浅析半刚性基层沥青路面早期破损
浅析半刚性基层沥青路面早期破损
根据一些高速公路沥青路面早期破损的`调查结果,对我国半刚性基层沥青路面在设计方面存在的问题做了分析,提出了一些看法.
作 者：胡法明 作者单位：黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司刊 名：黑龙江交通科技英文刊名：COMMUNICATIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY HEILONGJIANG年，卷(期)：32(2)分类号：U416.214关键词：半刚性基层 沥青路面 早期破损 设计
1 裂缝类型
1.1 横向裂缝
横向裂缝是与路面中线近于垂直的裂缝,缝宽不一,通常贯通整个路幅,沿路面大致呈均匀分布。横向裂缝通常不是由于荷载作用引起的,一般是由于基层或沥青路面的温缩引起。沥青混凝土和半刚性基层多在高温夏季和常温时施工,入冬后温度骤降,收缩过程中产生收缩应力(拉应力)如果收缩应力大于当时混合料的极限抗拉强度时,就会产生第一批温度收缩裂缝,路面开裂后应力重新分布,如果此时温度应力仍超过混合料的抗拉强度,则又产生第二批裂缝,应力再重新分布,直至温度应力小于或等于混合料极限抗拉强度时,裂缝的数量即停止发展。
1.2 纵向裂缝
纵向裂缝是平行于行车方向的裂缝,纵向裂缝一般由基层反射、半填半挖路段路基差异沉降、面层施工左右幅摊铺冷热接缝引起纵向裂缝。
1.3 网状裂缝
网裂是纵横交错的网状裂缝,相互交错的裂缝形成一系列多边形小块,缝宽1mm以上,缝距40cm以下,面积1m2以上。路面结构设计不合理,沥青混合料配合比不当孔隙率大,路面水渗入面层引起的水损坏,或沥青混合料在拌和、摊铺过程中不均匀,粗细集料离析,使沥青与石料粘结性差形成网裂。
1.4 龟裂
路基、路面总体强度不足,损坏初期形成网裂,在车辆荷载的反复碾压和剪切冲击作用下,沥青面层老化,缝距缩小形成龟裂。
2 裂缝的防治措施
2.1 设计方面
1)选用优质沥青做面层,保证沥青的针入度、延度等指标,在缺少优质沥青的情况下,应采用改性沥青,如沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料,SMA混合料具有良好的高温稳定性,低温抗裂性,使用寿命长等特点,是防裂路面设计时应选用的一项新技术。
2)选择合适的沥青层厚度,当沥青面层较厚时,对半刚性基层有很好的保护作用,能够明显降低半刚性基层顶面遭受的温度变化,从而减少甚至避免半刚性基层产生温缩裂缝。
3)采用密实型沥青混凝土面层,空隙率对面层的疲劳寿命有很大影响,密实型沥青混合料在使用中沥青老化缓慢,并可防止路面水的渗入,延缓裂缝的开裂。
4)沥青混合料的集料应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性好的碱性石料。如所用集料呈酸性,则应填加一定数量的抗剥落剂或石灰粉,确保混合料的抗剥落性能。并尽可能使用人工砂代替天然砂。
5)选用抗冲刷能力好,干缩、温缩系数小、抗拉能力高的材料作基层料。并应有合理的级配,在规范范围内,适当增加粗集料用量,减少细集料用量,尤其是0.075mm以下细料含量,这类细料比表面积大,遇水膨胀,失水后收缩变形大,是造成裂缝的关健之一。并通过加强碾压方式以达到嵌挤密实型水泥稳定基层,增加基层的抗压和抗折强度。
6)一般选用初凝时间3h以上和终凝时间5h以上低水化热的32.5级普通硅酸盐水泥,不得使用快硬水泥和早强水泥。在满足设计强度的情况下,尽量减少水泥用量,可适当加入有助于提高早期性能的外加剂,减少水泥用量,水泥用量不应大于6%。水泥稳定无机结合料中水泥含量越大,其强度越大,但强度和刚性越大的混合料,收缩性能也越大,就越容易开裂。
2.2 施工方面
1)路基填筑引起的纵横向裂缝,填筑时填料应尽可能用砂性土,路基应分层填筑,分层压实,同一水平层用同一种填料,边部应超宽填筑30cm,同一断面全幅路段应同步施工。半填半挖路段填方横断面坡度大于1∶5时应挖成台阶,台阶宽度不小于2m,填方路基应密实、稳定,压实度应达到设计要求。
2)沥青混合料拌合时应控制好加热时间和加热温度,不使沥青老化,并适当增加碾压遍数,碾压时应配备双钢轮压路机和大吨位胶轮压路机搓揉挤压,使沥青混合料达到规定的压实度。
3)沥青各层之间施工应尽可能连续,如施工不连续,各层间应洒粘层油,保证上下之间有良好的连接。另外应注意上、下层的施工纵缝应错开15cm以上。
4)施工时要严格控制摊铺机的摊铺质量,在一定程度上减少沥青混合料的纵、横向裂缝。沥青面层较窄时施工宜采用全路幅一次摊铺,如面层较宽分幅摊铺时,应使用新旧一致,型号一致的摊铺机梯队作业,确保热接缝。前后幅相接处为冷接缝时,应先将已施工压实完的边缘坍斜部分切除,切线须顺直,侧壁要垂直,清除碎料后,宜用热混合料敷贴接缝处,使其预热软化,然后铲除敷贴料,并对侧壁涂刷0.3~0.6kg/m2粘层沥青,再摊铺相临路幅。摊铺时控制好松铺系数,使压实后的接缝结合紧密、平整。
5)严格控制基层含水量,根据天气和温度情况严格控制半刚性基层施工碾压时含水量,混合料的含水量不能超过压实需要的最佳含水量。水泥稳定碎石基层干缩应变随混合料的含水量增加而增大,施工碾压时含水量越大,结构层越易产生干缩性裂缝。因此在施工时,应根据天气、运距远近、运输车辆配置情况适当增加或减少拌和用水量。确保碾压时混合料含水量在最佳含水量范围内。
6)半刚性基层碾压完毕,要及时养生,比较理想的养生方法是采用透水土工布覆盖养生,如基层在养生期得到了良好保水,始终保持湿润基层的质量稳定,裂缝将在一段时间内很少发生。
7)做好透层和下封层(防水层)。基层养生结束后,将土工布收走,应及时洒布透层油,并在洒布透层油的基础上撒布3~8mm的碎石作为沥青下封层(防水层)。此时基层未受到污染,渗透效果较好,能使基层和面层形成一个整体,这样既能起到了很好的防水的作用,防止路面水渗入基层导致唧浆,又防止后期半刚性基层干缩和温缩裂缝的产生,避免裂缝在层与层之间传递,提高整个路面结构的疲劳寿命。透层和下封层作完后,应尽快铺筑沥青面层。
8)切割横向预裂缝。在7d养生结束后,进行横向预裂缝的切割,每隔15m设置一条,切割深度为6~7cm,缝宽≯5mm。切割完后清洗余浆,晾干后立即用沥青灌缝,防止雨水的入侵。在沥青面层摊铺前,对切割的预裂缝顶面用1m宽的土工布进行覆盖,进一步预防裂缝的反射。
9)基层料拌合控制。目前基层料拌合均采用大功率为连续式拌和站拌和,其产量的增加只是单纯地增加了拌和电机的功率来实现的,拌和时间并没有相应增加,宜将拌和站的产量设定为额定产量的80%进行生产,以便有效地控制混合料的拌和均匀性,减少混合料成型后因不均匀性造成内部受力不一致而产生裂缝。同时,还应定期对水泥控制系统和水量控制系统进行专项检查和校核,防止出现水泥含量和含水量不稳定。
10)选择有利的季节或时间进行基层施工,冬天气温低于5℃,一般不能进行基层的施工,施工最好选择在年平均气温时进行,此时气温变化不大,结构内温度应力较小,基层不易发生热胀冷缩现象。
3 结束语
1.半刚性基层沥青路面的特性
半刚性基层沥青路面的具有平整性好、强度大、行车平稳、稳定性好、噪音低等特性。
首先，整体强度比一般材料高，还有抗弯拉的特性，这使沥得青路面具优良的承载能力；其次，该材料对低温的适应能力强，能够在高寒地区得到广泛的应用；另外，该材料取材方便。
