半刚性路面早期破坏防治措施的介绍

　　0 引言
　　目前，我国高等级公路半刚性路面的早期破坏现象非常严重，很多出现在通车后1~3年内。原因涉及超载、异常的气候条件、交通事故、汽车漏油、有害化学物品、设计、施工、材料和养护等因素。但其中最重要的是路面结构组合设计不够合理，因为按照我国现行设计规范规定的标准轴载10t轴荷设计路面承载力，当超载轴荷达到16t时，就相当于10t轴荷的车压过沥青路面为7.7次，半刚性基层为42.9次。所以，在我国高等级公路半刚性基层沥青路面一统天下，超载现象非常普遍的现实情况下，研究路面的早期破坏是非常有必要和现实意义的。本文从半刚性沥青路面的早期破坏入手，分析路面早期破坏的形成原因，提出改善沥青路面早期破坏的措施——采用沥青稳定基层。
　　1 半刚性路面早期破坏
　　1.1 半刚性路面早期破坏的形式及其原因
　　半刚性路面就是在半刚性基层上铺筑的沥青路面。其早期破坏的形式主要有：水损坏：松散、坑槽、冻胀、翻浆和唧泥等；裂缝：横向裂缝、纵向裂缝和网裂等；路面变形：车辙、波浪、拥抱、沉陷等；路表损坏：泛油和剥落等。而导致路面早期破坏的最重要因素就是半刚性基层本身，因为：
　　（1）半刚性路面的开裂难以避免
　　在半刚性基层中，由于半刚性材料的干燥收缩、温度收缩产生的开裂，以及由此引起的沥青路面反射裂缝程度不同的存在，很难完全避免。
　　（2）半刚性路面内部排水性差，半刚性材料对水破坏敏感
　　半刚性基层材料致密、透水性差，而且由于降水、水分冻融循环和各种人为因素，沥青面层进水是不可避免的。水从沥青面层到达半刚性基层后，由于不能从基层迅速及时地排走，只能沿沥青面层和半刚性基层之间的界面滞留、积聚和扩散，在高速行车荷载的作用下产生很大的动水压力，冲刷基层表面，出现唧浆等损坏，长期作用下去，则造成基层丧失与面层的连接，基层支持力下降。同时由于部分水可能通过基层裂缝继续向下入渗，软化土基，以及路面各结构层本身受到水的破坏，导致路面的整体承载能力显著降低，产生网裂等路面病害。
　　（3）重载车对半刚性路面的损坏更大
　　（4）半刚性基层修补困难
　　半刚性基层本身没有自我愈合的能力，破坏后无法修补，只能挖掉重建，这对养护造成了很大的困难。
　　1.2半刚性路面早期破坏的防治措施
　　针对上述半刚性路面早期破坏的形式，我们目前主要采取下列措施：增加沥青路面的厚度；加强公路的排水设计，防止水损坏；采用干燥收缩、温度收缩系数小，抗拉和抗冲刷性能好的材料铺筑半刚性基层；选用抗裂性能好的沥青，改善级配，加强沥青路面的抗裂设计；采取预开裂和预切缝技术措施；设置应力吸收层或封层，减轻路面应力传递。但是这些措施都不能完全制止半刚性路面的早期破坏，因为导致半刚性路面早期破坏的根本原因是半刚性基层本身。因此，本文拟采用沥青稳定基层的结构形式，组成柔性路面，以从根本上解决半刚性路面的早期破坏，延长路面的使用寿命。
　　2沥青稳定碎石基层的合理性
　　沥青稳定碎石基层是以沥青作为结合料稳定碎石等材料铺筑的基层。国外的高速公路，大量采用沥青稳定碎石基层的路面结构形式（如表1），而且沥青层的总厚度比较大。沥青层作为主要承重层，今后有继续加大厚度、提高沥青基层强度的趋势。虽然采用沥青稳定碎石基层会增加初期投资，但是从根本上解决了路面早期破坏的现象，避免了半刚性路面需要挖掉重修等缺点，可以节约大量维修养护费用，而且使用效果较为理想。下面我们以英国沥青路面结构设计为例进行合理性分析。
　　表1 国外主要国家路面结构组合设计

