瀝青路面級配碎石基層性能改善分析

文/梁毅

1 前言

在當前道路工程施工中，通常會在半剛性基層與瀝青面層之間鋪設級配碎石，以對瀝青路面結構進行完善，有效提升半剛性基層的強度、穩定性和承載力。但是，在級配碎石技術應用過程中，不同的技術控制會對級配碎石模量和強度造成直接影響，進而影響到面層底應力應變和路面的疲勞壽命，尤其是在行車荷載較大的情形下，會造成瀝青路面出現裂縫，甚至是永久變形情況。因此，為了更好地提升級配碎石基層性能，我們需要采取對應的措施，以滿足公路路面日益增長的交通壓力需求。

2 級配碎石材料概述

2.1 級配碎石材料的特點

級配碎石是應用于道路工程建設將不同粒徑碎石和石屑根據設計及方案要求的級配混合并碾壓成型的層狀結構。級配材料性能主要取決于碎石自身強度和嵌擠作用的實際效果，只有在提升級配技術性能并采取對應施工工藝基礎上，才能夠使得結構內部密實度不斷提升，滿足道路建設和運行的性能要求。級配碎石材料主要體現在如下方面：

2.1.1 具有良好的穩定性和抗變形能力，能夠起到防止和延緩反射裂縫發展的作用[1]。

2.1.2 碎石間的相互嵌擠作用、摩擦作用、密實程度及攤鋪作業質量等，都會對級配碎石的力學性能產生不同程度的影響。

2.1.3 級配碎石本身具有散粒體特征，在抗彎拉、抗疲勞等方面存在一定不足，因此在應用時必須要通過路面結構設計和施工技術控制工作，將這些因素帶來的負面影響降到最低水平，提升力學性能。

2.2 級配碎石原材料的技術要求

級配碎石原材料是路面施工質量控制的重要影響因素，在選擇石料時，需從如下方面著手，實現質量控制精細化管理。

2.2.1 控制針片狀顆粒含量，其主要是指最大長、寬、厚數據比不大于3 的粗集料顆粒。在含量較大的情形下，會對碎石之間的嵌擠作用造成影響，并且直接導致級配碎石層強度無法達到設計要求。另外，在我國公路施工規范中，還沒有關于這一指標的具體要求；參照歐洲相關方面的標準，通常情形下應當控制在20%以內。

2.2.2 控制壓碎值和洛杉磯磨耗值，前者主要體現石料自身在荷載不斷增加下的抗壓碎能力，后者則能夠反應集料自身強度[2]。

2.2.3 主要控制石料的塑性指數和液限，其主要反映的是粒徑在0.5mm 以下的細集料質量，在指數和液限越大的情形下，材料的透水性就越差；在達到一定程度時，其會由于車轍作用產生明顯的路面結構破壞現象，進而給公路正常使用帶來影響。

2.2.4 明確材料的堅固性指標，確保指標能夠達到《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）要求。

2.3 級配碎石級配要求

在我國公路工程設計和施工方面的研究中，將粒料混合料劃分為骨架空隙型結構、密實型結構和懸浮密實型結構三種類型。其中，骨架空隙型結構施工碾壓較為困難，但是透水性較好；密實型結構在施工和抗剪強度上都具有一定優勢，整體應用較為廣泛；而懸浮密實型結構由于透水性較差，使得其強度和穩定性都有所不足。根據相關規范中級配碎石基層級配范圍要求，在具體設計和施工中，應盡量選擇骨架密實型結構，并確定其級配范圍。

3 級配碎石厚度對路面性能的影響

3.1 基層厚度對面層底應力應變的影響

瀝青路面施工中，級配碎石性能直接受到基層厚度影響，因此我們首先需要分析級配碎石厚度對應力應變的影響。分析方法是應用有限元模型進行分析，通過對不同面層厚度和基層模量進行參數設置，由模型自動計算不同基層厚度下瀝青路面面層底的拉應力和拉應變。在不同面層結構基層厚度不斷增加的情形下，面層底拉應力和拉應變結果都會減小；但是，在面層厚度增加到一定程度時，所引起的變化幅度越來越小。因此，將級配碎石作為瀝青路面基層材料時，片面增加厚度并不會有效提升路面的力學性能，反而會增加施工成本，進而對施工企業成本控制造成影響。

3.2 基層厚度對瀝青路面疲勞壽命的影響

公路瀝青路面長期運行過程中，由于車輛荷載作用影響，局部范圍內的損傷會逐漸積累，并由此導致路面結構產生不同形式的缺陷，在處理不及時或處理不當的情況下，將會使得原生裂紋現象不斷擴展，甚至造成結構性破壞，進而造成路面失去交通功能。隨著瀝青路面厚度的增加，疲勞壽面會產生小幅增加，在厚度不超過40cm 情形下，基層厚度增加5cm，壽命提升幅度約為5%左右；但是超出此厚度范圍后，所能夠帶來的增加幅度極為有限。因此，在進行設計時，應將級配碎石厚度控制在20～40cm 之間為宜。