2.半刚性基层沥青路面损坏原因
目前，我国修建的沥青路面通常采用的结构组合设计是强基薄面。但由于各地的施工水平不同及环境温度变化和水损害等因素的影响，导致半刚性基层沥青路面出现很多病害问题，致使其承载能力下降。总体来说，出现的病害问题分为：结构性破坏和非结构性破坏。其中结构性破坏分为翻浆、龟裂和结构性辙槽。非结构性破坏分为裂缝和变形。下面就几种常见的病害问题的出现及原因进行的分析。
2.1龟裂
龟裂现象一般表现为路面被一些相互小错的小裂缝分割成外表似龟纹小块，这些裂缝的宽度一般在3mm以上10cm以内。龟裂可以总结为局部网裂的延续，当路面由于整体强度不足而在大负荷行车的情况下出现疲劳裂缝时，这些裂缝并未得到及时护养，在雨天行车时，路面上高速行驶的轮胎会产生很强的“泵吸”作用，雨水渗入基层而导致其材料损失，长此以往，逐渐使裂缝加剧，最终形成了龟裂。
2.2车辙
半刚性基层路面的沥青混合料属于弹塑性材料，当路面的荷载较高，气候温度较高时，两者的共同作用会致使沥青路面在沿车轮轨迹的方向产生变形，即纵向带状的辙槽，称为车辙。由于沥青材料的特殊性，使得车辙成为该路面特有的病害。一旦出现较为严重的车辙，处理办法只能铣刨后重铺沥青面层。
2.3裂缝
在沥青路面的使用过程中由于负荷气候等问题容易出现各种类型的的裂缝，较小的裂缝基本上对路面的使用功能不会产生很大影响，但是若不及时给予重视，就会使裂缝加剧，最终导致路面的使用寿命缩短。
常见的裂缝有以下几种：
（1）横向裂缝。横向裂缝与道路的中线垂直，一般能够贯穿路面，深度较大，可以贯通整个结构层。
（2）纵向裂缝。相比横向裂缝而言，纵向裂缝数量较少，他与道路的中线大致呈平行状态。多出现在旧路加宽的结合部位，新旧路面的交错等部位，且长度较长。
（3）块状裂缝。块状裂缝的外形与龟裂相似，形状不规则。路面材料受到气候温度的变化而发生热胀冷缩时常常会产生块状裂缝，在某些情况下，横纵裂缝的交错也可能引起块状裂缝。
引起半刚性基层沥青路面病害产生的原因主要有几点。
（1）从半刚性基层沥青路面的材料方面来说，其基层中材料的颗粒较细，粗集料较少，且该材料具有热胀冷缩的性质，当温度的变化范围超出材料的拉力范围时，路面容易受到温度的影响而产生裂缝。目前，半刚性路面的施工工程中较多采用的是砂砾，且砂砾的配级缺少严格的控制，为提高路面的强度，在施工时倾向于提高水泥的含量，这虽然提高了路面的强度，但也使路面变脆，造成裂缝。
（2）沥青路面的基层厚度较薄，容易引起反射裂缝。一般来说，当沥青路面基层厚度大于18cm时，将能有效地缓解路面的裂缝情况。
（3）施工质量。施工碾压时的压实度以及护养情况都会影响裂缝的产生。
3.如何防治半刚性基层沥青路面的损坏
半刚性基层沥青路面病害主要是由组成材料，施工质量，层厚度等原因引起的，针对以上几点原因提出防止坏护养的措施。
3.1做好交通管制工作
在半刚性基层末达到强度时，由于施工车辆及过往车辆荷载的作用而造成非结构性破坏的产生，应在施工时合理的进行交通管制组织设计。
3.2提高施工质量
在碾压过程中，严格按照施工技术规范进行，保证路面的平整度。
3.3严格控制施工材料
通过筛分试验确定合理的材料级配，控制材料含水量。集料最好选用性能优良的材料，比如表面粗糙，坚硬，耐磨等。
3.4适当增加半刚性基层的厚度
加厚半刚性基层厚度能够提高道路的荷载能力，从而减小车辆造成的裂缝进一步反射到沥青面层。而且较厚的半刚性基层还能够减缓温度的变化造成的龟裂等病害。一般来说，半刚性基层厚度在30cm～40cm。
4.结语
结合高速公路沥青路面施工工程实例,针对沥青路面温缩和干缩特性,在收缩应力作用下易产生收缩裂缝的缺点,阐述了高速公路沥青路面裂缝产生机理,提出了防治反射裂缝的控制措施.
作 者：王艳明 郝财国 作者单位：王艳明(中交二公局第四工程有限公司,洛阳,471013)
郝财国(湖北路桥集团有限公司,武汉,430050)
学号：
姓名：
2013年10月
国内外关于减小半刚性（无机结合料稳定材料）基层沥青路面
收缩裂缝的措施和方法
摘要：无机结合料稳定材料基层常被称为半刚性基层，为我国目前使用最广泛的路面基层类型。但无机结合稳定材料基层存在着一个较大缺点：因其本身容易产生收缩裂缝，故使路面形成反射裂缝。该文通过分析无机结合料稳定材料收缩裂缝的成因，介绍了国内外关于减少无机结合料稳定材料收缩裂缝的措施方法，以及这些措施的效果和发展趋势，为实际工程提供参考。关键词：无机结合料稳定材料；半刚性基层；收缩裂缝；
绪论
从 80 年代至今，经过“六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目的研究，半刚性基层沥青路面成套技术逐渐形成，成为我国高速公路的主要结构形式。现在我国已建成的高速公路 95%以上都是半刚性基层沥青路面，可以毫不夸张地讲，我国高速公路的发展史就是半刚性基层沥青路面的发展史。
在我国高速公路取得巨大成就的背后，我们应该清醒地看到与发达国家相比我们的高速公路尚处于较低的层次。前几年由于受规范的限制和对规范理解上的偏差，盲目追求半刚性基层高强度、高模量，同时为追求取芯的过分完整和密实，拼命加大水泥剂量、增加细料含量，造成以悬浮结构、重型击实成型为主的水泥稳定碎石基层裂缝严重。
无机结合料稳定路面在前期具有柔性路面的力学特性，当环境适宜时，其强度和刚度会随着时间的推移而不断增大，而且无机结合料稳定路面还具有稳定性好、抗冻性强、结构自身自成板体等特点，因此在我国无机结合料稳定材料已广泛用于修建公路路面基层或底基层，但不足之处是抗变形能力差，对于温度和湿度的变化比较敏感，在其强度形成的过程中，以及运营期间会产生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝。而且，在交通荷载的作用下，这种收缩裂缝会扩展到沥青面层而形成反射裂缝。其结果是破坏了路面的连续性和整体性，影响了路面的使用效果，更为严重的是裂缝的存在使得路表水有可能通过裂缝渗入到土基中，从而影响路基的强度和稳定性，导致路面的早期破坏。
1.什么是半刚性基层？
在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的无机结合料(包括水泥、石灰或工业废渣等)和水，经拌合得到的混合料在压实和养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料，以此作为路面基层即称为无机结合料稳定材料基层。由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，常称此为半刚性材料。因此也将无机结合料稳定材料基层称为半刚性基层。
2.产生收缩裂缝的原因？
无机结合料稳定材料基层收缩裂缝分为干缩裂缝和温度裂缝，它属于非荷载型裂缝。(1)干缩裂缝
