瀝青路面不同基層類型材料及結構特性研究

李智聰

（廣州市公路勘察設計有限公司，廣東 廣州 511430）

為了推動我國公路事業的發展，上個世紀八十年代以水泥或二灰穩定碎石或土為代表的半剛性基層成為我國各等級路面的主要結構形式。基于早期對車輛荷載的認識是至上而下逐漸減弱的過程，結合當時的國民經濟狀況形成了“強基薄面”的設計思想，即由結構板體性強、整體剛度大以及價格相對低廉的半剛性基層作為主要承重層，再在基層上鋪筑薄層瀝青提供一個舒適連續的行駛界面[1]。但長期的工程實踐表明，半剛性基層材料自身的干縮和溫縮問題始終無法得到徹底的根治，由此對面層的連續性產生了極大的破壞，并且嚴重影響路面的使用壽命。隨著公路交通事業的發展，車輛軸載重型化持續增長以及人們對于路面的使用功能和要求與日俱增，越來越多的不同基層類型進入應用階段，其材料和結構豐富了路面結構的組合形式，一定程度上彌補了半剛性基層材料的缺陷，表現出優越的路用性能。

1 瀝青穩定碎石類基層

瀝青穩定碎石混合料按照其材料組成和設計空隙率的不同應用到路面結構的不同層位，其中密級配瀝青穩定碎石，設計空隙率3%～6%，可以用作各等級公路基層。半開級配瀝青穩定碎石，設計空隙率6%～12% ，可以用作降雨量不大的低等級公路面層。開級配瀝青穩定碎石可用于基層排水。當使用瀝青穩定碎石作為基層使用時，由于基層承受著主要的彎拉應力，對材料的疲勞性能和耐久性要求較高，因此采用密級配瀝青穩定碎石是柔性基層的主要材料形式，考慮到材料性能的發揮和施工的可操作性，對于粗粒式的密級配瀝青穩定碎石ATB-25 和ATB-30，適宜的結構厚度為12 ～15cm。

密級配瀝青穩定碎石基層與瀝青混凝土面層相比，因其公稱最大粒徑較大，該層具有更好的抗剪切變形能力，對于環境溫度高、重載較大等有抗車轍性能要求的路面具有很好的適應性，能很好的減緩反射裂縫的產生，但由于自身模量相對較小，作為基層進行結構驗算時往往需要的層厚較大。相對于同為柔性基層的級配碎石層來說，密級配瀝青穩定碎石由于利用了瀝青膠結料，整體性較好，結構強度和模量也更高，物理力學性能更為顯著，其結構設計參數的試驗和選取也更加方便[2]。

2 貧水泥混凝土基層

貧混凝土是由粗、細骨料與一定量水泥和水拌和而成的一種經濟型混凝土，相對于普通水泥混凝土其水泥用量偏低，強度較小，但與水泥穩定碎石、二灰穩定碎石等常用半剛性材料相比，具有更髙的強度、模量和整體穩定性，并且材料抗沖刷和抗疲勞性能優勢明顯，物理力學性能與普通水泥混凝土相似，適用于交通等級為重交通及特重交通，屬于剛性基層材料，其厚度一般為200 ～28cm，最小厚度為15mm。

