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二级建造师市政公用工程专业文章：基于半刚性基层的沥青路面
要保证汽车的优良性能得到充分发挥，确保汽车在全天候条件下安全﹑迅速﹑舒适地运行，必须合理地进行公路平﹑纵﹑横组合设计，并充分重视提高路面的承载能力。从路面结构角度来看，传统的单一粒料基层已不能适应重载交通需要，采用以水泥﹑石灰﹑粉煤灰为稳定剂的基层路面结构日益增多。基层刚度的提高，使沥青路面结构发生了重大变革，而刚性路面也有向塑性化发展的趋势，刚柔分离的局面正在被打破，刚柔结合的路面结构已成为路面结构发展的方向。我国高等级公路经过十几年的建设，积累了丰富的经验，在路面结构方面形成了一种主流模式—半刚性基层沥青路面，但半刚性材料﹑沥青材料对温度和湿度变化比较敏感，在其强度形成过程中以营运期间会产生干缩裂缝和低温收缩裂缝。在路面交通荷载重复作用下，半刚性基层的干缩裂缝和收缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝而具有弱点。路面裂缝不仅影响路面美观﹑减低平整度，而且会削弱路面的整体平整度。特别是路面开裂后水份通过裂缝渗到路面基层﹑低基层甚至土层，削弱基层﹑土层的强度，从而加剧路面的破坏，缩短路面的使用寿命。因此，探讨反射裂缝的形成机理，并给与足够重视，对采用优质的路面材料﹑合理的结构层次，压缩沥青路面面层厚度，采取切实有效的技术措施防止或延缓沥青路面开裂的产生，并对已发生的裂缝进行治理，使半刚性基层沥青路面真正体现“优面强基稳定土层”的路面结构组合原则，使其在技术上更合理﹑经济上更有效，以适应我国公路事业迅速发展的需要。
1半刚性基层材料的性能
用水泥﹑石灰﹑粉煤灰等无机结合料稳定土或处治碎(砾)石以及用各种水硬性材料结合料的工业废渣修筑的基层叫半刚性基层。通常包括石灰土﹑石灰粉煤灰(简称二灰)﹑石灰粉煤灰(简称二灰土)﹑水泥土等以细颗粒组成的材料和以石灰土﹑石灰粉煤灰﹑水泥等结合料组成的材料。
1.1热胀特性
半刚性基层材料的宏观热胀性是其固﹑液﹑气三相热学性质相互作用综合效应的外观表现。原材料除粉土矿物外，一般具有较小的胀缩系数，而新生胶结合物具有较大的热胀系数。各种形式的水通过扩张作用，毛细管压力作用和冰冻作用，对其冻胀性产生相当大的影响。当含水量接近最佳含水量时，半刚性基层材料的温度收缩系数呈现最大值。
1.2干燥特性
半刚性基层材料的干燥收缩主要是通过毛细管张力作用，吸附水及分子间力作用﹑层间水作用和硫化作用4个过程而引起整体宏观的收缩。
半刚性基层材料处于相对湿度和温度不断变化的环境，而相对温度又与湿度成反比。因此，半刚性基层的温度收缩与干燥收缩一般同时发生，而且往往产生相反效应。处于平衡含水量状态的半刚性基层材料，随着内部温度的进一步降低，含水量会有所上升。所以其胀缩率是温度与湿度相互作用的综合效应。
半刚性基层一般在高温季节中建成，成型初期内部含水量大，且未被沥青面层封闭。此时基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存在昼夜温差，所以，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和由昼夜温差引起的温度胀缩疲劳作用的综合效应，这个阶段是以干燥收缩为主，温度收缩为辅的综合过程。经过一定龄期的养生，半刚性基层铺筑沥青面层后，由于基层内相对湿度增大，使材料的含水量有所回升且趋于平衡，这个时期半刚性基层的收缩主要是温度收缩。
对于含土较多的材料以干缩为主，对于含集料较多的材料以温缩为主。
1.3疲劳特性
半刚性基层材料模量随龄期的增长而不断增长，这种基层早期具有柔性路面的力学特性，当环境适应时，其强度和刚度都会随时间的增长而增强，但其最终抗弯拉强度和弹性模量还是远小于刚性基层。半刚性基层的强度不仅与材料品种有关，而且与试验及养生条件有关。对水泥稳定材料强度主要受级配组成﹑粉粒含量﹑粘粒含量﹑水泥剂量影响;石灰粉煤灰稳定材料主要受土的类别﹑塑性指数﹑粒料及配合比影响。半刚性基层结构与柔性路面相比，具有强度高﹑稳定性好﹑刚度大﹑整体性好等优点。其不足之处是脆性大﹑抗变形能力差。当我们在半刚性基层上铺筑较薄的沥青面层时，由于沥青对温度的敏感性，以及在疲劳荷载作用下，半刚性基层裂缝便反应到面层上形成反射裂缝。