所谓干缩裂缝是指由于基层中的水份变化，而使材料产生收缩的现象。无机结合料稳定材料经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起半刚性材料产生体积收缩。例如石灰土、水泥土或水泥石灰土基层碾压结束后，如果不及时养生或养生结束后未及时铺筑面层，只要太阳暴晒，就可能出现干缩裂缝。随着暴晒时间增长，裂缝会越来越严重，将基层切割成数平方米大小的小块。即使是干缩性小的二灰稳定粒料和水泥稳定粒料基层，在养生结束后，如果暴晒时间过久，也会产生间距为5～10m的横向裂缝。干缩裂缝主要是横向裂缝，也有少数纵向裂缝，缝顶宽约0.5～3mm。如果面层是沥青层，这种裂缝会向上反射，并导致沥青面层形成反射裂缝。因此，提前采取措施防止无机结合料稳定基层开裂是个十分重要的问题。无机结合料稳定材料基层产生体积干缩的程度或干缩性(最大干缩性应变和平均干缩系数)的大小与下列一些因素有关：材料种类、结合料的含量、被稳定料的物理特性和矿物成份、含水量和龄期等。(2)温度裂缝
无机结合料稳定材料是由固相(组成其空间骨架的原材料的颗粒和其间的胶结构)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相（存在于空隙中的气体)组成。半刚性材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用，使半刚性材料产生体积收缩，即为温度收缩，从而形成裂缝。温度裂缝则主要包括低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝两种。低温收缩裂缝是指随着冬季大气温度的下降，路面温度也随着下降，这时基层材料开始收缩，而由于基层在路面结构中处于面层与底基层之间，由于面层、基层、底基层的收缩不一样，上下受到约束，当气温下降到一定极限时，基层材料中的拉应力或拉应变一旦超过材料的抗拉强度或极限抗拉强度时，而引起基层的开裂，温度收缩裂缝主要是横向的。而温度疲劳裂缝主要发生在太阳照射强烈、日温差大的地区，在这种地区，基层白天温度与夜间温度之差相当大，在基层中产生较大温度应力，这种温度应力日复一日地反复作用在基层中，使基层产生疲劳开裂，由此产生的裂缝称为温度疲劳裂缝。不同材料的无机结合料稳定材料基层的温缩性质差异很大，粒料越细温缩性越大。半刚性基层养生后，若能及时铺上沥青面层，特别是较厚的沥青面层，一般不会产生温缩裂缝。值得注意的是，要避免温缩和干缩的同时发生、互相加强。
3.减少无机结合料收缩裂缝的措施和方法
(1)南昌市城市规划设计研究总院的孔健提出如下建议。
针对无机结合料稳定材料基层的收缩裂缝，目前主要采取以下措施：(1)选择收缩性小的材料。在进行半刚性路面设计时，首先应该选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小的和抗拉强度高的材料做基层。粉粒f小于0．075mm含量少的粒料的抗冲刷性最好，水泥稳定粒料和密实式石灰粉煤灰稳定粒料是所有无机结合料材料中收缩系数最小的材料，应该首先选用这两种材料做沥青路面的基层。
(2)在采用水泥或石灰粉煤灰稳定粒料(土)做沥青路面的基层时，应尽量采用不含塑性细土的级配粒料。如果天然粒料土中含有过多的塑性细土，应筛除部分塑性细土或掺配粗集料，使其含量减到最小，以减小结合料稳定混合料的收缩性，使结合料稳定粒料基层可能产生的收缩裂缝减到最小。
(3)采用合适的无机结合料稳定材料基层混合料配合比设计。
a．保证粗集料含量。混合料中粗集料含量在65％以上时，能有效减少收缩裂缝的产生。
b．使用骨架密实结构矿料的级配，密室因其碎石处于骨架结构，而其骨架中间用密实的小碎石填充，大小碎石间用结合材料粘合，这样材料的抗温度(或抗干燥)收缩性能都比较好采用合适的配合比设计。
(4)为保证收缩裂缝不呈现最大值，应尽可能考虑在温差较小的条件下施工无机结合料稳定材料基层。对于无机结合料材料尤其是无机结合料材料温差的控制，主要考虑三个特征值：半刚性基层施工时的温度、基层材料最高温度、最终温度或外界气温，除了从无机结合料稳定材料基层原材料、配合比等方面降低水化热温升之外，其它降低温差的措施还有：
a．水泥、水及砂石等原材料在夏天施工时应有一定的遮蔽措施，防止阳光直接照射使无机结合料稳定材料基层原材料的温度过高。
b．充分利用某些天然条件，如利用夜间或有利的低温季节进行无机结合料稳定材料基层的施工以降低施工时温度。
c．在拌和无机结合料稳定材料基层时可以采用冰水或掺冰以及预冷骨料等以降低施工时温度。
d．无机结合料稳定材料基层碾压完毕，表面应覆盖一定保温材料，以减少半刚性基层内外温差，防止基层材料温度的骤然变化及水分的迅速挥发。
(5)计量准确。基层施工中必须严格按试验确定的结合料剂量进行控制，计量一定准确。
(6)拌和均匀。施工中剂量不仅要计量准确，而且要拌和充分、均匀，不出现灰条、灰团和花面，混和料色泽一致。
(7)无机结合料稳定材料基层有一共同特性，就是其干缩应变随混合料的含水量增加而增大。施工碾压时的含水量愈大，结构层愈容易产生干缩裂缝，因此，施工中要严格控制压实含水量，不允许洒水车在工作面上停车或调头，防止洒水不匀。由于在最佳含水量下压实的基层材料，具有较大的收缩变形，所以应在小于最佳含水量下压实成型。当含水量为最佳含水量的0.85～0.95倍时，施工的压实成型并不困难，还可减少收缩裂缝。
(8)采用乳化沥青封层保湿养生。基层成型后，采用洒水养生，很容易使含水量骤高骤低，增加缩裂的可能。采用乳化沥青保湿养生可使含水量变化均匀，防止收缩裂缝的产生。
(9)对于有较厚沥青面层的无机结合料稳定材料基层，如果在施工过程中保证在铺筑沥青面层之前基层不产生收缩裂缝，在路面使用过程中，沥青面层内的裂缝将是沥青面层本身的温度裂缝，由基层裂缝引起的反射裂缝所占比例将很小，甚至没有，即可以减少沥青面层内的裂缝总数。因此，施工过程中保证无机结合料稳定材料基层不产生收缩裂缝，应作好基层的初期养护。
a．无机结合料稳定材料基层碾压完成后，要及时养生，保护混合料的含水量不受损失，决不能让基层曝晒变干开裂。
b．无机结合料稳定材料层碾压完成后最迟在养生结束后，应立即喷洒沥青乳液，做成透层。
c．透层完成后，应尽快铺筑沥青面层。透层虽有一定的保温保湿作用，但时间稍长，无机结合料稳定材料混合料的水份也会损失并产生干缩裂缝；在温差大的情况下，无机结合料稳定材料基层也可能产生温缩裂缝，为了保护基层不产生收缩裂缝，必须在5～10d内铺筑沥青面层。
(10)在一般道路上，无机结合料稳定材料基层上的沥青面层较薄。在这种薄或较薄的沥青面层下，即使在铺筑沥青面层前，无机结合料稳定材料基层没有开裂，在铺筑沥青面层后，基层也难于避免会产生干缩裂缝（特别在干旱地区)和温缩裂缝(特别在冰冻地区)或干缩与温缩的综合裂缝。因此，对于这种半刚性基层薄(或较薄)沥青面层结构，应在无机结合料稳定材料基层碾压完成后，按施工规范进行养生。养生结束后，在基层顶面喷洒透层沥青，尽可能先做个下封层，然后开放交通半月以上(开放交通的时间尽可能长些)，待无机结合料稳定材料基层的收缩裂缝完成后，再铺筑沥青面层，这样可明显减少反射裂缝。
(11)设预留缝。在无机结合料稳定材料基层中每隔一段距离设一道收缩缝f基层成型后，用混凝土切缝机切割即可)，能起到较好的止裂作用，缝的间距将随所用半刚性材料类型、沥青质量和当地气温条件而变，具体需要通过试验路确定。一般情况下，间距为8～12m。如在预留缝上铺一幅宽3m的玻璃纤维布效果更好。[1]
(2)国内外学者还提出了以下的解决方法：
1．长安大学蒋应军在水泥稳定碎石收缩裂缝防治研究中提出骨架密实结构的水泥稳定碎石混合料，通过研究得出如下结论：