貧混凝土基層在進行材料設計時必須控制其強度在合適的范圍之內，特別應注意避免強度高限太大，以免后期裂縫過多。配合比設計中其水泥含量一般處于8%～12%之間，處于水泥穩定碎石的3% ～6%和普通水泥混凝土12%～15%之間，因此，貧水泥混凝土的模量、收縮性能以及開裂程度也介于二者之間，為了避免不規則裂縫，需要對貧水泥混凝土進行縱橫向切縫，并灌入熱穩定性和彈性變形性能較好的填縫料，在環境溫度變化大的區域，還應當在切縫頂面一定范圍粘貼土工格柵等抗拉性能良好的土工織物進行局部加強，避免產生反射裂縫。貧水泥混凝土基層的抗壓強度整體高于半剛性基層，總體上可承受更繁重的交通荷載，在應用過程中應根據不同交通等級基層的需求進行材料設計，保持材料性能的同時避免配置的強度過大，通常在施工過程中其7d 無側限抗壓強度在5.0 ～10.0MPa 之間以及28d 抗彎拉強度為1.5 ～3.0MPa 為宜，這樣既可以減少水泥摻量節省投資，也可以讓基層剛度維持在合適范圍之內減少由于模量過大帶來的變形性能降低的問題。基層鋪筑完成后應設置縱縫、橫縫，切縫深度不應小于5cm 和1/4 基層厚度，并灌人填縫料，必要時在縫頂一定寬度范圍內粘貼土工織物、玻纖格柵等材料局部加強，其上設置熱瀝青或改性瀝青、改性乳化瀝青黏結層。

3 組合基層結構

3.1 柔性基層與半剛性基層組合

通過長期實踐，采用密級配瀝青穩定碎石基層和半剛性材料底基層作為瀝青路面的組合式基層能發揮不同材料的特性，具有優良的結構性能。根據基層的層位和受力特點，相對于瀝青混凝土來說，密級配瀝青穩定碎石在礦料級配上要求可適當降低，并且也可以減少瀝青用量取得良好的經濟性，但為了增強基層的彎拉強度和材料性能的穩定性，需要在配合比設計時注意限制空隙率為3%～6%，以免水損壞的發生。這種組合式基層通過層位調整和材料選擇，整體上增加了瀝青類材料的總厚度，并且通過把半剛性基層材料的層位下移使其遠離高拉應力區域，僅起到底基層的作用，在結構整體受力中避免半剛性基層剛度大、抗彎拉能力弱的特點暴露在最不利的層位。不僅如此，下放的半剛性基層受環境溫度、水分散失等影響也大大減小，充分的發揮了減少路基變形和豎向承載能力強的特點，減弱了干縮和溫縮現象以及反射裂縫的產生[3]。

柔性基層與半剛性底基層的組合式基層的破壞形式通常表現為自下而上的疲勞裂縫，是典型的結構性破壞，應以瀝青混合料層的永久變形量、半剛性底基層層底拉應力作為設計評價指標。

3.2 柔性基層與剛性底基層組合

貧水泥混凝土剛性基層強度大，承載能力好，但在溫度變化明顯的情況下，剛性基層所設置的裂縫寬度隨氣溫反復脹縮，所產生的應力集中現象使其上鋪筑的瀝青面層處于不利的受力狀態，除了可以從材料配合比方面提高瀝青面層材料的抗豎向剪切性能之外，還可考慮將貧混凝土下置為底基層，并在其上設置密級配瀝青穩定碎石基層形成組合基層結構以適應環境溫度變化下的接縫脹縮變形。這種由柔性基層和剛性底基層形成的組合基層結構能顯著提高承載能力的基礎上減少接縫處的反射裂縫，但由于貧混凝土的剛度遠大于瀝青層剛度，實際上剛性底基層成為了最主要的承重層，而瀝青面層和密級配瀝青溫度碎石基層只是起到功能性作用。并且由于模量相差過大，在貧混凝土底基層與柔性基層的交界面上會由于車輛荷載的水平作用而產生較大的剪應力，剪應力數值通常可達到0.3 ～0.5MPa，從而在界面上產生剝離，破壞結構設計時假設的層間連續狀態，使瀝青層受力狀態更加復雜和不利。因此，這種組合基層形式要發揮其性能，必須要設置高性能的粘結層抵抗剛度差異產生的影響。

4 結語

長期以來我國各等級公路的瀝青路面都采用半剛性基層，結構形式單一，難以滿足日益增長的行車荷載作用和耐久性需求。研究為瀝青路面設計中深入理解基層的類型、受力特點和使用條件以及合理進行基層材料和結構設計，提升路面長期使用性能和壽命提供了理論依據。