2半刚性基层裂缝机理
半刚性基层材料的裂缝主要产生于其温度收缩﹑干燥收缩和疲劳荷载作用。
2.1温度收缩机理
温度收缩机理半刚性基层的无机结合料稳定料是由固相(组成其空间骨架的原材料的颗粒和其间的胶结料)﹑液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相(存在空隙中的气体)组成。无机结合料温度材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用，使无机结合料稳定材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略;原材料中砂砾以上颗粒的温度收缩系数较小，粉粒以下的颗粒温度收缩性较大。
无机结合料稳定材料固相大部分为结晶和部分非结晶体，其热学性质有质点间的键性和热运动以及结构组成所决定。
组成晶体的质点间的键性一般较强，质点的势运动只能在其平衡位置附近热震荡。晶体的势能曲线是不严格对称的左陡﹑右缓的复杂曲线。在一定温度下，晶体质点有一定的动能，质点在r′和r″间作震荡，平均间距为r0=(r′+ r″)/2。因此势能曲线在最低点不对称，热振动趋向于势能增加小的方向移动更大的距离。当材料系统在环境中得到热能时，平均间距r0右移，质点间距离温度升高而增大。
无机结合料稳定料内部广泛分布有大空隙、毛细孔和胶凝孔。自由水存在于大空隙中，毛细水存在于毛细孔和胶凝孔中，结合水存于一切固体表面，层间水存在于晶胞和凝胶物层间，结构水和结晶水存在矿物晶体结构内部。
无机结合料稳定材料温缩性受组成矿物单元的含量比例﹑结构强度及各组成矿物单元的影响。水是影响此材料温度收缩的主要因素，特别是在非饱水状态时影响较大。水对无机结合料的影响主要通过扩张作用﹑毛细管张力和冰冻作用实现。相对而言，对石灰影响最大，对二灰影响次之，对水泥类影响最小。
2.2干燥收缩机理
干燥收缩是无机结合料稳定材料内部含水量变化而引起体积收缩的现象。其基本原理是由于水分蒸发而发生的毛细管张力作用﹑吸附水及分子间力作用﹑矿物晶体或凝胶体的层间水作用﹑碳化脱水作用而引起的整体的宏观体变化。
半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在毛细管张力，以压力的形式作用于毛细管壁，其大小与毛细管的半径成反比。当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。
毛细水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒间距离变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。其收缩量要比毛细管作用的影响大得多。当吸附水膜减薄到一定程度后，收缩量逐渐减小，直至终止收缩。
半刚性基层材料中有大量层状结构晶体或非晶体，如粘土矿物﹑C-S-H凝胶﹑C-A-H结晶体等，其层间夹有大量的层间水与水化离子。随着相对湿度的进一步下降，层间水蒸发，致使晶格间距减小，从而引起整体收缩。
半刚性材料中Ca(OH)2和CO2反应生成Ca-Co2析出水而引起体积收缩。
因此，无机结合料(指灰土﹑二灰﹑水泥)的矿物成分对分散影响最大;集料增加对水的作用减小;龄期增加，强度增高，可是干缩降低。可见初期养生不良或非含水量太大，必将导致很大干缩。
2.3疲劳破坏机理
在正常使用情况下，由于半刚性基层材料的抗拉强度远小于其抗压强度，在车辆荷载﹑温湿应力的重复作用下，结构层低的弯拉应力(应变)超过其疲劳强度(它较一次荷载作用的极限小得多)时，基层底便产生裂缝，并逐渐向表面发展。这种裂缝开始大都是细而短的横向开裂，以后逐渐扩展成网状，其开裂程度和范围也逐渐扩大，甚至导致面层破坏。
结构层达到临界疲劳状态时所承受的荷载重复作用次数为疲劳寿命。其大小主要取决于所受到的重复应力(应变)的大小，同时与结构层的环境因素有关。
3裂缝的开裂模式