水泥稳定碎石混合料的干缩主要是通过毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、层间水作用及碳化收缩作用四个过程引起的宏观体积收缩。其干燥收缩值与材料刚度成反比，与含水量成正比。同样材料组成下，用粉煤灰代替一定量的水泥可以改善水泥碎石混合料的路用性能。
2．长安大学张嘎吱等进行了“考虑抗裂性的水泥稳定类材料的配合比设计方法研究”，得出如下结论：
相同级配的水泥稳定碎石混合料存在一相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量。水泥稳定类材料干缩率随含水量变化是一近似抛物线的发展过程。水泥稳定碎石混合料中0.075mm 以下的细集料含量越多，混合料抵抗收缩能力越差。水泥稳定类材料整体级配越细，干燥收缩越大；级配接近于悬浮结构，干缩性越大，且干缩破坏主要发生在早期。
3．长安大学杨红辉等进行了。水泥稳定碎石抗裂机理及评价方法。的研究，得出研究成果如下：
应用均匀试验研究了水泥、膨胀剂及纤维等对水泥稳定碎石混合料抗裂性能的作用规律。试验表明，水泥含量对混合料的路用性能具有显著影响，水泥含量越大，水泥碎石混合料抗裂能力越差。膨胀剂提高了水泥碎石材料的强度和刚度，能有效抑制水泥稳定碎石混合料产生早期干燥收缩裂缝。
4．江苏省交通科学研究院进行了“水泥稳定碎石抗裂设计方法”的研究，得出如下研究成果：
过高的水泥用量会导致抗裂能力的下降。室内研究表明适量的外加剂能显著降低水泥稳定碎石混合料的干缩应变。混合料级配过粗（4.75mm 通过率 29%）时基层弯沉值较大，级配较细（规范中值）时由于细集料偏多容易导致裂缝，因此建议集料级配宜控制 4.75mm 通过率为 34%左右。
5．长安大学李美江等通过“道路材料振动压实研究”采用振动成型方式对水泥稳定碎石材料进行了初步研究，得出如下研究结论： 水泥稳定碎石混合料振动压实时响应频率在35Hz左右，最佳振幅在1.3mm－1.7mm之间。振动压实成型方式极大的提高了试件的抗压强度，而混合料最大干密度提高相对较小。对级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石混合料，静面压力、激振力等振动参数对达到标准震实状态所需的振动时间影响很大。
6．美国 K.P.乔治等人研究了水泥稳定土的干缩特性，并论述了影响水泥稳定土收缩的因素：
在其它条件相同的情况下，土中粘粒含量愈多水泥稳定土收缩能力越强。试件含水量越大，试件干缩应变越大，所以在基层施工中要严格控制含水量。密实度越大，试件干缩应变越小，故而减小基层开裂可以用增加压实功能来改善。[2]
7.针对基层材料本身的抗裂措施，实际上就是采取措施减小半刚性材料的收缩性能，增强其抗拉性能，可以通过掺加添加剂或者是加筋材料来限制其收缩，也可以通过改善半刚性基层材料各组成成分的性能来增强基层的抗裂性能。
（1）在半刚性基层材料中掺入短纤维可有效地提高稳定土的抗裂性能，苏州科技学院的董苏波等人对玻璃纤维二灰稳定碎石的强度和刚度进行了试验，结果表明，玻璃纤维可提高二灰碎石半刚性基层的强度，降低其刚度，并且可有效改善二灰碎石基层的韧性。
（2）长沙交通学院的陈哗在试验的基础上探讨了聚丙烯短纤维增强二灰稳定土的性能，而徐剑则通过在水泥稳定土中掺加格网碎片来增强基层的抗裂性能。
（3）在日本，用水泥和特殊沥青乳剂综合稳定使水泥与沥青混合以防水分的蒸发，而沥青乳剂中的水分则供给水泥硬化，使收缩系数随沥青剂量的增加而减小。
（4）长安大学的戴经梁和蒋应军等通过大量试验认为，改善半刚性材料的级配，采用骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增强基层的抗裂性。对于组成半刚性基层的材料来说，诸多的研究都表明:在满足设计强度的基础上限制水泥用量，并且尽量选用低标号、水化热小、干缩性小的水泥，适当加入缓凝减水剂、缓凝阻裂剂、减缩剂等外加剂，为提高后期强度，减少收缩裂缝可用粉煤灰代替部分水泥剂量等。
（5）在我国高等级公路基层稳定材料中，二灰稳定粒料要比水泥稳定粒料抗收缩开裂能力强，而且，能大量利用工业废料(粉煤灰)，经济性好，因而应用非常广泛。但是，由于二灰稳定粒料早期强度低，施工进度受到限制，且表面松散，不利于层间结合，逐渐被水泥稳定粒料基层所代替。
8.在基层施工中所采取的一个重要的防止裂缝产生的措施就是对基层采取预裂措施，在沥青面层铺筑之前，人为地制造规则的裂缝或不规则的裂纹网。
（1）德国1986年新规范规定，当沥青罩面层的厚度小于或等于14cm时，不管基层厚度多大，只要基层抗压强度超过12MPa，基层必须预先切纵缝和横缝。
（2）前苏联有关规范指出，为了减少裂缝的破坏作用，避免薄沥青面层下水泥稳定土基层产生不规则的裂缝反射到沥青面层上，建议基层每隔8一12m做一假缝，缝深6一8cm，缝宽10一12mm。锯缝后立即用沥青马蹄脂填缝，并对沥青面层产生的规则且较整齐反射裂缝也采用沥青马蹄脂填缝。目前，在我国该工艺已得到广泛应用，许多实际应用的工程实例都表明此项工艺对防治半刚性基层的收缩裂缝确有成效。许多研究者针对不同半刚性材料基层设置预剧缝的计算以及具体工艺过程都进行了一定的研究探讨。
9.国外很多学者认为微细裂缝的传荷能力好，会大大减轻甚至完全消除宽缝的出现，如捷克斯洛伐克在水泥稳定材料硬结过程中，用反复碾压的方法人为地创造微细裂缝网;科威特在新铺的水泥土基层上用重型钢轮压路机碾压，故意使水泥土基层预先开裂。基层的施工质量是决定基层是否开裂的关键，要保证基层有足够的压实度，严格控制基层的含水量，并且为降低温差适当安排基层施工的[3]季节和时间。
4.结论
以上就是国内外关于减小无机结合料稳定材料基层沥青路面收缩裂缝的措施和方法。虽然无机结合料稳定材料基层沥青路面因容易产生裂缝而限制其广泛应用。但是，在设计合理、施工质量保证前提下，采用一些措施和方法可有效地减少无机结合料稳定基层的裂缝产生。
参考文献 【1】 孔健；减小无机结合料稳定材料基层沥青路面收缩裂缝的措施和方法[J]；城市道桥与防洪；2011年01期
半刚性基层沥青路面具有强度高、稳定性好、刚度大、路面平整度好、噪音低、行车舒适、易于就地取材、工艺简单、工程投资少、养护维修方便等优点, 因此半刚性类材料以其优良的工程性能和显著的经济效益在我国公路建设中得到了广泛的应用, 并在公路建设中越来越占有特殊的重要地位。然而, 半刚性材料的缺点在于抗变形能力低, 在温度、湿度变化时易产生裂缝, 当沥青面层较薄时易形成反射裂缝, 沥青路面本身也易产生低温裂缝, 沥青路面一旦出现裂缝, 有可能导致路面结构性破坏, 影响路面的使用功能。
1半刚性沥青路面裂缝的类型
1.1 龟 裂
龟裂是由于路面受交通荷载作用后变形和挠度过大, 而沥青路面的柔性不够同时又有重载车辆的反复碾压, 从而导致路面材料疲劳而形成的一种裂缝, 故有时亦将此类裂缝称为疲劳裂缝[1]。
1.2 块 裂
块裂通常是由于铺设沥青路面的沥青混合料采用了大量的低针入度沥青和亲水性集料或沥青发生老化失去弹性, 而在交通荷载作用下形成。同时由于在低温作用下, 沥青混凝土产生缩裂, 故有时亦将此类裂缝称为收缩裂缝。
1.3 纵向裂缝
纵向裂缝产生的原因一般为路基加宽处理不当或不良地质沉降所致, 个别为沥青混合料摊铺时, 由于纵向接缝处理不密实, 造成路面早期渗水, 在行车作用下会在纵向接缝处形成纵向裂缝。
1.4 横向裂缝
