沥青路面级配碎石基层性能改善分析

文/梁毅

1 前言

在当前道路工程施工中，通常会在半刚性基层与沥青面层之间铺设级配碎石，以对沥青路面结构进行完善，有效提升半刚性基层的强度、稳定性和承载力。但是，在级配碎石技术应用过程中，不同的技术控制会对级配碎石模量和强度造成直接影响，进而影响到面层底应力应变和路面的疲劳寿命，尤其是在行车荷载较大的情形下，会造成沥青路面出现裂缝，甚至是永久变形情况。因此，为了更好地提升级配碎石基层性能，我们需要采取对应的措施，以满足公路路面日益增长的交通压力需求。

2 级配碎石材料概述

2.1 级配碎石材料的特点

级配碎石是应用于道路工程建设将不同粒径碎石和石屑根据设计及方案要求的级配混合并碾压成型的层状结构。级配材料性能主要取决于碎石自身强度和嵌挤作用的实际效果，只有在提升级配技术性能并采取对应施工工艺基础上，才能够使得结构内部密实度不断提升，满足道路建设和运行的性能要求。级配碎石材料主要体现在如下方面：

2.1.1 具有良好的稳定性和抗变形能力，能够起到防止和延缓反射裂缝发展的作用[1]。

2.1.2 碎石间的相互嵌挤作用、摩擦作用、密实程度及摊铺作业质量等，都会对级配碎石的力学性能产生不同程度的影响。

2.1.3 级配碎石本身具有散粒体特征，在抗弯拉、抗疲劳等方面存在一定不足，因此在应用时必须要通过路面结构设计和施工技术控制工作，将这些因素带来的负面影响降到最低水平，提升力学性能。

2.2 级配碎石原材料的技术要求

级配碎石原材料是路面施工质量控制的重要影响因素，在选择石料时，需从如下方面着手，实现质量控制精细化管理。

2.2.1 控制针片状颗粒含量，其主要是指最大长、宽、厚数据比不大于3 的粗集料颗粒。在含量较大的情形下，会对碎石之间的嵌挤作用造成影响，并且直接导致级配碎石层强度无法达到设计要求。另外，在我国公路施工规范中，还没有关于这一指标的具体要求；参照欧洲相关方面的标准，通常情形下应当控制在20%以内。

2.2.2 控制压碎值和洛杉矶磨耗值，前者主要体现石料自身在荷载不断增加下的抗压碎能力，后者则能够反应集料自身强度[2]。

2.2.3 主要控制石料的塑性指数和液限，其主要反映的是粒径在0.5mm 以下的细集料质量，在指数和液限越大的情形下，材料的透水性就越差；在达到一定程度时，其会由于车辙作用产生明显的路面结构破坏现象，进而给公路正常使用带来影响。

2.2.4 明确材料的坚固性指标，确保指标能够达到《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求。

2.3 级配碎石级配要求

在我国公路工程设计和施工方面的研究中，将粒料混合料划分为骨架空隙型结构、密实型结构和悬浮密实型结构三种类型。其中，骨架空隙型结构施工碾压较为困难，但是透水性较好；密实型结构在施工和抗剪强度上都具有一定优势，整体应用较为广泛；而悬浮密实型结构由于透水性较差，使得其强度和稳定性都有所不足。根据相关规范中级配碎石基层级配范围要求，在具体设计和施工中，应尽量选择骨架密实型结构，并确定其级配范围。

3 级配碎石厚度对路面性能的影响

3.1 基层厚度对面层底应力应变的影响

沥青路面施工中，级配碎石性能直接受到基层厚度影响，因此我们首先需要分析级配碎石厚度对应力应变的影响。分析方法是应用有限元模型进行分析，通过对不同面层厚度和基层模量进行参数设置，由模型自动计算不同基层厚度下沥青路面面层底的拉应力和拉应变。在不同面层结构基层厚度不断增加的情形下，面层底拉应力和拉应变结果都会减小；但是，在面层厚度增加到一定程度时，所引起的变化幅度越来越小。因此，将级配碎石作为沥青路面基层材料时，片面增加厚度并不会有效提升路面的力学性能，反而会增加施工成本，进而对施工企业成本控制造成影响。

3.2 基层厚度对沥青路面疲劳寿命的影响

公路沥青路面长期运行过程中，由于车辆荷载作用影响，局部范围内的损伤会逐渐积累，并由此导致路面结构产生不同形式的缺陷，在处理不及时或处理不当的情况下，将会使得原生裂纹现象不断扩展，甚至造成结构性破坏，进而造成路面失去交通功能。随着沥青路面厚度的增加，疲劳寿面会产生小幅增加，在厚度不超过40cm 情形下，基层厚度增加5cm，寿命提升幅度约为5%左右；但是超出此厚度范围后，所能够带来的增加幅度极为有限。因此，在进行设计时，应将级配碎石厚度控制在20～40cm 之间为宜。