横向裂缝是半刚性基层沥青面层破坏的主要形式，它包括沥青面层本身的低温收缩裂缝﹑温度疲劳裂缝﹑半刚性基层收缩反射性开裂及土基土壤收缩引起的开裂等许多复杂情况，是多种因素综合的结果。这些裂缝主要发生在降温过程中，而温度应力是最直接的原因。
非荷载性模式主要考虑温度的变化对结构开裂产生的影响。其基本假定为：
(1)路面为双层无限长狭条结构，沥青面层为h，半刚性基层厚度为H;
(2)面层和基层内的温度分别用平均温度来表示，基层平均温度与面层平均温度之差为△T;
(3)基层与面层相互传递的力矩不计。
材料的抗裂性能用抗裂指数R表示。
R面=[σ面]/{∫T0T1a沥(T)•S沥(T)dT｝
R基 =[σ半]/ {∫T0T1+△T a半(T)•S半(T)dT｝
式中：a沥(T)﹑a半(T)分别为沥青面层混合料和半刚性基层的温缩系数，1/℃;S沥(T)﹑[σ面]分别为沥青面层混合料的劲度模量和抗拉断裂强度，MPa;S半(T)﹑[σ半]分别为半刚性基层材料的抗拉模量和抗拉极限强度，MPa;T0﹑T1为各结构层平均温度的起止值。
当R1时，结构层抗拉不足而开裂;当R=1时，结构层处于抗拉极限状态;R1时结构层能抵抗温度应力而不开裂。
绘制R-T曲线，确定面层及基层开裂时的初始温度T面和T基，由T面与T基的相互关系即可确定半刚性基层路面3种不同开裂模式。即若T面﹤T基，则基层先裂;T面=T基，则基层与面层同时开裂;T面﹥T基，则面层先开裂。
各种不同因素对路面结构裂缝产生的机理、效果不同，但其应力可以叠加。对路面产生的裂缝模式仍然与温度收缩作用相同。
4防止措施
综合以上分析，半刚性基层沥青路面的反射裂缝形成有复杂的原因，与材料性能﹑结构层组合设计﹑温湿循环﹑车辆荷载疲劳作用以及施工工艺有关。其防治是一项复杂的工作，必须根据相关因素做出全面考虑，采取切实可行的措施才能取得预期的效果。
(1)选择合理面层材料。面层沥青应选用劲度模量大﹑温度敏感性能低的沥青或改性沥青，采用一定级配的集料，必要时可在沥青混合料中加土工合成材料以提高其韧性，减少沥青面层自身温湿效应并增强对基层可能形成反射裂缝的预防。
(2)选择合理基层材料。对半刚性基层无机结合料，应通过试验确定其最佳组成，以便使其抗裂性能尽量符合当地环境条件的要求，必要时可加入早强剂以提高早期强度，增大其弯拉强度而使弯拉模量变化不大，减弱温湿效应，提高耐用性，增强拉裂性能，减少基层自身裂缝或使其不产生裂缝。
(3)进行合理的结构组合设计。在路面结构组合设计方面，可通过修路试路段的方法提出适合地区特征的典型路面结构模式，确定最佳沥青面层厚度。使结构组合在力学上合理，所选用的沥青面层厚度不至太薄而足以抵抗基层裂缝反射对面层的影响，又不至于太厚而失去经济上的意义。设置10～15cm处治碎石上基层对吸收和消弱半刚性基层裂缝尖端应力和应变，减少和延缓反射裂缝的产生和扩展具有较好的效益。
(4)保持面层功能完备。面层施工中，对于多层沥青层结构，在多面层之间铺设土工织物等进行面层整体强度补强，增强面层自身的抗裂能力，保持沥青路面面层本身功能的完备性以减弱基层反射裂缝影响也是一种行之有效的方法。
(5)防止基层开裂。在基层施工中，应注意湿治养生并及时做封层处理以防止基层初期破坏和干缩裂缝产生，在基层采用预留缝(缝深不小于1/2板厚)，在缝处铺设土工织物防止不规则裂缝产生。确定基层的压实度并充分注意其压实的均匀性，防止基层不均匀沉陷而导致开裂。对于已发生初期裂缝的基层应全面而详细地调查，如果裂缝较严重，则应采取切割﹑开挖的办法并利用合适的材料重新铺设基层;如果裂缝轻微则可采用在基层顶面沿路幅全幅铺设土工织物或沥青橡胶应力吸收薄膜的措施。当基层不预留缝时，可以采取与裂缝轻微的相同办法进行防治。
(6)施工注意事项。作为防治半刚性基层沥青路面反裂缝重要措施的土工织物的应用，在施工中应注意清除铺设层面的杂物，并使其铺设牢固﹑顺直﹑搭接合理(一般10～20cm为宜)﹑粘层油温度适中，避免人为或施工机具对其损坏而达不到预期效果。而对沥青橡胶，在施工中应重视沥青的稠度，橡胶粉的品种﹑细度和含量，搅拌温度与时间，并与施工方法密切结合，切忌在潮湿的半刚性基层上直接铺沥青橡胶应力吸收薄膜，应在基层铺一层下封层并使其干燥以保证其质量。