公路半刚性基层材料结构理论多指标控制设计方法

拌合、摊铺 压实、养生
其他类型 基层, 15%
半刚性基 层, 85%
水泥
砂石材料
或+ 或
石灰
工业废渣
其他类型 基层, 5%
半刚性基 层, 95%
半刚性基层
其他类型基层
图1 各级公路基层类型
半刚性基层
其他类型基层
图2 高速公路基层类型
半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各 级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。
半刚性基层材料的强度不仅靠结合料的剂量, 更应要靠良好的集料级配.
在一定条件下可以做到高强又不开裂. 高强度半刚性材料应该是结构设计的要求的
结果,而且应该是有界限的.
水泥稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量
土类
级配良好的 砾石-砂-粘 土，砂或砾 石
粉质砂， 粉质-砂质 粉土，粉质 砂质粘土 粘土，级 粘土，级配
公路半刚性基层材料结构理论、多指标 控制设计方法及工程应用
长安大学 沙爱民
2010 年 04 月09日
大背景:公路建设快速发展。 减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。
供车辆安全、平稳行驶
面层 基层
主要起承重作用
路基
基层是公路路面的主要承重层, 基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。
半刚性 基层
裂缝。 控制细料含量可以显著减小温度收
缩开裂可能。
干缩系数
含水量（%）
干缩系数（με/%）
6.5
水泥碎石 XM 4%
5.5
水泥碎石 XM 5%
水泥碎石 XM 6% 4.5
3.5
2.5
1.5
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 时间（h）
250
水泥碎石 XM 4%
200
水泥碎石 XM 5%
150
水泥碎石 XM 6%
100
50
0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 时间（h）
干缩系数（με/%）
干缩应变（με）
400
350
300
250
200
150
水泥碎石 XM 4%
100
水泥碎石 XM 5%
50
水泥碎石 XM 6%
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 时间（h）
0.3MPa 10HZ
0.5MPa 10HZ
0.7MPa 10HZ
差刷量(克)
150
配差的砂 很差的砂
重粘 土
7d无侧限抗压强度 （MPa）
弯拉模量（×103MPa）
＞2.8～10.5 1.7～ 3.5
7～21
7
水泥剂量（干土重%） ≤5
7
0.7～1.7 0.35～1.05 ≤0.7
3.5～7
＜3.5
1.4
9
10
≥13
收缩开裂问题
温度或干燥收缩是材料的“天性”。 及时的保湿养生可以避免干燥收缩
0
55 45 35 25温度（1℃5 ） 5
-5 -15 -25
温缩系数（με/℃）
温缩系数（με/℃）
16 14 12 10 8 6 4
55
20
15
10
5
0 55
水泥碎石 GK 6% 水泥碎石 GK 8% 水泥碎石 GK 10%
35
15
-5
-25
温度（℃）
二灰碎石 XM 4：11：85 二灰碎石 XM 9：16：75 二灰碎石 GM 4：11：85
时间(分钟)
水泥砂砾(6%)
0.5MPa 10HZ 0.5MPa 15HZ 0.5MPa 20HZ 0.5MPa 25HZ
图4-18 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同时间不同频率下冲刷曲线
50
水泥砂砾(6%)
200
水泥土(6%)
40
30
20
10
0 5 10 15 20 25 30 时间(分钟)
250
水泥碎石 XM 4%
200
水泥碎石 XM 5%
150
水泥碎石 XM 6%
100
50
0Hale Waihona Puke Baidu
0
1
2
3
4
5
6
含水量（%）
干缩应变（με）
400
350
300 250
200
150
水泥碎石 XM 4%
100
水泥碎石 XM 5%
50
水泥碎石 XM 6%
0
0
1
2
3
4
5
6
含水量（%）
温缩应变（με）
温缩应变（με）
半刚性基层的“问题”
强度高且容易开裂 半刚性基层容易发生水损坏 半刚性基层的耐久性需要考证
半刚性基层何去何从?
强度高
国外对半刚性基层的开裂与冲 刷损坏主要是通过增加面层厚度和 抗裂性好 控制面层的渗水来避免和减少，效 果有限，成本较高。
半刚性基层
抗冲刷性能强
国内曾采取过在基层中通过设 置应力吸收层、铺设土工布、预锯 缝以及封层等方式减少基层自身收 缩开裂和冲刷现象以及对面层的影 响，效果不明显，且易引起新的破 坏现象。
长安大学自“八五”开始至今，近二十年长期对半刚性基 层的抗裂性、强度形成机理以及综合性能改善等方面开展了大量 研究和实践，发现：半刚性基层性能改善的经济、有效途径在于 改进材料的组成设计。
研究内容
理论依据
试验手段
设计方法
工程应用
理论依据
强度问题
半刚性基层的可设计强度值域很 宽:0.5~12MPa
沥青路面早期损坏成因的“内忧外患”
超载问题?
施工质量问题?
路面结构设计方法问题? 路面结构类型（半刚性基层沥青路面） 设计理论体系（指标与方法）
半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。
抗裂性不足 导致面层 反射裂缝
冲刷能力 不足导致面层 唧浆、松散
强度不足 导致面层 疲劳破坏
温缩系数
700
600
500
400
300
200
水泥碎石 GK 6% 水泥碎石 GK 8%
100
水泥碎石 GK 10%
0
55 45 35 25 温度1（5℃） 5
-5 -15 -25
800
700
600
500
400
300
二灰碎石 XM 4：11：85
200
二灰碎石 XM 9：16：75
100
二灰碎石 GM 4：11：85
35
15
-5
-25
温度（℃）
水泥石和集料的收缩系数
成分
水泥石
集料
花岗岩
玄武岩
石灰石
白云石
砂岩
收缩系数（×10-6） 10～20 7～9 6～8 6 7～10 11～12
冲刷问题
半刚性基层表面的非紧密联结的细料在动 水压力泵吸作用下的脱离是形成冲刷的主 要原因。
不产生或减小冲刷途径： 减少细料含量 增加结合强度 消减动水压力
冲刷试验结果
冲刷量(克)
300 250 200 150 100
50 0 5 10 15 20 25 30 时间(分钟)
水泥土(6%)
0.5MPa 10HZ 0.5MPa 15HZ 0.5MPa 20HZ 0.5MPa 25HZ
冲刷量(克)
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
5 10 15 20 25 30