刚性基层的路面新结构探讨（闫鹏,刘红杰,李正华）

时间：2022-02-22 15:16:22 浏览量：次

［摘要］目前我国高等级公路以半刚性基层为主，许多公路在新的交通发展形势下过早出现了结构性破坏，远远达不到其设计使用年限。针对半刚性基层早期破坏，本文论述了以多孔混凝土为代表的刚性基层优良的强度、刚度和水稳定性等性能，同时针对两种基层类型均面临的开裂问题引入级配碎石中间层结构层概念。级配碎石中间层可以极大改善基层外部环境，有效消减基层开裂和基层开裂对面层的影响，保证了基层和面层的正常工作性能，保障了公路使用寿命，这种新型结构为以后的路面结构设计提供了新的思路。

［关键词］刚性基层多孔混凝土级配碎石中间层

1 概述

目前我国高等级公路的基层大多是采用以水泥碎石、二灰碎石为代表的半刚性基层模式。随着近几年来公路交通的迅猛发展，交通量、交通轴载以及重车比例都有了明显的增长，使得相当一部分高速公路不同程度的出现了早期破坏。对于半刚性基层路面结构，渗水进入基层以后，使得基层局部潮湿甚至接近饱和、基层材料强度降低，在行车荷载作用下，结构出现较大变形，同时内部会产生相当大的水压力，冲刷基层细料，形成细料浆，经行车荷载作用形成挤浆现象。而在重载、超载严重路段，出现车辙沉陷及层底拉应力过大造成的早期破坏情况更为严重，公路的破坏时的使用时间远远达不到设计使用年限。

实践证明，半刚性基层的路用性能已不能充分满足交通发展的新趋势。在众多高速公路上调查表明，路面破坏的80%～90%是由行车荷载造成的路基强度破坏，这种类型称为结构性破坏。基层强度无法保证的话，对于任何性能优越的沥青混合料面层来说是不可能避免开裂破坏的。从强度角度来讲，参照机场跑道通过采用钢纤维混凝土作为跑道基层材料来满足飞机降落和起飞的要求，选择刚性基层作为高等级公路路面基层类型是未来基层的发展方向之一。

2 刚性基层的性能特点

2.1 刚性基层的强度和刚度

以贫混凝土为代表的刚性基层按照施工方法不同有湿贫混凝土（插入振捣）、干贫混凝土（碾压）、和多孔（表面振动）贫混凝土三种，这类基层具有良好的强度和刚度。贫混凝土基层的基准水泥含量为6％～12％，而水泥稳定粒料基层中的水泥含量一般不超过6％，二者水泥含量相差约为40～50kg/m３，而贫混凝土的抗压强度和抗弯拉强度分别为水泥稳定粒料的1.6～3倍以上，抗压弹性模量为水泥稳定粒料的3倍以上。刚性基层的强度和刚度和半刚性基层的相比有较大提高，这主要依赖于粗集料的相对含量较高形成的骨架结构和水泥含量的增加。

2.2 刚性基层的水稳定性

刚性基层的水稳定性可以用软化系数来表征。软化系数为饱水状态材料抗压强度与干燥状态的抗压强度之比。显然，软化系数越小则材料水稳定性越差，测定结果见表1。

测定结果表明，以贫混凝土为材料的刚性基层具有较好的水稳定性，与二灰碎石为代表的半刚性基层相比效果明显。

2.3 刚性基层的抗冲刷性

刚性基层的抗冲刷性和水泥的粘结作用强弱和材料中细料的含量有关。水泥含量越高混合料的结合效果越好，其抗冲刷性能就越好。同时混合料中的细料含量越多越易被冲刷。因而在多孔混凝土中水泥含量比干、湿贫混凝土中的多35～40kg/m３，并且没有细集料，所以多孔混凝土抗冲刷性更好一些。法国道路当局利用旋转和振动台做了大量的冲刷试验，结果表明贫混凝土的抗冲刷性能总体好于其它基层类型，在第16届世界道路会议混凝土道路技术委员会报告中，将之列为低冲刷材料。

2.4 刚性基层的收缩性

以贫混凝土为代表的刚性基层的收缩性可以用干缩率来表征。贫混凝土干缩率随水泥用量的减少而减小。贫混凝土一般180d的干缩率为240×10-6～460×10-6，如果掺加一定量的粉煤灰可以降低其干缩率约10%左右。同时集料的收缩性和材料的空隙率有关。同等条件下空隙率越小，材料越密实，收缩性就表现的越明显，干缩试验结果见表2。

