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柔性基层路面的设计与施工

我国目前沥青路面结构基本上为半刚性基层路面,由于半刚性基层自身不可克服的缺点,温缩、干缩,产生裂缝,并最终形成反射裂缝,在行车荷载、水、温度梯度的综合作用下,使得路面结构产生唧浆、松散、车辙等病害,最终导致路面结构的破坏。特别是在最近几年,交通量大量增加,超载、重载严重,更加暴露了半刚性基层路面的这种缺点。

虽然国内外的学者也尝试着采用各种方法解决半刚性基层路面的这种病害,比如采用塑料隔栅、在半刚性基层上面铺筑应力吸收层(SAMI、集配碎石夹层)、增加沥青层的厚度等等,但是这些方法仅仅延缓或者抑制反射裂缝的发展,没有根本消除反射裂缝。

国外的半刚性结构使用与我国不同。

(1)结构上设置有排水层,以减少冲刷;

(2)在国外使用的半刚性基层,其强度一般并不太高,为了减少收缩,水泥剂量和细料量较少,水泥用量有的控制在2%左右,只有在底基层的水泥土强度要求高一些。而我们现在水泥用量一般为4-5%;

(3)水泥稳定碎石基层上面经常设置级配碎石层作为过渡层,以减少反射缝和排水,成为倒装结构,在我国由于 它弯沉大而得不到推广。现在越来越多的国内学者 也纷纷转向了国外已经应用了半个世纪的柔性基层路面结构。

1. 柔性基层路面与半刚性基层路面的比较

1.1 路面结构应力分布

由于半刚性材料的板体性强、承载力大,扩散荷载的能力强,柔性基层路面通常比半刚性路面厚许多。

根据研究数据,压应力在面层顶面最大,随深度增加,压应力逐渐减小,达到某一深度时,结构内部压应力恰好为0,深度继续增加,这时结构内部拉应力开始增大,一般最大弯拉应力出现在基层的底面。

剪应力延路面深度的分布情况,其峰值主要分布在面层0~250px的范围内,在重载、超载的条件下这一影响深度会继续扩大,但是剪应力的分布范围主要集中在0~375px的范围。也就是说,剪应力的影响范围主要集中在面层、基层。一般认为沥青层越厚越容易产生车辙。国外研究表明当沥青层厚度小于450px时,车辙随沥青层增加而增大,但是当沥青层厚度超过450px时,车辙与厚度的关系就不大了,这再次证明路面剪应力的影响范围主要在面层和基层。

1.2 两种路面结构破坏模式

1.2.1 材料特点

半刚性基层承载力大、刚度大、模量高、板体 性强、弯沉小而且投资经济,缺点在于这种材料变形小,特别是温缩、干缩变形大,易开裂,属于脆性材料。柔性材料如:集配碎石、沥青稳定碎石等等。材料属于粘弹性材料,韧性好,有一定自愈能力,但变形大,弯沉大,因此路面厚度也大,投资成本亦高。

1.2.2 半刚性基层路面的破坏模式

由于半刚性基层材料温缩和干缩特性,以及材料本身的脆性,裂缝的产生不可避免。裂缝的存在导致三种结果:首先当车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的另一侧时,形成突变,并在裂缝处产生较大应力集中,表现为面层在裂缝处的上下剪切和层底弯拉,这些应力,加之温度应力的综合、反复作用,最终导致面层疲劳破坏而产生反射裂缝;其二,水沿裂缝渗入路面结构内,在行车荷载作用下,对基层、底基层、路基形成水力冲刷,将材料中的细料唧出,材料松散并形成坑槽,半刚性基层失去板体性,弯沉迅速增大,最终导致结构破损;第三,界面上水的存在改变了界面接触条件,于是结构不再连续,界面成为半连续甚至光滑接触模式,这种情况使得路面的受力状态变得十分不利,沥青层底有可能出现超过极限拉应力,导致沥青面层开裂,承载力降低,产生车辙等病害,成为导致路面破坏的又一原因。

半刚性基层路面的破坏一般从半刚性基层的缩裂开始,然后破坏由基层向面层和路基延伸,最终发展为整个路面结构的破坏,因此这种路面破坏模式属于路面的结构性破坏。一旦损坏,维修养护是目前面临的一个大难题。