横向裂缝, 由于地基或填土路基纵向不均匀沉降或由于沥青混合料摊铺时横向接缝处理不当, 会产生横向裂缝并伴有错台现象出现。在温度变化大的地区, 沥青路面及基层会由于温度过低产生近似等距离的多条横向收缩裂缝。
1.5 反射裂缝
反射裂缝, 由于基层的裂缝, 在沥青面层铺设处理不当导致沥青面层产生与基层裂缝相似的裂缝, 另外, 在新建的半刚性沥青路面上, 半刚性基层受天长日久的温度变化引起的温度裂缝, 也向路表面扩展、延伸、并穿透整个面层, 形成下宽上窄的裂缝。
1.6 滑移裂缝
滑移裂缝, 滑移裂缝通常是由于沥青路面表面层与底面层或面层与基层的粘结性不好, 同时面层又受到较大的水平外力时无法有效的传递给底层, 而使表面单独承受, 造成路表面被的撕裂破坏。
2公路沥青路面裂缝产生的原因及分析
沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一, 无论是冰冻地区, 还是非冰冻地区, 只是各自的裂缝严重程度不同而已[2]。沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的, 但就沥青路面开裂的主要原因而论, 裂缝可分为两大类, 即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。
(1) 荷载型裂缝:
即主要由于行车荷载作用而产生的裂缝。在车轮荷载作用下, 半刚性基层的底部要产生拉应力, 如果此拉应力大于半刚性基层材料的抗拉强度, 则半刚性基层底部很快就开裂。在行车荷载的反复作用下, 底部的裂缝逐渐扩展到上部, 并使沥青面层也开裂由车轮荷载产生的裂缝反映在面层上, 往往不是单独的、稀疏的或较有规则的裂缝, 而是稠密的、有时互相联系的裂缝, 甚至是网状的裂缝。
(2) 非荷载型裂缝:
主要为温度型裂缝。沥青路面温缩型开裂包括低温收缩开裂与温度疲劳开裂, 均体现为张开型开裂方式。对于沥青路面基层存在裂缝情形, 按沥青面层裂缝开裂部位, 又可以分为反射裂缝与对应裂缝。
沥青在高温情况下其粘度会降低而软化, 而在低温状况下会发脆容易断裂。反应到沥青混合料上在夏季高温下, 伴随着车轮荷载的作用会产生永久变形, 常见的如:泛油、堆挤、拥包、车辙等。沥青混合料的劲度模量受温度的影响最大, 变化的幅度远比荷载作用时间等因素大得多, 当温度升高时, 沥青粘度急剧下降, 集料颗粒之间的粘结力减小, 混合料强度模量降低, 荷载作用下的变形增大。当温度降低, 沥青面层会因收缩受阻而产生很大的拉应力, 同时路面除了在温度骤降引起过大的收缩应力而开裂外, 在温度昼夜反复的降温和升温过程中所产生的反复拉伸应力的作用, 引起沥青混合料的疲劳, 也是沥青路面产生横向开裂的主要原因。而且, 沥青混合料的抗拉强度与温度有密切关系, 随着温度的降低, 抗拉强度增大, 当低于某一温度后, 抗拉强度又随着降低, 抗拉强度与温度的关系曲线出现一峰值。
3 常用的沥青路面裂缝的预防和处理措施
延缓和减轻半刚性基层沥青混凝土面层的荷载型裂缝和非荷载型裂缝, 可采用两大类方法:一是在施工期间就采取相应的预防裂缝或处理措施;二是在维修养护时选用合适的加铺层体系。
3.1 提高路基工作区的强度和稳定性
路基是路面的基础, 路基工作区又是路基经受行车荷载影响较大的深度区域, 该深度区域具有足够的强度和整体稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要, 否则将产生不均匀沉降使路面发生开裂。路基工作区深度:
Za= (knP/γ) 1/3
式中 Za—路基工作区深度, m;
P—车轮荷载, kN;
k—系数, 取k=0.5m;
γ—上的容重, kN/m3;
n—系数, n=1/10～1/5。
从上式可以看出, 在路基的某一深度处, 车辆荷载引起的应力与路基自重引起的应力相比只占一小部分 (1/5～1/10) , 在此深度以下, 车辆荷载对土基的作用影响很小, 可以忽略不计;在此深度以上, 车辆荷载P越重, 路基工作区的深度Za就越大[2]。我国公路与城市道路路面设计规范中均以100 kN作为设计标准轴重, 当公路建成后, 路基工作区的深度已经是固定成型了。公路交付使用后, 当公路上车辆超载运行时, 路基工作区的深度Za必将会随之加大, 这样路基工作区的实际深度超出了设计深度, 造成了路基强度、稳定性、刚度明显不足, 在实际使用中, 路基路面就会产生裂缝、沉陷、车辙等病害。因此, 为了防止公路超载而引起的路基路面裂缝等不利后果, 在路基施工时对路基工作区的实际施工深度应大于设计深度。
3.2 基层应有合理厚度
当半刚性基层厚度增加时, 其承载能力也迅速增加, 所以在条件允许的情况下, 应适当考虑增加半刚性基层的厚度。
3.3 沥青混合料设计
SHRP (美国战略公路研究计划) 的研究成果认为, 沥青性能对沥青路面低温抗裂性的贡献率高达80%, 这里的沥青性能是指沥青的低温性能。从SHRP成果及加拿大的沥青新标准指标体系和国内“八五”国家科技攻关“道路沥青与沥青混合料路用性能的研究”的研究结果来看, 都是以感温性为核心。感温性是以PI、当量脆点、10 ℃延度为指标。总之, 使用稠度低、温度敏感性低的沥青, 可以减少或延缓路面的开裂。在稳定度满足要求的前提下, 选用针入度较大的沥青作两层。美国和英国的研究表明, 在沥青混凝士中使用软的沥青可以阻止低温收缩及高温疲劳作用两种机理引起的裂缝扩展。在条件允许的情况, 可以采用间断级配、大空隙、密实型的沥青玛蹄脂碎石 (SMA) 混合料和采用改性沥青。SMA混合料具有良好的高温稳定性、低温抗裂性能, 抗车辙性能好、使用寿命长, 是防裂路面设计时应选用的一项新技术。
3.4 设置应力吸收层
在基层与面层之间铺橡胶沥青中间层、土工织物或土工格栅中间层、低粘度沥青混凝土层等均匀应力吸收层。用土工格栅加筋沥青路面的主要功能, 是控制车辙、反射裂缝和疲劳裂缝, 不同类型格栅性能显著不同。
3.5 施工控制裂缝发生
在施工方面, 控制半刚性基层碾压时的含水量为最佳含水量的0.9倍, 压实度达到规范要求, 碾压完成后要及时保湿养护, 防止基层干晒, 养护结束后, 立即喷洒沥青乳液, 做成透层或粘层, 然后尽快铺沥青面层[3]。
4结语
公路铺设沥青面层前, 采取裂缝预防措施和处理技术可以减少路面裂缝的出现, 合理确定路面结构及其厚度, 严格控制施工工艺, 加强管理可以一定程度上预防和延缓裂缝的产生。尽管科研人员研究和采用了很多预防与控制措施, 但是只能起到推迟和延缓的作用, 并不能防止和消除裂缝的产生。新建半刚性沥青路面上出现的裂缝大多是沥青路面本身产生的温度裂缝, 如何提高沥青面层的防裂性能, 改善沥青及沥青混合料的使用品质是今后研究的主要方向。裂缝的及时处理, 对延长路面使用寿命具有积极的意义。我国沥青路面维修技术的研究比较滞后, 相比较而言, 美国的SHRP多个子项目对裂缝处治技术进行了深入研究, 在SHRP结束后, FHWA资助的NCHRP进行了后续研究, SHRP-106裂缝处理研究了北美地区不同裂缝的处理方法, 值得技术人员学习研究。 [ID:6045]
参考文献
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[3]冯宏伟.浅谈公路沥青路面裂缝的预防和处理[J].跨世纪, 2008, (11) :11-16.
