柔性与半刚性基层沥青路面性能对比分析

张 强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着公路工程行业的发展，道路的作用更加多样化。在设计修建过程中，不断总结前人经验，改善不足之处。结合自然环境、行车要求、交通量大小、道路的用途等因素综合考虑拟修建或改建道路的路面结构应该如何选取。本文主要从路面结构基层材料的选取上作对比分析，两种材料各有优点，级配碎石作为基层的沥青路面问题在于强度的提高，而半刚性基层沥青路面的问题在于反射裂缝的控制。目前级配碎石常用作半刚性或刚性基层沥青路面的中间层，作为倒装结构，有效减缓反射裂缝的扩展，增加路面的使用寿命。

1 级配碎石柔性基层

1.1 级配碎石

级配碎石具有较好的透水性能和力学特性，常用作半刚性基层与沥青混合料面层的中间过渡层，能在一定程度上阻止路面结构反射裂缝的产生和扩展，起到改变路面结构受力作用，提高路面的使用年限。在沥青面层与半刚性基层之间铺筑一定厚度的级配碎石形成倒装结构，起到很好的过渡作用，充分发挥半刚性层和柔性层的优点。

级配碎石是无黏结混合料，试验室按照各档级配含量加入一定量的矿粉和水拌和后，采用重型击实方法成型[1]。级配碎石的级配范围如表1所示[2]。

级配碎石不同级配类型对应不同的力学性能。最大干密度越大，对应的CBR值越大，力学性能越好[3]。本文试验级配碎石各档含量如表2所示。表2中级配①是多组级配试验得出最大干密度最大的级配类型，形成骨架密实型结构。

表1 级配碎石的建议级配范围 %

表2 级配集料各档含量 g

1.2 回弹模量

参考《公路沥青路面设计规范》[4]按弯沉计算得到级配碎石基层的抗压回弹模量范围在300～350 MPa。采用公路土工试验规程JTG E40—2007中土的回弹模量试验方法在单位压力为700 kPa时按照式（1）计算得到回弹模量值321.621 MPa，在范围300～350 MPa之间，则级配类型良好。

式中：E为荷载作用下级配碎石回弹模量值；μ0为泊松比，取0.35；D为贯入杆直径，取50 mm；P为贯入杆压力，MPa；L为相对于荷载P时回弹变形。

1.3 沥青混合料面层

沥青混合料是黏弹性材料，严格意义上不能采用弹性层状体系理论分析计算沥青路面结构的力学响应。在我国当前的公路沥青路面设计规范JTG D50—2006规定采用20℃的抗压回弹模量计算弯沉，采用15℃的抗压回弹模量计算层底弯拉应力[4-5]。由于沥青混合料的抗压回弹模量受温度的影响很大，沥青混合料的抗压回弹模量随着温度的增大而降低[6]。AC-13沥青混合料在不同温度20℃、25℃、30℃、45℃、60℃、70℃抗压回弹模量测试结果如图1所示。得出在20℃的抗压回弹模量值约为620 MPa。

图1 不同温度下沥青混合料的抗压回弹模量

2 半刚性基层

2.1 半刚性基层特性

半刚性基层介于柔性基层与刚性基层之间，但半刚性基层与柔性沥青混合料面层模量差别较大，易形成反射裂缝，透水性差。半刚性材料具有强度高、承载力大、水稳性好、板体性强等特点，原材料容易取得，但也存在着抗裂性不足、抗冲刷能力不足等缺点。常见的半刚性基层有水泥稳定类基层、石灰稳定类基层。

半刚性基层材料的强度获得不仅要靠一定剂量的结合料，更要有良好级配的集料。半刚性基层材料的抗压回弹模量的取值范围[7]见表3。水泥、石灰、粉煤灰稳定集料基层材料的抗压回弹模量在1 000 MPa左右。

表3 半刚性材料的抗压回弹模量取值

2.2 半刚性基层改善措施

半刚性基层材料受压破坏实际上是一种剪切破坏[8]。剪切强度τ的大小取决于材料的内摩阻角φ和黏聚力c，剪切强度计算式如式（2）所示：

使剪切强度增大可以采用增大c，也可以采用增大σtanφ。增大黏聚力c是通过增加结合料剂量来提高半刚性材料强度，增大σtanφ是通过选择级配良好的集料并合理确定粗集料的比例形成骨架密实型结构。

半刚性基层材料因为加入结合料（一般为水泥），不可避免地具有干缩和温缩特性。及时地保湿养生可以减少基层的干燥收缩裂缝；控制细料的含量，尤其是控制粒径小于0.075 mm的细料含量可以显著减少基层的温度收缩裂缝，随着集料粒径的减小，温度收缩系数大[8]。通过减少细料含量、增加结合强度等适当的材料组成设计，可以显著地提高半刚性基层材料的抗冲刷性能[9]。

3 对比分析

级配碎石柔性基层沥青路面与水泥稳定集料基层沥青路面相比，级配碎石基层回弹模量（300～350 MPa）与沥青混合料面层抗压回弹模量（620 MPa）差值在270～320 MPa之间，而水泥稳定集料基层抗压回弹模量（900～1 100 MPa）与沥青混合料面层抗压回弹模量差值在280～480 MPa范围内。前者差值绝对值比后者相对较小，根据两层间模量越接近，力学性能越相当，有助于反射裂缝减少。

路面结构的层状体系决定基层和面层因为不同材料存在层间黏结行为。加强层间黏结能促进提高路面层状结构的连续性和耐久性，进而一定程度上提高沥青路面的使用寿命。半刚性基层沥青路面基本都是在层间发生剪切破坏，层间抗剪切能力小于半刚性基层和沥青混合料的抗剪切能力，层间是半刚性基层沥青路面的薄弱环节[10]。

对于级配碎石柔性基层沥青路面，基层回弹模量值小于沥青面层模量值，基层抗压强度是其中的薄弱环节。采取调整级配碎石级配类型的方法尽量使级配碎石的CBR值增大，能够有效地提高级配碎石柔性基层的强度，使基层回弹模量与面层回弹模量更趋于接近，增强路面结构的整体性，延长道路使用寿命。

4 结论

a）级配碎石柔性基层与半刚性基层沥青路面都具有层状结构体系，需要黏结层来提高路面的整体性。合理的级配类型能够使级配碎石的强度得到充分的发挥运用，恰当的集料类型有利于半刚性基层强度性能和层间黏结行为二者的兼顾。

b）改善层间黏结薄弱环节带来的路面损害是半刚性基层沥青路面的重点内容，而通过优选级配碎石的级配类型是解决级配碎石柔性基层强度不足的主要措施。

c）根据不同环境、交通量大小、道路用途等各因素选取柔性基层或半刚性基层作为沥青路面的基层，因地制宜，充分发挥各自的优点，尽量弥补不足之处，根据实际应用对道路以后的发展有一定的指导意义。