4 提升級配碎石強度的措施

4.1 纖維摻入對碎石強度影響的機理

級配碎石層屬于散體性材料，基于理論層面而言，其自身并不會傳遞應力應變，而將其應用于公路瀝青面層與半剛性基層之間，卻能夠較好地避免瀝青路面所產生的反射裂縫。另外，級配碎石層受抗拉、抗剪強度及失效應變等力學性能方面的限制，公路路面在長期運行中必然會產生不同程度的變形及疲勞裂縫現象。在原有施工技術體系中，多是通過對原材料性質和級配范圍進行調整，達到性能優化的目的，但是其在調整至一定程度時，就會出現性能提升邊際效應，進而使得優化效果與施工成本之間產生偏差。因此，要想更好地提升級配碎石整體強度，就必須考慮添加纖維材料等形式。

4.2 纖維作用機理分析

纖維材料從性質上而言，是一種連續或不連續細絲組成的物質，并且它可以與其他物料組合而成新的復合材料。將纖維材料應用于級配碎石配比中，其作用機理是能夠利用纖維特性，盡量減少甚至是消除外部荷載所引起的細微裂縫現象。通過對添加纖維材料的長細比、形狀和添加量等方式，改變級配碎石的物質性質，增加纖維與現有材料之間的摩擦力、粘結力等；通過相應的施工技術處理所形成的混合材料，在受到外部荷載作用力時，能夠同時承擔由此帶來的應力應變。尤其是纖維的亂向分布，形成了三維狀態的支撐網結構，能夠有效提升實際加強效果。另外，纖維級配碎石所具有的連續性，能夠有效避免應力過多集中于某一部分的情況。在外部荷載作用力過大時，纖維與級配碎石之間又會產生相對滑動現象，在塑性變形作用下，消耗部分應變能，降低整體應力水平，以此更好地提升路面整體抗拉強度和抗剪強度，降低裂縫生成與擴展的概率。

4.3 確定纖維摻量

纖維摻量會對纖維級配碎石的實際性能產生不同程度的影響，尤其是選擇不同的纖維材料，所產生的具體影響差異較大。在目前相關方面研究及施工流程中，較為常用的纖維類型有礦物纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維等[3]。在研究纖維摻量對級配碎石影響時，首先需要明確控制力學性能指標所應當滿足的技術指標要求，這些指標內容包括直徑、熔點、彈性模量、拉伸強度、斷裂伸長率、長度與耐堿酸度等。確定纖維最優摻量，主要是考慮在不同摻量下混合料所能夠達到劈裂強度。在級配和含水率相同的前提下，分別選擇五種摻量比例：0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，在采用相同成型工藝時，利用夾具進行劈裂試驗[4]。試驗結果顯示，隨著纖維摻量的增加，級配碎石的劈裂強度會呈現先增大后減小的變化模式；纖維摻量為1‰ 時，劈裂強度最大，之后逐漸衰減并趨于平緩。通過試驗發現，要確保劈裂強度性能達到最優化水平，應盡量將摻量控制在1‰左右，以此才能夠確保性能與經濟性的統一，為工程施工質量控制奠定良好基礎。

4.4 分析纖維級配碎石性能

通過試驗明確最優纖維摻量后，還需要對1‰摻量的纖維級配碎石進一步研究性能，具體研究需要通過CBR 試驗、無側限抗壓強度試驗和三軸壓縮試驗三種方式進行。由CBR 試驗可以看出，纖維級配碎石的CBR 值有較為明顯的提升，并且不泡水時提升更為明顯。根據無側限抗壓強度試驗可以發現，纖維級配碎石性能無側限抗壓強度提升幅度約為10%左右[5]。而在大型靜三軸試驗中顯示，纖維級配碎石與普通級配碎石在應力應變方面的趨勢特征沒有明顯差異，但是前者抗剪強度有明顯提升，同時內部粘聚力會有明顯提升。

5 結語

通過對瀝青路面級配碎石厚度和添加纖維試驗研究分析，可以得出如下方面結論：

采用級配碎石施工方案時，相關工作人員需合理控制整體厚度。在厚度達到一定程度時，路面疲勞壽命將會停止增加，進而增加施工成本。

在添加1‰ 纖維時，纖維級配碎石在抗剪強度、CBR 值等方面能夠達到最優化水平，因此在具體施工中，可以以此為參考依據進行技術方案設計，確保基層性能達到最優化水平。

本課題研究試驗條件還不夠完善，對纖維級配碎石的性能變化分析還不夠精細，且在不同地區，受到溫度、濕度等外部條件影響不同，實際效果還存在明顯差異，因此在具體施工中，相關工作人員還應當結合施工現場情況做好試驗，以確保性能改善最優化。