半剛性基層路用性能的影響因素分析及應用前景探討

郭 福 喬衛華

山東城市建設職業學院 市政與環境工程系 山東 濟南 250103

1 引言

道路基層是指直接位于路基（或墊層）表面以上、瀝青路面層以下，用高質量材料填筑的主要承重層，或直接位于路基（或墊層）表面以上、水泥混凝土路面以下，用高質量材料鋪筑的結構層[1]。其材料與質量的好壞直接影響路面的質量、路用性能和使用壽命。從目前國內外道路工程實踐來看，高等級道路如高速路、一級路或城市快速路、主干路的路面結構基層材料的應用從力學行為上來分基本上不外乎以下三種：即剛性基層材料如貧混凝土、碾壓混凝土；柔性基層材料如瀝青混凝土、瀝青穩定碎石或級配粒料；半剛性基層材料即無機結合料穩定材料如石灰穩定土、水泥穩定土或石灰工業廢渣穩定類，工業廢渣應用最為典型的是粉煤灰，所以石灰工業廢渣穩定類有時也稱為“二灰”穩定類。其中無機結合料穩定基層材料以其強度比較高、穩定性好、抗凍性能強、結構本身自成板體等綜合優勢成為高等級道路基層設計的首選材料。但其耐磨性差、易發生干縮或溫縮導致開裂、養生期長等缺陷制約著其使用范圍和應用前景。在現有的道路基層材料應用實踐來看，目前還找不到一種可替代的性價比更高的基層材料，因此在當前采用無機結合料穩定材料作為基層材料的同時，我們有必要搞清楚半剛性基層路用性能的具體影響因素，進而采取有針對性的措施來改善其性能、抑制或減弱其缺陷。

2 半剛性基層路用性能指標及其影響因素分析

無機結合料穩定土是在各種粉碎或原狀松散的土、碎（礫）石、工業廢渣中，摻入適當數量的無機結合料（如水泥、石灰或工業廢渣如粉煤灰等）和水，經拌和得到的混合料在壓實與養生后，其抗壓強度符合規定要求的材料，以此材料修筑的路面基層稱為無機結合料穩定基層即半剛性基層。無機結合料穩定土作為道路路面結構基層的主要材料，為滿足行車、氣候、水文地質條件的要求，穩定土材料不但要求具有一定的強度，而且還需要具有良好的抗變形能力和水穩定性。其主要的路用性能包括以下5個指標。

2.1 強度

在瀝青路面結構中，由于路面面層厚度較薄，汽車荷載傳遞給基層的豎向應力較大，基層是承受車輛荷載作用的主要承重層，這就要求無機結合料穩定土材料具有足夠的強度。如果是水泥混凝土面層材料，由于剛性的面板傳遞給基層的應力已經很小，此時基層不起主要的承重作用。但是基層是確保路面整體強度，防止面板開裂、破壞的重要基礎，同時對延長路面的使用壽命有顯著的影響，同樣也要求基層材料具有適當的強度，最重要的是要求材料強度均勻、整體性好。影響穩定土強度的因素有：

① 土質

土的類別不同如粘土、粉土或砂礫，或同一類別土的粒徑大小不同、級配不同，都會影響到穩定土強度的大小，以水泥穩定類為例，宜選用粗粒土、中粒土。粒料用作基層時，粒料最大粒徑不宜超過37.5mm； 用作底基層粒料最大粒徑：城鎮快速路、主干路不得超過37.5mm； 次干路及以下道路不得超過53mm。有機質和硫酸鹽含量高的土，均不宜用于石灰穩定土和水泥穩定土。

② 結合料的種類及用量

無機結合料的種類包括：石灰、水泥、“二灰”即石灰和粉煤灰、或同時用石灰和水泥進行綜合穩定，一般來說用水泥來穩定土時，其強度、抗凍性、耐久性明顯的高于其它類型的穩定劑，而用“二灰”來做穩定劑其抗開裂抗收縮的性能要高于其它類型的穩定材料。對于結合料的劑量應在保證滿足其設計技術指標即7d無側限抗壓強的前提下，盡可能減少其用量，這樣其經濟性是最優的。

③ 含水率

半剛性基層材料不同的含水量，直接影響其碾壓后的壓實效果，進而會影響到后期的成型強度。通常情況下，施工前應通過做標準重型擊實試驗來確定其最佳含水量和最大干密度，這樣才能確保運到施工現場的穩定材料盡可能的達到最佳含水率，或保持在最佳含水量的±2%的范圍，以便達到最佳的密實效果。