试验结果表明，干贫混凝土水泥用量比多孔混凝土的小约1/4，其干缩率相应也约减小1/4。普通混凝土的水泥用量比湿贫混凝土的大一倍，90d干缩率普通混凝土的比湿贫混凝土的大约一倍。故水泥含量对集料的干缩率有直接的重要影响。

其它试验表明，水泥稳定粒料在1/2失水量时的干缩率为（5.30～8.00）×10-4，最大失水量的时的干缩率为（41.00～83.00）×10-4。研究可知，贫混凝土的90d干缩率已基本处于稳定，水泥稳定粒料自然状态下1/2失水量时干缩率基本处于稳定状态，相比干缩率前者是后者的1/2～1/3。

3 刚性基层路面结构型式

3.1 刚性基层

较之半刚性基层，刚性基层的强度和刚度高、水稳定性能好、抗冲刷能力强，对于年降雨量大、水害严重的地区其优势更为明显。刚性基层类型中的多孔混凝土基层空隙率较大，具备内部排水功能，可以很快的将渗入路面内部的水及时排出，保证路面结构的干燥，避免雨水冲刷或者因含水量过大造成的基层强度降低和唧泥现象，可以大大延长基层的使用寿命。

另一方面，从军事角度来考虑，高速公路网的建设应满足非常时期诸如坦克、装甲车之类的重型车辆需要，在特殊地区高速公路工程甚至应考虑满足轻型战斗机的起降要求，期望基层具有很高的承载力，因此从战备角度考虑修建刚性基层也有十分积极的意义。

对于原有的路面结构类型，简单的将半刚性基层替换为刚性基层是不能充分满足路用性能需求的，在刚性基层上面直接加柔性面层，同样面临温差引起的温缩裂缝的问题。大量公路调查证明，半刚性基层因温缩导致的反射裂缝引起路面出现裂缝，在行车荷载和雨水等外部条件的作用下路用性能急剧下降，刚性基层同样如此。

3.2 增加级配碎石中间层

针对刚性基层收缩开裂问题，增加级配碎石中间层可以有效的消减基层反射裂缝对面层的影响。对于贫混凝土为代表的刚性基层，在其上面设置一层约20cm厚的级配碎石中间层作为应力吸收中间层是“减轻甚至基本消除沥青路面反射裂缝的重要措施之一”［2］。究其原因有：①可以消减因为基层自身开裂造成的反射裂缝的影响。相关试验证明，在基层开裂以后，级配碎石之间可以通过相对较小的错动来缓和裂缝的影响，如果级配碎石中间层的厚度达到要求，由基层裂缝（本身很小）引起的错动反应到碎石层上部就微乎其微了，因而起到了消减裂缝的作用。“用20cm厚的碎砾石层实际上能够防止反射裂缝”，加铺在网裂的混凝土路面上作为上覆层“如同新路面的使用性能一样”［２］。如果设置成沥青碎石层，那么沥青在碎石之间在温度急剧升高的时候将加剧碎石之间的错动，反而不利于过滤反射裂缝。②热传导率较小的碎石和空隙之间的空气联合作用作为基层的保温隔热层，可以降低基层温度对外界的温度变化的敏感性，减少基层温差变化范围和速度，可以有效减少基层出现温缩裂缝几率。

欲使级配碎石中间层起到应有的作用，其施工质量要予以保证。级配碎石在经过搅拌机拌合之后摊铺于基层表面，压实度需大于100%，保证质量，避免因为自身二次压实变形对面层的不利影响。

对于没有设置级配碎石中间层的某些试验路段将基层做成钢筋混凝土结构，上铺沥青混合料面层。实践证明这样的结构虽然基层强度和刚度满足了要求，没有了中间层的消减作用、保温隔热作用，面层面临的温缩裂缝的问题更为复杂，并且工程经济代价过高。