半刚性基层是以碎石、石屑、砂和水加一定比例水泥拌制而成的混合料结构。在1983年的世界第十七届道路会议上, 将具有水硬性结合料处治层的沥青混凝土路面正式命名为半刚性基层沥青混凝土路面。半刚性基层由于强度高、承载能力大, 比柔性基层路面结构造价低, 在我国获得了极为广泛的应用, 是目前不同等级公路普遍采用的路面结构类型。半刚性基层在我国的实践使用时间不足30年, 在其充分表现出优点的同时, 它的明显固有缺陷也一直伴随其间, 其中最主要的就是我们一再提到的开裂问题。
2 半刚性基层裂缝成因分析 (设计理论)
2.1 路面结构中的应力可分为压应力、拉应力和剪应力, 从而对应地产生压应变、拉应变和剪应变。
有资料显示, 通过对半刚性基层顶面不同厚度的沥青层的弯沉检测结果对比分析, 证明沥青面层主要起功能性作用, 而其厚度对半刚性基层路面的承载能力无明显影响, 即半刚性基层基本提供了全部的承载能力, 由此可见, 沥青路面在行车的冲击荷载作用下, 半刚性基层底面会产生弯拉应力, 从而造成弯拉疲劳破坏;半刚性基层由于有一定的板体性和整体性, 抵抗行车压应力的能力足够, 基本上不会产生压缩变形。
2.2 半刚性基层的开裂成因机理比较复杂, 干燥收缩、温度收缩对于
以水泥为胶凝材料的基层而言应该是主导因素, 塑性收缩发生在施工过程中和施工完成之后一段时间, 由于半刚性基层混合料的密度较低, 空隙率较大, 再加上含水量较少, 极容易在高温施工中发生蒸发速率大于泌水速率的现象, 塑性收缩因此发生。
2.3 基层裂缝一般以横向裂缝为主, 随着时间的推移, 这类裂缝都会通裂。
经查阅相关资料, 当横向裂缝较密集时 (例如每5m一道) , 还会伴随出现纵向裂缝, 这与成板理论有关:一般基层的宽度在12m左右, 当出现每5m一道的横向裂缝后, 这块基层板就变成了横向的狭长板, 长宽比失当, 在这个狭长板的中间附近就会继续开裂出纵向裂缝, 以维持这块板的长宽比例。当然出现纵向裂缝也要警惕路基问题, 但一定比例的纵向裂缝只是由于横缝导致的长宽比例失当诱发新的裂缝之故。
3 影响半刚性基层裂缝形成的因素 (施工缺陷)
一般施工中人们对基层质量没有沥青面层重视, 施工不能完全符合设计和规范要求。下面我就影响半刚性基层裂缝形成的主要施工因素进行简要的分析论述:
3.1 主要材料对半刚性基层裂缝的影响
3.1.1 水泥
水泥的初终凝时间对保证基层质量很重要, 但这也存在两面性:初终凝时间不够, 会直接影响基层的施工质量, 毕竟基层施工需要一定的工作时间才能完成摊铺、碾压, 经实践表明, 宜选用初凝时间3h以上和终凝时间较长 (6h以上) 的水泥;但时间过长, 水分散逸, 水化热不能充分进行, 未充分水化的水泥则成了开裂的诱因。例如:早强水泥是施工单位愿意采用的, 因为规范是按7天无侧限抗压强度来描述基层施工质量的, 但对于基层的结构品质而言, 早强水泥在前期提供了过高过快的强度发展指标, 使基层过早的塑化, 同样由于基层施工的宽度、厚度、长度都达到了一个很极端的状态, 内部应力过大, 导致基层产生裂缝。
水泥剂量要通过配合比设计试验确定, 但设计水泥剂量宜按配合比试验确定的剂量增加0.5%~1%。水泥的用量增加除了使强度增加而贡献裂缝之外, 过多的水泥也会增加化学收缩、自生收缩发生的趋势, 目前, 尚未见更多水泥对裂缝影响的的研究资料、报告, 现行规范中提及的水泥用量研究结果 (水泥用量超过6%时开裂明显) 被大家所认同。灾后重建LGSG1、LGSG2、LGSG3标段水稳碎石基层按施工验证配合比试验确定的水泥剂量为4.6%、5.4%、4.6%, 施工完成并且养生合格的基层经短期通车后, 裂缝较少, 符合规范要求, 说明水泥剂量能满足工程质量需要。
3.1.2 石屑
石屑在基层配合比设计中占有重要位置, 但一般用在基层的石屑的质量令人担忧, 0.075mm以下的比例很难保证在5%~7%以下;含泥量偏大, 这与石场的加工工艺有关, 也与雨天采石加工有关。通常人们认为采用石屑可以减少裂缝, 采用河砂会增加裂缝, 但实际情况表明细集料中对裂缝产生起主要作用的是0.075mm左右的材料, 这与其有较大的线性膨胀系数有关, 由于这类细料比表面积 (1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积) 大, 遇水膨胀, 失水后收缩变形大, 是造成半刚性基层开裂的关键之一。因此, 采用较粗的石屑有利于改善基层的抗裂性。
灾后重建LGSG1、LGSG2、LGSG3标段地处武都、文县地区, 白龙江沿岸所采河砂含泥量小 (都在5%以下) , 质量较好;但是沿线的石料场通过山体开挖所生产的砂子, 含泥量大 (普遍都超过5%, 个别料场生产的达到9.3%) 。经施工完成并行车碾压一段时间后观察, 掺配河砂铺筑的基层比掺配山体开挖生产的砂子铺筑的基层质量效果要好一些, 裂缝较少, 更能满足规范要求。这种现象说明, 0.075mm以下的集料对基层裂缝的产生影响比较大。
3.2 混合料拌和对裂缝的影响 (不能保证设计配合比)
由于稳定土厂拌均采用连续式的拌和设备, 形成了先天性的不足:计量系统的误差较大, 特别是水泥的计量不精确;搅拌缸长度不够, 混合料均匀性差;含水量的控制误差偏大;由于施工中的各类问题, 不可能保证长时间的稳定的连续拌和出料, 断断续续出料过程造成了配合比的误差大。在这样的条件下生产出来的稳定土材料由于较大的背离了设计配合比曲线, 对于基层质量影响是很大的。
尽快淘汰较旧的厂拌设备, 采用计量精度更高、产量在400吨/小时以上的拌和设备, 也是改善抗裂性的保证。
3.3 养生
经工程实践证明, 比较理想的养生方法是采用可透气并保水的土工材料进行覆盖并用水车洒水保湿, 在养护期间, 应阻止车辆通行碾压, 防止扰动。灾后重建LGSG3标段一分部用此方法施工的一段基层效果极好, 整个养生期覆盖的土工材料始终保持湿润, 由于基层在养生期得到了良好保水, 基层的质量稳定, 裂缝在一段时间内很少发生, 但这种养生的成本比较高, 施工半幅通车养护难度大, 全面采用在本工程中不能实现。
3.4 气候影响
太阳的长时间照射使裸露在自然环境下的基层容易开裂。值得注意的是在反复下雨天晴的变化中, 基层裂缝更会快速发展, 当雨水停留在未施工完毕的中央分隔带或沿裂缝渗到基层下面路基结构中后, 被水侵害的路基就会直接影响到基层质量, 产生裂缝。灾后重建LGSG2、LGSG3标段所处地域在2009年8月和9月份就存在反复下雨天晴的变化, 经观察, 施工的基层也有因此而开裂的现象。
4 结论
半刚性基层普遍存在裂缝, 这种现象可以减少但无法避免, 防止基层裂缝反射到沥青混合料面层及防止因裂缝导致过早的水破坏发生是我们应注意的要点。透层的采用可增强基层的抗水冲刷能力, 使基层和沥青面层的结合更牢固, 可以最大限度的保护基层开放交通后的质量。下封层 (防水层) 对于封闭基层裂缝有明显作用, 而对于防止路面水渗入基层更是有显著功效。经研究对比, 采用骨架密实型半刚性基层, 比悬浮密实型结构有更加优越的使用性能;在基层和下面层之间设置沥青稳定排水基层 (ATPB) 能将进入路面结构内的水分迅速排到路面外, 提高路面结构承载能力, 同时延长使用寿命。