④ 密實度

密實度越大，材料有效受荷面積越大，強度就越高，受水影響的可能性越小。密實度的提高應通過原材料選取和合理的施工工藝等綜合控制。

⑤ 施工工藝及養生條件

以水泥穩定土為例，從拌和到攤鋪完成的時間通常不得超過3h，若碾壓或濕拌的時間過長，水泥就會產生部分結硬，影響水泥穩定土的壓實度，導致水泥穩定土強度損失。穩定土的強度發展需要適當的溫度、濕度和齡期。要想達到理想的強度，必須在規范規定的一定溫度和濕度條件下進行養護7-14天，否則其強度不增長或增長緩慢。

現行《公路路面基層施工細則》(JTG/TF20-2015)規定，采用無機結合料7d無側限抗壓強度指標來表征，同時采用該指標進行材料組成設計，選定最適宜于水泥或石灰穩定的土或集料，根據施工現場集料的天然含水量及運輸距離等因素確定施工中所用的無機結合料的最佳劑量。以水泥穩定粒料基層為例，公路等級為高速公路、一級公路，要求其7d無側限抗壓強度值在3.0～5.0MPa；二級路或二級路以下，要求其7d無側限抗壓強度值在2.5～3.0MPa。

2.2 變形性能

無機結合料穩定土的縮裂特性主要表現在兩個方面即干縮和溫縮。隨著無機結合料穩定土強度的不斷形成，水分逐漸消耗以及蒸發，體積發生收縮，收縮變形受到約束時，逐漸產生裂縫，稱為干縮裂縫。隨著氣溫的降低，穩定土會產生冷卻收縮變形，收縮變形受到約束時，逐漸形成裂縫，稱為溫縮裂縫。顯然最后體現其變形特性優劣是由干縮和溫縮兩方面共同決定的。試驗表明，在最佳含水量狀態下同一種類的集料，采用不同的膠結材料其抗裂性能的優劣為：二灰穩定類>水泥穩定類>石灰穩定類，而在最佳含水量狀態下同一膠結材料，采用不同的集料抗裂性能的優劣為：穩定粒料>穩定土。施工過程中要改善其抗裂性，應從以下幾個方面進行控制：

① 改善土質或摻加粗粒料

一般來講穩定土用土越黏，則縮裂越嚴重，強度越低，耐久性越差。所以在穩定用土的材料上應采用黏性較小的土，或在黏性土中摻入砂土、粉煤灰等，以降低土的塑性指數。以石灰穩定土為例，宜采用塑性指數10～15的粉質黏土或黏土。

摻入一定數量的粗粒料如砂、碎石、礫石等，使混合料滿足最佳級配組成，也可以提高其強度和穩定性的同時減少裂縫的產生，同時可以節約結合料和改善碾壓時的擁擠現象。

② 控制含水率及壓實度

穩定土的干縮現象顯會隨著超過最佳含水量偏差的增加而增加，干縮裂縫也會隨著壓實性能的減少而顯著增加。因此，工地現場一般要求穩定土壓實時含水率要比最佳含水率略小為好，并盡可能要達到最佳的壓實效果，這樣將縮裂現象的不利因素降低到最低。

2.3 疲勞特性

半剛性基層材料承受交變循環應力或應變引起局部結構變化和內部缺陷發展并使它的力學性能下降并最終導致龜裂或完全斷裂的性能稱之為疲勞特性。通過試驗表明，石灰粉煤灰穩定材料的抗疲勞性能優于水泥穩定類優于石灰穩定類。這個特性也反映在工程實踐中，“二灰”穩定類和水泥穩定類的應用范圍要比石灰穩定類更為普遍。

2.4 水穩定性和抗凍性

作為承重層的基層材料要求不僅具有足夠的強度來承受設計荷載，還應具備一定的水穩定性和抗凍性來抵抗水和低溫的影響，否則由于面層開裂滲水或者兩側路肩積水均會將使穩定土含水量增加，強度降低，從而使路面過早破壞。在存在冰凍的北方地區，冰將會加劇這種破壞。影響水穩定性及抗凍性的因素主要有土的種類、結合料的種類及劑量、密實度及養護等。一般來講顆粒較細、塑性指數大的土，水穩定性與抗冰凍穩定性較差；結合料劑量越大，水穩定性與抗冰凍穩定性越好；密實度大時，透水能力降低，水穩定性增強。

