过试验表明，石灰粉煤灰稳定材料的抗疲劳性能优于水泥稳定类优于石灰稳定类。这个特性也反映在工程实践中，“二灰”稳定类和水泥稳定类的应用范围要比石灰稳定类更为普遍。

2.4 水稳定性和抗冻性

作为承重层的基层材料要求不仅具有足够的强度来承受设计荷载，还应具备一定的水稳定性和抗冻性来抵抗水和低温的影响，否则由于面层开裂渗水或者两侧路肩积水均会将使稳定土含水量增加，强度降低，从而使路面过早破坏。在存在冰冻的北方地区，冰将会加剧这种破坏。影响水稳定性及抗冻性的因素主要有土的种类、结合料的种类及剂量、密实度及养护等。一般来讲颗粒较细、塑性指数大的土，水稳定性与抗冰冻稳定性较差；结合料剂量越大，水稳定性与抗冰冻稳定性越好；密实度大时，透水能力降低，水稳定性增强。

2.5 压实性

无机结合料稳定基层的强度、抗变形性能、耐疲劳性、水稳定性和抗冻性等均与密实度即压实性有关，这是保证其路用性能的最基本的要求。实践证明：密实度每增加1%，强度增加3%左右，同时抗变形性能、耐疲劳性、水稳定性和抗冻性等也会有所提高，现行的施工技术规范对无机结合料稳定土基层碾压密实后的压实度作了硬性规定，以水泥稳定粒料基层为例，公路等级为高速公路、一级公路，要求其碾压后的压实度至少达到98%；二级或二级公路以下，要求碾压密实后的压实度至少达到97%。如果是石灰稳定类或二灰稳定类基层，结合料不同、道路等级不同，碾压密实后的压实度要求亦不同。

3 工程应用及评价指标分析

3.1 项目应用一

新疆境内连接新源县城和阿热勒托别镇的X745线二级公路改扩建项目，在2004-2005年建设期内，由于受当地气候和原材料供应的影响，其道路基层拟采用的水泥稳定结合料混合料在做基层试验路质量检测时就出现钻芯不易成形、强度不优等现象，但基于当地的投资有限，尽可能就地取材，利用当地现有丰富的卵石集料和结合料，结果导致该项目在运营不到数年就出现了开裂早、承载力降低等质量通病，后期不得不进行大面积翻修处理和整治。如果当时认识到拟采用的基层原材试验路验证出来的路用性能欠佳的事实，及时的进行原材料的变更或纠偏，那以上的质量病害可能不会过早出现或其使用寿命也会延长。

3.2 项目应用二

重庆境内奉节、万州等三峡库区长江沿线因钢铁厂炼钢、磷肥厂造肥、电厂发电次生出钢渣、磷石膏、煤矸石、电石渣、粉煤灰、电解锰渣、烧渣、固硫灰、赤泥等多种固体废弃物，这些废弃物堆放不仅占用大量土地，对周边环境的危害也极大[2]。三峡库区本身经济发展严重滞后，GDP水平只相当于全国平均水平的62%，也低于西部地区的平均水平，三峡库区农村公路通乡通畅率、通村通达率等也属于全国中等偏下水平。农村公路建设和提升势在必行，但基于当地的经济水平和生产力有限，当地政府主管部门提出“就地取材、变废为宝、以人为本、严控成本”的理念，率先通过重庆公路局、当地高校及科研所联合立项进行专项课题攻关研究，前期通过对库区现存的工业废渣进行实地调研，取样后进行试验研究并对其性能进行归类梳理，按活性这一指标将这些废弃物分为可用作胶结材料的活性固体废弃物和可用于集料等填充材料的非活性固体废弃物两类，利用石灰对此类固体废弃物进行综合稳定，通过试验路段来进行验证其路用性能成功后，在山峡库区沿线进行了农村公路立项投资的示范路建设，三峡库区也逐渐恢复生态再现绿水青山，在建项目平均节约投资20%以上，经济效益显著。

4 结论及展望

4.1 技术性可行

无机结合料稳定基层作为承重层，其原材料包含的集料、结合料、拌合用水的选用及用量，首先要考虑的要素就是混合料碾压成型后的强度等基本技术指标要满足设计和施工技术规范的要求。从以上工程实践可以看出，在同等条件下水泥稳定类要比“二灰”稳定类和石灰稳定类的优势更显著，其各项路用指标更符合高等级道路结构层基层的功能要求。

4.2 经济合理

当前在满足强度等路用指标的前提下，相关专业的高校和科学研究院正在搞试点研究，尝试寻找更为经济的可替代或改善无机结合料稳定材料中活性结合料或符合技术指标和级配的优质集料如工业废渣或固体废弃物，以此来降低这种有着广泛应用范围的半刚性材料的建设成本或优化其路用性能。从工程实践可以看出，石灰粉煤灰稳定类其抗裂性要比水泥稳定类和石灰稳定类优势显著，工程造价也会降低25%左右。

4.3 安全、环保、绿色

随着科学技术水平的不断发展，未来人们对无机结合料稳定材料的功能期望不仅仅是作为单一的道路建筑材料来使用，更多的还要考虑材料的二次利用、新旧动能转化、与周边环境协调或智慧宜居城市等理念相关的附加功能结合起来，此时工业化生产残留的不同类别的固体废弃物可通过对其性能进行研究并经过优选后，作为一种“新型”的活性结合料或可填充的集料来用，这样既可以变废为宝、保护环境，又可以节约资源、降低工程成本。显然石灰工业废渣这种无机结合料稳定基层不失为一种顺应时代发展的“弄潮儿”，其未来在道路工程建筑材料中的应用前景不可估量。