沥青路面高等级公路半刚性基层的病害机理与表现

秦鸿儒

(深圳高速工程顾问有限公司，广东 深圳 518094)

1 概 述

由于半刚性基层具有工程造价低、大规模机械施工操作方便、材料强度高、刚性强、水稳定性好、板体质量好，在需求增加的情况下，我国以半刚性材料为基础结构的高等级公路越来越多。目前半刚性基层作为路面基层的主流结构形式，以在绝大多数高等级公路沥青路面上投入应用，并且后续新建高等级公路中仍将大量存在。随着运营阶段的存量道路总量不断增加，半刚性沥青路面的裂缝越来越大，是其结构的主要缺陷。高等级公路的日常养护工作往往注重面层病害的处置而不能彻底消除基层病害隐患，因此结合基层病害的发生与发展情况，综合判定半刚性基层沥青路面的病害，对制定切实有效的维修方案具有重大意义。

2 半刚性基层结构的病害机理

2.1 半刚性基层的温缩裂缝

温缩裂缝是半刚性基层的常见病害表现。半刚性基层材料的表面膨胀是不同温度(固体、液体和气体)收缩的综合结果。固相主要由矿物颗粒组成，原料中砂粒的温度收缩系数和粉末(特别是粘土矿物)下颗粒的温度收缩系数较高；液相由半刚性基层材料内部毛细孔、凝胶孔中的水组成，其表面张力、冰冻作用、扩张作用对半刚性材料的温宿产生影响，在一般含水量下有较大的温度收缩，而在饱水和干燥状态下温度收缩较小；气相一般与大气贯通，对材料整体的温缩影响可忽略不计。

考虑到上述三个阶段的相互作用和影响，无论是否完成沥青铺设的半刚性基层材料，半刚性材料本身也会因季节温度变化而受到一定程度的温度降低。当外界温度降低幅度较大时，半刚性基层材料内部的拉应力与拉应变增大，超过其抗拉强度从而引起基层开裂。一般半刚性基层施工在高温季节进行，施工过程中的昼夜温差即可在基层中产生较大应力从而产生裂缝。

2.2 荷载形成的路面裂缝

行车荷载通过沥青路面传递给半刚性基层，在一定强度的车轮载荷下，沥青路面的回弹变形逐渐增加，导致半刚性基础底部出现弯曲应力，并且大于半刚性基础材料的拉伸强度，其结构整体性即遭到破坏，发生开裂。在以重车荷载为代表的车辆荷载反复作用下，原半刚性基层裂缝部位产生应力集中，其裂缝位置逐步扩展，反射至沥青面层，表现为沥青面层的开裂。由于面层开裂导致雨水的侵入，进一步加重破损。雨水侵蚀、重车荷载及结构本身的应力集中，同常在路面表现为轮迹带处的密集纵向裂缝或网状裂缝。

2.3 沥青面层的温缩裂缝

温缩裂缝及荷载形成的裂缝均为自下而上的发展，除此之外，沥青面层的温缩裂缝会自上而下导致半刚性基层的病害产生。沥青混合料在夏季高温状态下具有良好的应力松弛性能，易产生车辙而不易产生裂缝。当冬季气温下降时，沥青混合料变得越来越硬，并随着路面结构上的温度梯度而收缩。当外界环境温度下降幅度较大时，沥青混合料的应力松弛性能赶不上应力增长，产生拉应力。随着环境温度进一步降低，使沥青混合料进一步收缩，当沥青混合料中产生的收缩拉应力超过其抗拉强度时就会产生开裂。沥青面层一旦开裂，裂缝处会产生较大的应力集中，加之雨水侵蚀与行车荷载的综合作用，会导致裂缝向下延伸并逐渐贯穿整个沥青面层，并对半刚性基层产生破坏。

3 工程实例中的半刚性基层病害表现

在理论分析的基础上，结合某公路大修场地地表开挖后半刚性基层的病害特征，可以进一步认识半刚性基层的病害情况和表现。

3.1 工程背景

案例高速公路于1997年通车，设计速度100 km/h，路面设计使用年限15年，主线为六车道，设计年限内单车道累计当量标准轴次为812万次，路面容许弯沉Lr=0.37 mm，路基宽度32 m，路面宽度22.5 m，路幅布置为：路基标准宽度为32 m，包括中央分隔带3.0 m；两侧土路肩各0.75 m；两侧硬路肩各2.5 m；两侧行车道各3×3.75 m。路面横坡度(包括行车道、硬路肩)为2%，土路肩横坡度为3%。随着使用年限的增长和路面性能的不断衰减，对该高速公路开展大修工程以恢复其使用性能。

表1 路面结构组合

3.2 半刚性基层的病害表象与处置建议

根据大修现场的情况，在沥青面层开挖并清扫完毕后，半刚性基层的病害情况由轻到重表现单一裂缝、网状/块状裂缝、松散破碎三种形式。

(1)单一裂缝。在靠近中央分隔带的超车道，路面病害以间隔一定距离的横向裂缝为主，结合开挖后的情况，可发现半刚性基层病害表现为与路面裂缝对应的横向裂缝。在部分路段的中间行车道，其路面为单一横向裂缝的基层病害，以及超车道、中间行车道的部分位置有不规则的纵向单一裂缝的病害，其开挖后的半刚性基层也符合上述情况。

结合现场实际情况，超车道、中间行车道以小型车辆为主，车辆荷载对路面结构的影响很小，横向裂缝以及偶发的纵向裂缝主要由于半刚性基层本身的温缩裂缝反射到面层产生，其基层仍具有良好的整体性与强度，在维修过程中可以采用灌缝、抗裂贴等方式处置后即可回填沥青面层。

(2)网状/块状裂缝。在路幅右侧重车道的轮迹带位置，沥青面层有连续的网状、块状裂缝，伴有部分坑槽与沉陷的位置，面层开挖后半刚性基层对应位置有连续的网状/块状裂缝。此种情况主要是由于重车荷载的反复作用使沥青面层开裂，面层受力结构的破坏使半刚性基层出现应力集中，并随之出现网状/块状裂缝。半刚性基层的块状裂缝可通过玻纤格栅作为应力吸收层，在玻纤格栅上铺筑面层，可达到较好的修复效果。

(3)松散破碎。如果不及时对重型车道轮轨的单条裂缝或网状、大块裂缝以及一些开挖断面排水不畅的路段采取养护措施，在雨水冲刷和车辆荷载的反复作用下，半刚性基层也会出现严重病害。不仅表面会出现凹坑和凹槽，沉陷以及大面积的裂缝，根据现场开挖情况，基层呈现出松散破碎的状态，此种状态的基础是没有承载能力的，因而在维修时需根据实际情况进行基础的开挖换填，然后再进行面层施工。

4 结 语

高速公路运营服务水平取决于科学有效的养护，仅沥青路面养护往往导致重复施工和养护效果差。结合半刚性基层的病害机理和相应的路面病害表现，以及交通荷载和降雨排水因素的可能影响，对养护深度进行综合判断，可以使养护工作更加有效，对保证高速公路的技术状态和服务水平具有重要意义。