摘要：提出半刚性基层的固有缺陷即易产生裂缝破坏, 并就裂缝成因及影响因素从设计理论和施工方面进行了分析论述。
1 半刚性基层沥青路面发生病害的形式
我国目前在对沥青路面进行修建的时候, 多采用强基薄面的机构组合设计, 因为这种路面的结构整体抗压性会比较强, 理论上按照交通负荷量, 结构性的破坏在短期内出现的几率比较低。然而很多时候, 由于路面自然环境的变化, 一些人为因素的影响, 我国的这些路面却很容易出现病害问题, 路面的承载能力也会相应的出现问题。总的来说, 结构性破坏和非结构性破坏是两类我国沥青路面出现的病害问题。
1.1 龟裂
龟裂表现为半刚性基层沥青路面上出现很多类似于龟纹的小裂缝, 其宽度一般在3~10mm, 是局部网裂的延续。造成龟裂的原因一般是由于路面的强度整体不足, 或者是大负荷行车现象的发生, 这就会造成路面出现裂纹。如果没有及时修复和养护这些裂纹, 长期下去, 就会出现裂缝。公路养护部门要十分重视对路面的龟裂现象, 这对交通的安全性有很大的影响。
1.2 车辙
修建半刚性沥青路面所使用的材料多是沥青混合料, 这种材料具有弹塑性, 当沥青路面周围环境的温度较高时, 如果进行高负荷的行车, 就会造成路面变形, 这就称之为车辙。车辙是沥青路面上一种特有的病害, 这是由于建筑材料的特殊性造成的。由于车辙具有不可修复性, 或者是修复难度系数大, 使它成为较为严重的沥青路面病害。
1.3 裂缝
裂缝常见的形式一般有三种:一是横向裂缝, 顾名思义, 这种裂缝的产生会贯穿整个路面, 如果裂缝的程度较大, 会破坏路面的结构层;二是纵向裂缝, 这种裂缝类型呈现出一种与路面中线平行的而一种状态, 一般长度较长, 在一些新旧路面上容易出现这种裂缝形式;三是块状裂缝, 块状裂缝的产生多是由于自然环境造成的, 如果气温骤降或者是温度太高, 在路面材料发生热胀冷缩的物理现象时, 就非常容易出现块状裂纹, 或者是有的路面同时出现横向裂缝和纵向裂缝, 也会造成这种现象的发生。
2 半刚性基层沥青路面出现病害的原因
2.1 使用材料不合格
目前我国在修建半刚性基层沥青路面时使用的就是沥青材料, 这种材料中的颗粒物较小, 粗集料较少, 同时由于沥青材料的弹塑性强, 就造成路面受自然环境的影响较大, 这就加快了路面裂缝产生的几率。由于对施工单位在施工时监管力度不够, 有些施工队伍会改变沥青材料的构成, 增加水泥的使用量, 这样就会使路面变得比较脆弱, 加快裂缝的产生。
2.2 施工质量不过关
现在我国路面都采用厚积薄面的形式, 但是很多施工单位在施工时, 基层厚度都达不到标准, 一般情况下, 半刚性基层沥青路面的基层厚度应该大于18cm, 当路面达到了修建标准时, 能有效的缓解这种病害问题的发生。同时, 在施工时加大对路面的碾压力度, 提高压实性, 在路面投入使用后, 要实时对路面进行养护。
3 半刚性基层沥青路面病害的防治措施
3.1 认真选择沥青原材料
修建半刚性基层沥青路面材料的质量, 直接决定了路面的施工质量。在路面施工之前, 应该根据施工路面周边的实际环境, 选择最合适的施工材料, 并在施工过程中严格按照步骤进行, 严禁使用不符合要求的施工材料。
3.2 合理配比沥青材料
材料的配比是施工单位在施工之前最主要的工作之一, 需要通过多次的实验确定最合理的配合比例。在设计配合比的时候, 要着重考虑材料的耐久性和稳定性, 主要的测试手段可以用马歇尔试验, 确定好指标。在半刚性基层沥青路面中使用材料的配比要求严格, 材料的粗细级配要严格控制, 严禁使用其他材料代替, 造成沥青材料的不合格。在施工过程中, 施工单位不仅要做好监管工作, 也要加强自检力度, 严格控制材料颗粒的尺寸。
3.3 规范施工现场
一般公路工程的施工期都较长, 各个环节、工序繁多, 施工人员必须进行严格的管理, 确保每一环节的合格。在施工期间, 要密切关注施工环境的变化, 比如在有降水时, 应该暂停施工, 避免造成建筑材料中含水量发生变化, 造成质量问题;在极端的冷天气时, 也应该停止施工, 一般情况下, 施工现场的气温应该高于5 摄氏度。在施工开始之前, 应该对底基层进行整修处理, 保持表面整洁, 避免为半刚性基层沥青路面病害的出现留下隐患。
3.4 沥青混凝土面层病害对策以及质量控制
(1) 路面施工前的检测。在沥青路面施工之前, 要对底基层进行质量检测。路面最主要的承重层就是底基层, 底基层的质量对路面的使用寿命具有直接的影响。在施工之前, 施工单位应该按照相关规定认真检查底基层的质量问题, 及时发现底基层的薄弱点, 并对其进行整改处理, 使质量达到要求。同时还要对沥青材料进行检测, 等样品的检测结果出来之后, 根据结果再决定是否使用, 高质量的施工设备, 可以保障高质量的施工。
(2) 路面施工过程中的质量控制。在确定沥青混合料的配比之后, 要严格按照规定来控制用量, 以及搅拌温度的规范要求, 而且要对混合料进行充分的搅拌达到要求。为了使沥青混合料得到充分的搅拌, 可以通过试拌的方式来确定搅拌的时间, 搅拌充分的衡量标准就是搅拌均匀。在摊铺沥青混合料的时候, 要将机械调试到最佳状态, 保证摊铺厚度达到指标要求, 避免路面早期病害现象的出现, 同时防止质量隐患的产生。
3.5 加强路面养护工作
很多时候, 在路面刚出现问题时, 通过最基本的路面养护工作, 就可以修复问题, 避免问题的加重。时常优化路面的排水系统, 保证排水畅通, 避免洪水的侵害。同时加强对车辆的管理, 严格禁止车辆超载现象的出现, 尽可能的减少车辆对路面的损害。
4 结束语
半刚性基层沥青路面病害的防治是一项系统的工程。首先, 在施工的设备、工序等方面必须严格要求, 精益求精;其次, 施工单位要有高度的责任心, 在施工过程中严格监管, 全方位保证施工质量, 这样才是一项优良的建设工程。
摘要：半刚性基层沥青路面容易发生病害, 很多时候都是由于路面在提出设计、当地的自然环境、建设路面时使用的建筑材料、路面施工以及后期的路面养护方面都存在着问题。通过对半刚性沥青路面病害原因分析, 提出合理的防治措施, 解决沥青路面的病害问题。
关键词：半刚性,沥青路面病害,原因,防治措施
参考文献
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1 概念设计
对于沥青混合料来说, 无论路面是否存在耐久性极限, 公认的观点是:存在这样一个极限, 允许的重复作用次数足够大, 以至于室内梁式疲劳试验测不出来。美国俄亥俄州运输部对疲劳极限进行了室内试验验证, 结果表明针对于室内梁式疲劳试验存在疲劳极限, 永久性路面的结构性能与交通水平没有关系。2002年AI协会的试验也证明了这一结论。