1.2.3 柔性基层路面的破坏模式

只要路面结构的设计、施工不出现问题,柔性基层路面的破坏一般始于面层,由于面层的车辙、开裂,这些破坏从上到下的顺序发展、延伸,其破坏属于功能性破坏。面层破坏形式有车辙、top-down裂缝和down-top裂缝,但是最主要的破坏还 是车辙。车辙主要是由于路面结构处于反复剪切应力状况下而产生的塑性蠕变累积,路面最大剪切应力主要产生于5-250px的范围内;top-down裂缝,其产生的原因主要是由于路面的水平荷载造成推拉、由温度梯度引起路表面负弯矩的反复作用。当 沥青层厚度超过900px时,沥青面层易产生这种裂缝;down-top裂缝,这种裂缝主要是由于沥青层增厚,层底剪应力将有所增加,但增加量相对较小。沥青路面层底出现较大的拉应力,经反复作用,最终在沥青层底形成反射裂缝。对于柔性基层路面内部出现的微小裂缝,由于沥青材料的粘弹性,所以这些微小裂缝往往能够自愈,而不致于象半刚性基层材料,出现裂缝后,将迅速进入裂缝扩展阶段。因此柔性基层路面的这种破坏属于功能性破坏,可以通过面层的预防性养护得以补救。为了保持路面的行车舒适性和良好的服务性能,需要定期进行沥青罩面或铣刨加铺,以保证整个路面结构的功能性。

1.3 设计思想

由于两种材料的不同特点,因此两种路面的设计思想也不同。基于半刚性材料强度高、模量大、板体性强的优点,在我国,设计时将半刚性基层作为承重层,提出强基薄面的设计思想,虽然近几年面层设计也有增厚的趋势,一些高速公路的沥青面层加厚至450px,但是半刚性基层的强度仍然控制在3Mpa~5MPa,在施工中强度甚至更高,同时半刚性基层材料变形小,易断裂的缺点依然没有改变。反射裂缝仍然为半刚性基层路面的主要破坏模式。

柔性路面的损坏模式是自上向下破坏,由路面层的功能性损坏,进而发展到基层和路基的结构性损坏,因此为了将路面的破坏控制在路面表层较薄的范围内,国外提出了“长寿命路面”的思想。而确保路面基层、路基结构层不受损坏。因此在路面结构中,将路面上面层设计为功能层,将中下面层、基层设计为结构的承重层。

在柔性基层路面结构中,基层层底出现的拉应力最大,在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大,因此要求基层具有很好的耐久性,特别具有优良的抗疲劳性能,而且作为承重层要求有一定的抗车辙能力。它可以通过增加沥青用量达到目的,设计适宜的层厚也能取得同样的效果;从剪切应力分布图上看,其峰值主要集中在中、下面层,因此中面层、下面层最有可能出现剪切破坏,因此要求有较好的抗车辙性能,同时要求有一定的抗水损害的能力。设计时采用改性沥青,塑料隔删,混合料采用骨架嵌锁结构;因此上面层设计就要求其材料有较好的抗车辙性能、水稳定性,必要时使用改性沥青。面层由于受到自然力(雨水和大气温度)和行车荷载的作用最频繁,处于压应力、剪切应力集中的区域,而且要求路面有一定的抗滑性能。设计时应当具有良好的抗车辙性能,并且致密不透水,具有良好的水稳定性。

如果仅以初期投资来比,柔性基层路面的造价将肯定会大大高于半刚性基层路面,但是毕竟我们现在的经济承受能力已经有了相当的提高。前面讲过,半刚性基层的破坏模式属于结构性破坏,柔性基层路面的破坏属于功能性破坏,因此从养护角度来讲,半刚性基层材料的养护费用更高,使用寿命更短。美国使用的长寿命路面,其使用年限一般20~40年,若按照总的全寿命成本效益计算,柔 性基层路面更加经济。正是出于这种考虑,不少地方已经开始铺筑试验路,以探讨它对于我国高速公路使用的可行性,改进我国沥青路面结构单一的问题。

2. 柔性路面的设计和施工

2.1 混合料的设计

国民经济的快速进步,促使运输业的大发展,现行道路上,交通量大,重载、超载严重,再加之全球气候变暖,夏天高温天气持续时间长,造成路面早期损坏严重。原来沥青混合料的设计方法———马歇尔方法,已经不能保证避免路面的早期损坏。因此应该根据实际适当的调整马歇尔方法的设计标准,或者采用更为先进的设计方法。

混合料的设计方法应当由经验设计为主转向按照路面性能进行设计为主,混合料的设计应当与路面损坏模式相联系,基层材料应当具有良好的抗弯拉疲劳破坏的能力,和一定的抗车辙能力;中、下面层材料应当具有良好的抗车辙性能,并有一定的水稳性;上面层材料应具有良好的抗车辙性能、水稳性,抗滑性。因此,在继续沿用马歇尔方法的同时,可以充分借鉴SMA,Superpave的设计思想,即形成骨架嵌挤又密实的结构。