2.5 壓實性

無機結合料穩定基層的強度、抗變形性能、耐疲勞性、水穩定性和抗凍性等均與密實度即壓實性有關，這是保證其路用性能的最基本的要求。實踐證明：密實度每增加1%，強度增加3%左右，同時抗變形性能、耐疲勞性、水穩定性和抗凍性等也會有所提高，現行的施工技術規范對無機結合料穩定土基層碾壓密實后的壓實度作了硬性規定，以水泥穩定粒料基層為例，公路等級為高速公路、一級公路，要求其碾壓后的壓實度至少達到98%；二級或二級公路以下，要求碾壓密實后的壓實度至少達到97%。如果是石灰穩定類或二灰穩定類基層，結合料不同、道路等級不同，碾壓密實后的壓實度要求亦不同。

3 工程應用及評價指標分析

3.1 項目應用一

新疆境內連接新源縣城和阿熱勒托別鎮的X745線二級公路改擴建項目，在2004-2005年建設期內，由于受當地氣候和原材料供應的影響，其道路基層擬采用的水泥穩定結合料混合料在做基層試驗路質量檢測時就出現鉆芯不易成形、強度不優等現象，但基于當地的投資有限，盡可能就地取材，利用當地現有豐富的卵石集料和結合料，結果導致該項目在運營不到數年就出現了開裂早、承載力降低等質量通病，后期不得不進行大面積翻修處理和整治。如果當時認識到擬采用的基層原材試驗路驗證出來的路用性能欠佳的事實，及時的進行原材料的變更或糾偏，那以上的質量病害可能不會過早出現或其使用壽命也會延長。

3.2 項目應用二

重慶境內奉節、萬州等三峽庫區長江沿線因鋼鐵廠煉鋼、磷肥廠造肥、電廠發電次生出鋼渣、磷石膏、煤矸石、電石渣、粉煤灰、電解錳渣、燒渣、固硫灰、赤泥等多種固體廢棄物，這些廢棄物堆放不僅占用大量土地，對周邊環境的危害也極大[2]。三峽庫區本身經濟發展嚴重滯后，GDP水平只相當于全國平均水平的62%，也低于西部地區的平均水平，三峽庫區農村公路通鄉通暢率、通村通達率等也屬于全國中等偏下水平。農村公路建設和提升勢在必行，但基于當地的經濟水平和生產力有限，當地政府主管部門提出“就地取材、變廢為寶、以人為本、嚴控成本”的理念，率先通過重慶公路局、當地高校及科研所聯合立項進行專項課題攻關研究，前期通過對庫區現存的工業廢渣進行實地調研，取樣后進行試驗研究并對其性能進行歸類梳理，按活性這一指標將這些廢棄物分為可用作膠結材料的活性固體廢棄物和可用于集料等填充材料的非活性固體廢棄物兩類，利用石灰對此類固體廢棄物進行綜合穩定，通過試驗路段來進行驗證其路用性能成功后，在山峽庫區沿線進行了農村公路立項投資的示范路建設，三峽庫區也逐漸恢復生態再現綠水青山，在建項目平均節約投資20%以上，經濟效益顯著。

4 結論及展望

4.1 技術性可行

無機結合料穩定基層作為承重層，其原材料包含的集料、結合料、拌合用水的選用及用量，首先要考慮的要素就是混合料碾壓成型后的強度等基本技術指標要滿足設計和施工技術規范的要求。從以上工程實踐可以看出，在同等條件下水泥穩定類要比“二灰”穩定類和石灰穩定類的優勢更顯著，其各項路用指標更符合高等級道路結構層基層的功能要求。

4.2 經濟合理

當前在滿足強度等路用指標的前提下，相關專業的高校和科學研究院正在搞試點研究，嘗試尋找更為經濟的可替代或改善無機結合料穩定材料中活性結合料或符合技術指標和級配的優質集料如工業廢渣或固體廢棄物，以此來降低這種有著廣泛應用范圍的半剛性材料的建設成本或優化其路用性能。從工程實踐可以看出，石灰粉煤灰穩定類其抗裂性要比水泥穩定類和石灰穩定類優勢顯著，工程造價也會降低25%左右。

4.3 安全、環保、綠色

隨著科學技術水平的不斷發展，未來人們對無機結合料穩定材料的功能期望不僅僅是作為單一的道路建筑材料來使用，更多的還要考慮材料的二次利用、新舊動能轉化、與周邊環境協調或智慧宜居城市等理念相關的附加功能結合起來，此時工業化生產殘留的不同類別的固體廢棄物可通過對其性能進行研究并經過優選后，作為一種“新型”的活性結合料或可填充的集料來用，這樣既可以變廢為寶、保護環境，又可以節約資源、降低工程成本。顯然石灰工業廢渣這種無機結合料穩定基層不失為一種順應時代發展的“弄潮兒”，其未來在道路工程建筑材料中的應用前景不可估量。