国家	路面结构组合
南非	沥青面层+级配碎石基层+水泥稳定集料；沥青面层+沥青稳定基层+水泥稳定集料，并且南非沥青路面结构的沥青层只有很薄的3-5㎝密级配沥青混凝土
法国	沥青面层+沥青稳定基层+垫层；沥青面层+沥青稳定基层+水硬性稳定处理底基层+垫层
德国	以柔性结构为主，一般采用22-26㎝的沥青面层，半刚性材料不允许用作路面结构基层，只作为底基层，且厚度统一为15㎝。全厚式路面或厚沥青层下卧粒料底基层的柔性路面成为高速公路的主要结构
美国	全厚式沥青路面，沥青层厚度大部分在18-50㎝之间；沥青面层+沥青稳定基层+粒料底基层，沥青层一般为20-35㎝，粒料层一般为10-35㎝；沥青路面+粒料基层，沥青层不超过20㎝，粒料层较厚，一般为20-80㎝；沥青面层+水泥稳定碎石基层，沥青层一般为10-30㎝，水泥稳定碎石基层不厚，一般为15-25㎝
日本	高速公路大都采用10㎝沥青混凝土面层和8-15㎝的 沥青稳定碎石基层，下卧粒料底基层（10-30㎝）或水稳定基层（15-30㎝）

2.1 A1高速公路纽约郡试验路
　　试验路位于A1高速公路纽约郡附近16㎞处，试验路段实际应用的交通量比较大，试验路段长度约60～80m，试验设计时每一断面观测3～5个点。试验目的是检测沥青路面的透水性、渣油胶结碎石基层的性能，以及沥青碎石磨耗层的使用特性。
　　试验得出的主要结论是：沥青混凝土面层的路用性能明显优于沥青碎石面层的路用性能，沥青碎石基层与沥青混凝土磨耗层结构组合的路用性能最优。
　　2.2 A1高速公路纽约郡1957年试验路
　　试验路共有33个沥青路面段，每段长约46～60m。试验的主要目的是分析湿拌碎石、开级配渣油碎石、贫混凝土、密实沥青混凝土和水泥稳定碎石的性能变化情况。试验段的基层厚度在75～230㎜范围，全路段的底基层采用砂，以加速路面破坏，其CBR=14，土基的CBR=3～5。
　　试验结果表明：所有各段的使用寿命与基层的类型、厚度和沥青层的厚度有关。碎石基层路段的使用性能最差，热压沥青混凝土基层试验段的使用性能最好；路面面层与基层的厚度宜大于350㎜，当路面厚度小于330㎜时，路面整体强度降低很快。
　　2.3 A40剑桥1963年试验结果
　　试验路共有21个小段，试验是为了观测不同厚度的密级配沥青碎石基层、密级配焦油碎石基层、密级配沥青混凝土基层、湿拌级配碎石基层与水泥稳定基层等基层与路面使用性能之间的关系。试验结果如表2。
　　表2 A40剑桥1963年试验结果
　　

段号	表层（㎜）	基层厚度（㎜）	荷载次数（106）	状态（1998）
湿拌粒料基层
1	100-RA	300	4.5	变形与开裂
2	100-RA	225	3	破坏
3	100-RA	150	2	破坏
贫混凝土基层
4	100-RA	150	20	良好
5	100-RA	225	﹥20	良好
6	100-RA	300	﹥20	良好
密级配预拌焦油碎石基层
7	100-RA	225	﹥20	良好
8	100-RA	150	﹥20	良好
9	100-RA	75	4	开裂
16	37-RA	140	2.5	重修
17	37-RA	215	﹥20	良好
18	37-RA	290	﹥20	良好
密级配预拌沥青碎石基层
10	100-RA	75	5	变形与开裂
11	100-RA	150	﹥20	良好
12	100-RA	225	﹥20	良好
13	37-RA	290	﹥20	良好
14	37-RA	215	15	良好
15	37-RA	140	2.5	重修
密实沥青混凝土基层
19	37-RA	290	﹥20	良好
20	37-RA	215	﹥20	良好
21	37-RA	140	2	因公路重建