4 提升级配碎石强度的措施

4.1 纤维掺入对碎石强度影响的机理

级配碎石层属于散体性材料，基于理论层面而言，其自身并不会传递应力应变，而将其应用于公路沥青面层与半刚性基层之间，却能够较好地避免沥青路面所产生的反射裂缝。另外，级配碎石层受抗拉、抗剪强度及失效应变等力学性能方面的限制，公路路面在长期运行中必然会产生不同程度的变形及疲劳裂缝现象。在原有施工技术体系中，多是通过对原材料性质和级配范围进行调整，达到性能优化的目的，但是其在调整至一定程度时，就会出现性能提升边际效应，进而使得优化效果与施工成本之间产生偏差。因此，要想更好地提升级配碎石整体强度，就必须考虑添加纤维材料等形式。

4.2 纤维作用机理分析

纤维材料从性质上而言，是一种连续或不连续细丝组成的物质，并且它可以与其他物料组合而成新的复合材料。将纤维材料应用于级配碎石配比中，其作用机理是能够利用纤维特性，尽量减少甚至是消除外部荷载所引起的细微裂缝现象。通过对添加纤维材料的长细比、形状和添加量等方式，改变级配碎石的物质性质，增加纤维与现有材料之间的摩擦力、粘结力等；通过相应的施工技术处理所形成的混合材料，在受到外部荷载作用力时，能够同时承担由此带来的应力应变。尤其是纤维的乱向分布，形成了三维状态的支撑网结构，能够有效提升实际加强效果。另外，纤维级配碎石所具有的连续性，能够有效避免应力过多集中于某一部分的情况。在外部荷载作用力过大时，纤维与级配碎石之间又会产生相对滑动现象，在塑性变形作用下，消耗部分应变能，降低整体应力水平，以此更好地提升路面整体抗拉强度和抗剪强度，降低裂缝生成与扩展的概率。

4.3 确定纤维掺量

纤维掺量会对纤维级配碎石的实际性能产生不同程度的影响，尤其是选择不同的纤维材料，所产生的具体影响差异较大。在目前相关方面研究及施工流程中，较为常用的纤维类型有矿物纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维和玻璃纤维等[3]。在研究纤维掺量对级配碎石影响时，首先需要明确控制力学性能指标所应当满足的技术指标要求，这些指标内容包括直径、熔点、弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率、长度与耐碱酸度等。确定纤维最优掺量，主要是考虑在不同掺量下混合料所能够达到劈裂强度。在级配和含水率相同的前提下，分别选择五种掺量比例：0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，在采用相同成型工艺时，利用夹具进行劈裂试验[4]。试验结果显示，随着纤维掺量的增加，级配碎石的劈裂强度会呈现先增大后减小的变化模式；纤维掺量为1‰ 时，劈裂强度最大，之后逐渐衰减并趋于平缓。通过试验发现，要确保劈裂强度性能达到最优化水平，应尽量将掺量控制在1‰左右，以此才能够确保性能与经济性的统一，为工程施工质量控制奠定良好基础。

4.4 分析纤维级配碎石性能

通过试验明确最优纤维掺量后，还需要对1‰掺量的纤维级配碎石进一步研究性能，具体研究需要通过CBR 试验、无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验三种方式进行。由CBR 试验可以看出，纤维级配碎石的CBR 值有较为明显的提升，并且不泡水时提升更为明显。根据无侧限抗压强度试验可以发现，纤维级配碎石性能无侧限抗压强度提升幅度约为10%左右[5]。而在大型静三轴试验中显示，纤维级配碎石与普通级配碎石在应力应变方面的趋势特征没有明显差异，但是前者抗剪强度有明显提升，同时内部粘聚力会有明显提升。

5 结语

通过对沥青路面级配碎石厚度和添加纤维试验研究分析，可以得出如下方面结论：

采用级配碎石施工方案时，相关工作人员需合理控制整体厚度。在厚度达到一定程度时，路面疲劳寿命将会停止增加，进而增加施工成本。

在添加1‰ 纤维时，纤维级配碎石在抗剪强度、CBR 值等方面能够达到最优化水平，因此在具体施工中，可以以此为参考依据进行技术方案设计，确保基层性能达到最优化水平。

本课题研究试验条件还不够完善，对纤维级配碎石的性能变化分析还不够精细，且在不同地区，受到温度、湿度等外部条件影响不同，实际效果还存在明显差异，因此在具体施工中，相关工作人员还应当结合施工现场情况做好试验，以确保性能改善最优化。