半刚性基层为无机结合料处治材料, 在国外普遍用于交通量不很大的公路。半刚性基层的最大优点是板体性强, 有很高的承载能力, 但一般认为也有明显缺点:
(1) 反射裂缝;
(2) 透水性差;
(3) 强度、模量会在环境和荷载作用下衰减;
(4) 对重载敏感;
(5) 没有愈合能力。
南非Otte的研究表明当无机结合料处治层所产生的拉应力 (或拉应变) 低于一定限度 (弯拉强度的35%以下或断裂应变的25%以下) 后, 材料内部便不会产生微裂隙。即无机结合料处治材料也存在疲劳极限。因此, 若将半刚性基层的最大拉应力或拉应变控制在疲劳极限以内, 则缺点 (3) 、 (4) 、 (5) 是可以避免的。若做好半刚性层的防水, 则缺点 (2) 也是不需要考虑的。由此可以得出结论, 如果半刚性层存在疲劳极限, 只要控制住其反射裂缝向面层的扩展, 并做好半刚性层的防水, 实现半刚性结构的长寿命化是可能的。
根据以上分析, 结合我国现有半刚性基层沥青路面的使用经验, 针对重载交通, 突出面层的抗车辙能力, 初步推荐改良的半刚性基层沥青路面结构如下:
2 指标与参数选择
半刚性路面长寿命设计的关键:控制沥青层的弯拉应变和半刚性层的弯拉应力或应变;控制住半刚性层反射裂缝的扩展;避免半刚性层受水的浸泡或冲刷。
对于柔性路面而言, 设计标准为控制沥青层层底弯拉应变小于极限应变值, 路基土垂直压应变小于200με。所采用的荷载为在道路上行驶所能预测的最大荷载的实际车辆荷载, 并考虑一定量的超载下的荷载。极限应变值现在还没有统一, 一般非改性为60～70με, 改性沥青可以提高到100με。
而在基层或底基层中, 无机结合料处治材料的状态不同于试件。在开放交通前或开放初期, 由于温度和湿度引起的收缩受到约束, 无机结合料处置层在尚未使用或使用初期即会出现收缩裂缝, 基层或底基层开裂成板块状, 荷载作用于板块边缘 (裂缝两侧) 处产生的弯拉应力或弯拉应变偏小。Otte应用有限元法分析了带裂缝的无机结合料处治层的裂缝边缘应力, 得到了平行边缘处的层底水平向拉应力要比无裂缝结构层增大40%以内的计算结果。
因此, 最终以半刚性基层层底弯拉应力、沥青面层层底弯拉应变作为设计指标, 土基顶面的压应变作为验算指标。取沥青层的弯拉应变疲劳阈值为70με, 针对水泥稳定碎石, 取水泥碎石的弯拉强度经验值0.6MPa, 考虑反射裂缝引起的1.4倍应力扩大作用, 计算其疲劳极限应力阈值为0.6×0.35/1.4=0.15MPa。土基顶面压应变的疲劳阈值为200με。
依据文献1的研究结果, 选用重型车辆普遍使用的双排11.00～20轮胎, 轮胎间距实测为120mm, 假设轮胎接地压力均匀分布, 考虑不同轴重和胎压, 则计算荷载参数如表1所示。
研究结果表明, 沥青混凝土的弯拉模量约为抗压模量的2倍, 沥青混凝土的弯拉强度约为劈裂强度的2倍;半刚性基层的弯拉模量为抗压回弹模量的2～3倍, 半刚性基层的弯拉强度为劈裂强度的1.1～1.7倍。采用抗压模量, 使得拉应力计算偏低, 往往起不到控制作用。此外, 设计指标均基于弯拉状态, 为使指标与参数统一, 易采用弯拉模量。推荐结构材料的力学参数如表2所示。
3 力学模型建立与结果分析
假设各层材料为各向同性完全弹性体, 各层间完全连续, 采用有限元法对结构进行线弹性力学分析。采用SOILD45单元, 考虑对称性, 有限元模型尺寸长×宽×高 (z×x×y) 为6m×3m× (3m土基+结构厚度) 。有限元模型如图2所示。
沿横向路径分析结构的应力、应变变化规律。横向路径位于轮载横向对称轴位置, 起点坐标 (x, z) 为 (2m, 3m) , 终点坐标为 (3m, 3m) 。
由图3、图4可以得出:
(1) 半刚性基层弯拉应力、应变的最大值均发生在双轮的中心位置, 且随着与车轮荷载位置的距离变大而逐渐变小。
(2) 在路表双轮中心位置均产生较大的拉应变, 变化范围为50～90。
(3) 沥青层的最大拉应变发生在高模量层单轮下方较大范围内, 但沥青层底的拉应变均处于较小水平。
4 参数敏感性分析
将中面层和下面层同时作为联接层考虑, 假定各层完全连续。考虑表1中三种荷载类型, 以高模量层层底弯拉应变、半刚性层层底弯拉应力作为分析指标。
为减少计算次数, 采用正交法设计计算方案, 考虑因素及水平如表2所示, 正交表及计算结果见表3。
由图5～图6及表4可知, 高模量层底拉应变和半刚性层底拉应力受各因素的影响程度明显不同, 表现在:
(1) 随着荷载的增加, 部分工况下, 沥青层底拉应变增长非线性明显, 而半刚性层底拉应力则基本与荷载成比例增加。
(2) 对面层底拉应变影响最大的因素为联接层模量, 其次为联接层厚度与基层模量。随着荷载的增加, 基层的影响趋于显著。
(3) 对半刚性层底拉应力影响最大的因素为基层厚度, 其次为联接层厚度和基层模量, 基本不受荷载变化的影响。
5 结构厚度设计
长安大学提出的“重载沥青路面研究”报告表明:“沥青路面弯沉、弯拉应力曲线随轴重的增加呈非线性增加, 轴重50～130kN为线性, 轴重大于130kN呈非线性”, 加之考虑到部分高速公路采用计重收费后, 130kN的轴重表现出最高的经济性, 因此选取130kN作为设计荷载。采用相同的工况正交设计方案, 计算130kN条件下, 面层底的拉应变、半刚性层底弯拉应力及土基顶面压应变。计算结果如表5:
由表5可知, 土基压应变远远小于设计标准, 不起控制作用;面层底的拉应变处于20～50με之间, 小于疲劳极限阈值70με;半刚性层底的拉应力为0.075～0.30MPa之间, 起到了控制作用。
依据表5计算结果, 参照前文的设计指标, 推荐结构厚度及模量如表6所示。
分析表6结果可知, 设计结果具有如下特点:面层为14～16cm, 与普通半刚性基层沥青面层相当, 基层厚度为50～52cm, 明显大于普通的半刚性基层厚度, 土基模量为60MPa, 明显大于规范的要求。可见在此种结构组合条件下, 增大土基模量和基层厚度是实现长寿命的关键。
6 结论
本文基于目前重载交通半刚性基层沥青路面的使用经验, 通过调研国内外长寿命沥青路面的研究成果, 从理论上论证了半刚性基层沥青路面实现长寿命的可能, 并提出了利用高模量沥青混合料和应力吸收层进行结构改良的方法。针对改良结构, 采用弯拉模量和实测荷载分布进行了有限元分析, 结果表明, 从力学角度, 没有必要采用过大的面层厚度, 而适当增加土基模量和基层厚度是实现半刚性基层沥青路面长寿命化的关键。
参考文献
[1]董忠红, 吕彭民, 徐全亮.轴重与胎压对半刚性基层沥青路面动力响应影响理论研究[J].公路交通科技, 2008.
[2]公路沥青路面设计规范释义手册[M].人民交通出版社, 2009.
[3]辽宁省交通科学研究院.应力吸收层研究报告[R].2009.
[4]辽宁省交通科学研究院.高模量沥青混凝土研究报告[R].2009.