　　试验表明：密实沥青混凝土基层的使用效果最好，密级配预拌沥青碎石基层也比较满意，贫混凝土基层使用效果最好。
　　2.4 A1 牛津1964年试验路
　　试验路的目的是试验集料级配类型、胶结料含量的影响，以及用沥青和水泥胶结的基层类型与厚度的影响。
　　试验结果表明沥青胶结料基层优于水泥胶结料基层，对于贫沥青胶结料基层既有较好的路用性能，同时具有较好的经济效益，因此水泥胶结料基层在英国已经很少使用。
　　3沥青稳定碎石基层沥青路面结构设计
　　根据前面对沥青稳定碎石基层合理性的分析，借鉴国外主要国家路面结构组合设计（如表1），并结合我国部分省份柔性路面的试验结果和使用经验，给出以下几种高等级公路路面结构组合设计方案：
　　（1）全厚式沥青路面（就是直接在土基上或者在改良后的土基上铺设的单层或多层沥青混凝土的路面结构）：沥青面层+沥青稳定碎石基层；沥青面层+沥青稳定碎石基层+垫层。
　　（2）沥青石料垫层（CRAM路面，就是在未经处治的粒料材料层之下而在路基之上再铺设一沥青层）：沥青面层+密级配集料层+开级配集料层+沥青混凝土。
　　（3）加厚式沥青路面（半刚性基层下放）：沥青面层+沥青稳定基层+水泥稳定集料；沥青面层+沥青稳定基层+水泥稳定集料+垫层。
　　其中路面厚度的确定要符合最小防冻厚度的要求，并根据车辙与路面厚度的试验等试验结果，结合国内外大量室内4沥青稳定碎石基层混合料组合设计
　　要使路面达到预期的使用性能和用户要求的满意度，必须从结构组合、厚度和材料组成设计上综合考虑，而不是单纯设计厚度，因此完整的路面设计应是结构设计与材料设计的统一体。为此在前面推荐的路面结构组合设计方案和路面厚度的基础上，下面我们主要研究沥青稳定碎石基层的混合料设计。
　　4.1沥青稳定碎石基层矿质混合料组成设计
　　沥青混合料设计包括矿质混合料组成设计和沥青用量确定两部分。由于基层处于面层以下，受大气因素（如温度、湿度等）影响小，主要起承重的功能，所以应具有足够的强度、刚度、抗疲劳性能、足够的水稳定性和良好的扩散应力能力，为此我们建议采用骨架密实型沥青稳定碎石基层，级配范围介于AC-Ⅰ型与Ⅱ型之间，并选用较小的沥青用量，使其具有较好的路用性能。建议的沥青稳定碎石级配范围如表3。
　　表3 沥青稳定碎石级配范围
　　

	53	37.5	31.5	26.5	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
ATB-25			100	90-100	60-80	48-68	42-62	32-52	20-40	15-32	10-25	8-18	5-14	3-10	2-6
ATB-30		100	90-100	70-90	53-72	44-66	39-60	31-51	20-40	15-32	10-25	8-18	5-14	3-10	2-6
ATB-35	100	90-100	75-92	65-85	49-71	43-63	37-57	30-50	20-40	15-32	10-25	8-18	5-14	3-10	2-6

　　4.2沥青稳定碎石基层沥青用量的确定
　　作为沥青混合料设计的组成部分，沥青最佳用量的确定有多种方法。目前国内外主要用实验法来确定沥青最佳用量，而我国主要用马歇尔实验法。由于我国高等级公路沥青稳定碎石基层沥青路面使用的还比较少，还没有一套比较成熟的技术规范和设计标准，所以借鉴国外的沥青稳定基层试件成型方法及技术指标试验方法、混合料马歇尔设计标准，并结合我国部分地区试验路的试验结果，我们推荐表4的马歇尔配合比设计标准来确定沥青用量。其中沥青最佳用量的具体确定方法参考文献5，这里不在详述。
　　表4 沥青稳定碎石的马歇尔配合比设计标准
　　

试验指标	单位	小马歇尔	大马歇尔
公称最大粒径	㎜	等于或小于26.5	等于或大于26.5
试验尺寸	㎜	φ101.6×63.5	φ152.4×95.3
击实次数（双面）	次数	75	112
空隙率VV	%	3-6
沥青饱和度VFA	%	55-75
VMA，不小于	%	11
稳定度，不小于	KN	6	13.5
流值，不大于	㎜	4.5	6
浸水马歇尔残留稳定度比，大于	%	75	75
冻融劈裂强度比，大于	%	70	70
劈裂强度	MPa	实测

　　5结语
　　目前我国高等级公路几乎是半刚性路面一统天下的局面，我们从半刚性路面的早期破坏形式入手，分析了半刚性路面早期破坏的原因，由此提出了解决半刚性路面早期破坏的根本性措施——采用沥青稳定碎石基层，改善路面结构组合。通过国外路面结构组合设计的分析，说明了采用沥青稳定碎石基层的合理性。并借鉴国外沥青稳定碎石基层的设计规范和试验方法，给出了我国沥青稳定燧石基层的马歇尔配合比设计标准和密级配沥青碎石级配范围。最后，介绍了我国沥青稳定碎石基层的施工要点。由于我国现在高等级公路采用沥青稳定碎石基层柔性路面的还比较少，所以希望本文能给我国日后半刚性路面早期破坏的防治和柔性路面的研究提供一定的思路和借鉴意义。室外试验的结果，本着经济合理的原则，建议路面最小厚度大于35㎝。