对于半刚性基层，设置级配碎石中间层可以有效消减温缩裂缝对其路面的影响，但是在南方多雨地区其水稳性问题比较突出。

因此，设置级配碎石中间层是十分必要的，并且效果是非常明显的。

3.3 级配碎石中间层上的面层厚度

调整沥青混合料的面层的厚度也可以减弱反射裂缝造成的影响。根据有关研究证明，沥青混合料面层厚度小于9cm时可以避免出现车辙，因此采用薄面可以避免因为温度过高造成的车辙现象。强基薄面的设计思路在某些非洲国家应用效果比较理想，但是引进我国时却出现了诸多问题，笔者认为主要是由于气候的差异造成的。非洲国家的气候属于赤道热带季风气候，昼夜温差相对不大，气候湿润使其温度变化相对缓慢，故因为温缩造成的反射裂缝现象不明显。强基薄面引入我国面临的气候条件复杂多样，没有设置柔性的级配碎石中间层作为过渡，这种情况下刚性基层路面结构本身开裂裂缝直接反应在沥青面层底部，在行车荷载作用下沥青混合料裂缝最终反应到面层表面。根据加利福尼亚州的试验证明，在100mm厚的沥青混凝土面层底部设置大于150mm厚度的级配碎石中间层，能够有效地防止反射裂缝的形成［2］。有研究结果表明，增加面层厚度可以减少反射裂缝，但是经济代价较高，并不适用于我国。该研究同时认为设置90mm厚、4.5％左右沥青含量的沥青碎石结构层可以减少反射裂缝的形成［3］。但是由于其沥青用量接近混合料的沥青用量，性能也较为相似，相当于增加了一层沥青混合料面层，在气温急剧变化的时候沥青碎石层热传导系数较比级配碎石层的大，加剧了基层对外界条件变化的敏感性。90mm的厚度较之加利福尼亚州的试验和魁北克州的试验碎石层厚度较薄，其结论认为碎石层的厚度在150mm以上才可以起到消减反射裂缝的作用。

因此，采用较薄的面层可以避免出现车辙，同时具有很好的经济效益。增加了级配碎石中间层的强基薄面路面结构可以很好的满足路面路用性能的需要。

3.4 关于设置反射裂缝切缝及铺设应力吸收薄膜

国内有些试验路段做的切缝间距由10～20m之间甚至小到5m, 然后用封缝料填充其间，然后用玻璃纤维处理［3］。按照这样的间距和混凝土面层切缝的间距相当，和自然出现的裂缝间距相差也不大，多了复杂的处理程序，相比而言选择不切缝更为适合。由于级配碎石中间层的保温隔热性能使得基层对外界温度变化的敏感性大大减小。尤其是当采用多孔混凝土基层时，其抗裂性能较好，并且即使开裂，其良好的水稳性能可以避免因渗水进入造成的强度降低，同时可以将之排出。因此对于设置了级配碎石中间层的多孔贫混凝土基层和有良好水稳定性的其他类型的贫混凝土基层来说，不必设置切缝。

如果设置应力吸收薄膜，应力吸收薄膜与开裂的基层裂缝紧密接触，即使弹性较好也无法避免拉伸变形，这样产生的相对位移对于上层混合料来说和反射裂缝相差无几，同时也容易降低基层和面层之间的粘结力，因此在设置了级配碎石中间层了以后不必增加应力吸收薄膜。

4 结语

以贫混凝土为代表的刚性基层相比半刚性基层具有更好的强度和刚度，承载力大，整体性能好，抗冲刷能力强，并且使用寿命大大增长，可以避免出现目前许多高速公路工程出现的早期破坏的问题，对于目前出现的超限、超载和大交通量的实际路况，具有十分广阔的应用前景。近十几年来，国内公路研究倾向于对面层沥青混合料的研究，在半刚性基层的基础之上进行面层性能的改进。面层性能的提高是必要的，但不是对路面破坏起决定性作用的因素。面对新的交通状况，采用新的基层类型是我们应该考虑的方向之一。结合以上的分析得出几点结论：

（1）较之半刚性基层，刚性基层的强度和刚度高、水稳定性能好、抗冲刷能力强，可以大大延长基层的使用寿命。

（2）针对刚性基层反射裂缝，在贫混凝土基层上加铺厚度大于20mm级配碎石中间层作为应力吸收中间层可以大大缓解外部条件对基层影响和过滤反射裂缝对面层的影响，具有明显的实用效果。

（3）增加了碎石中间层以后，可以采用较薄的沥青混凝土面层结构，具有较好的经济效益的同时也不降低路用性能，可以节约大量资源。

（4）无论是对于南方多雨地区或者是北方严寒地区，刚性基层具有良好的强度、刚度、抗开裂性和水稳性，级配碎石中间层具有良好的消减反射裂缝的功能。因此，这一结构类型可以作为未来路面结构发展参考的方向之一。

参考文献

［１］谭华.贫混凝土基层性能的研究及应用前景分析［Ｊ］.广西交通科技.2000.12

［２］沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面［Ｍ］.北京：人民交通出版社，1997.11

［３］王秉刚，等.贫混凝土基层路面研究［Ｍ］.长安大学公路学院，2002

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