2.2 几种柔性基层材料

基层材料与面层材料不仅在结构中承担的作用不同,而且在经济上也要求比较便宜,也就是在沥青用量不能象做面层一样多。目前国外使用较多的柔性基层材料主要有LSAM、沥青碎石、乳化沥青、级配碎石、再生沥青混合料。

LSAM又叫特粗粒径沥青混合料,一般是指集 料的最大粒径超过30mm的混合料,常用的有30mm、40mm、50mm三种规格。混合料采用骨架 密实型的设计思想,空隙率一般3%-7%,沥青用量也相对较少,一般在4%左右。经实验验证,这种混合料具有相对良好的抗车辙性能、抗疲劳性能和水稳性。由于材料较粗,不适合做面层,因此可以用于中下面层和基层。

在我国,乳化沥青混合料一般用于罩面层,但作为基层使用的混合料与罩面层混合料有着明显不同。乳化沥青碎石,空隙率大,强度低,因此可以将混合料集配调细,适当增加下细料,形成较粘稠的沥青玛蹄脂胶浆,并将混合料空隙率控制在10%左右。乳化沥青混合料的强度形成较缓慢,初 期强度低,开放交通晚,通常添加1%~3%的水泥以提高其初期强度,这样不仅能够提高混合料的抗车辙性能,也能提高其水稳性和抗裂性能。虽然乳化沥青混合料的整体性能不如热拌和沥青混合料,但是其沥青用量少,施工方便快捷,不受天气限制,无污染等优点,使得乳化沥青有着广阔的应用前景。乳化沥青可以应用于基层和下基层。

级配碎石是将一定的级配的碎石碾压而成的一种材料,由于不使用胶结料,这种材料不具有抗拉的能力,因此有的将其作为半刚性基层或者水泥路面加铺层上面的应力消散层,作为阻止反射裂缝发展的一种功能层。对于柔性路面的结构层,由于承载能力不高,级配碎石一般用于铺筑底基层,或者路基上的整平层,用以加强路基。在良好的压实条件下,级配碎石层的强度也能达到良好的水平,国外有将其应用于基层的成功例子。沥青碎石,可以看作是沥青加筋的级配碎石,这种混合料空隙率较大,在12%左右,沥青用量少,低于4%。具有一定的抗车辙性能,一般用于基层或者下基层,国外也有用于排水结构层的。

再生沥青混合料是最近几年发展的一种新型基层材料,它又分为热再生和冷再生,将旧路的沥青层铣刨掉,经若干程序再生,铺筑于新路的基层或者作为旧路改造的基层。尽管其性能暂时无法与热拌沥青混合料相比,但是其成本低,施工方便,保护环境,今后必将成为基层材料追逐的热点。

2.3 施工中易出现的问题

在实际的施工和设计过程中有种错误的观点认为,交通量大以及重载交通道路,设计弯沉越小越好,其结果必然以提高半刚性基层的强度,来获得较小的路面弯沉。只控制材料强度的下限,不控制其上限,结果反射性裂缝明显增加。路面结构除了要求具有良好承载力外,还要求路面结构整体有一定的变形协调性。

施工是保证路面工作性的重要环节,尤其是在压实度控制的问题上。在施工中常常有这样的错误观念,认为面层受交通荷载、大气环境影响最大,其压实度也最高,层次越往下压实度要求也越小。因为压实度在很大程度上影响着混合料的强度、水稳性、抗疲劳等性能,压实度不足,开放交通后必 然导致一系列的早期病害。路面的结构型车辙就是因为结构各层的压实度不足造成的。压实度不足,也不符合长寿命路面的设计思想,即保证面层以下各层长期稳定而不破坏。另外一种错误思想是盲目追求路面结构的平整度而忽视压实度。

层间接触问题也是影响路面结构性能的重要因素。它不仅直接影响着路面结构内部的受力状况分布,而且也起到了防水、阻水的作用。层间接触的好,结构层整体性好,变形连续,应力在结构内部分布也连续,不易产生局部应力集中。

总而言之,柔性基层路面不同于半刚性基层路面,其破坏模式主要为面层一定厚度范围内的功能性破坏,其设计思想为长寿命路面。在这一设计思想指引下,对于不同路面结构层提出不同的性能要求,使用马歇尔方法,并借鉴SMA、SuperPAVE的设计思想,然后根据结构层的要求对混合料进行性能设计。为贯彻长寿命路面的设计思想,施工中柔性基层路面的每一结构层都应给予足够的压实,对于层间接触也应给予足够的重视。

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