半刚性基层沥青路面的过去,现在和未来

半刚性基层沥青路面的过去，现在和未来
马辉112364
摘要：我国所修建的高速公路中90%以上为半刚性基层沥青路面结构，这种结构承载能力强，车辙深度小，水稳定性好，且已成为我国高等级公路的主要结构型式。

但实践证明半刚性基层沥青路面有一些不可避免的技术问题，如由于半刚性基层材料的收缩特性而导致的沥青路面早期开裂，半刚性基层材料在行车荷载水和温度梯度的综合作用下出现的基层唧泥现象，在重交通条件下出现的早期疲劳损坏现象等等。

本文从半刚性基层的特点，典型结构和主要病害以及防止措施等方面对半刚性基层沥青路面做了详细的介绍，并在结构优化和重载条件下半刚性基层沥青路面的发展做了展望。

关键词：半刚性基层沥青路面；病害；裂缝；结构优化；重载交通
1.概述
在粉碎的或原状松散的土中掺人一定量的无机结合料(水泥、石灰或工业废渣等)和水，拌和后经压实与养生，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料。

由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，故常称此为半刚性材料，以此修筑的基层(底基层)亦称为半刚性基层(底基层)，在此基础上修筑的沥青路面称为半刚性基层沥青路面。

20世纪80年代中期以来，由于交通量大增，以及轴载和重车比例增大，对路面的整体强度和平整度提出了更高的要求，相应地，对基层的要求也提高到了一个更高的水平。

由于原有的级配碎石基层暴露出很大的弊端，即容易导致新建或改建的高等级公路沥青路面发生一些严重的早期损坏现象，于是普遍采用无机结合料稳定粒料(土)类基层，即在路面材料中掺入一定比例的石灰、水泥、粉煤灰或其他工业废渣等结合料，加水拌和形成混和料，经摊铺压实及养生后形成路面基层。

进入20世纪90年代以后，沥青混凝土为面层的半刚性基层路面被广泛地应用于国内二级以上公路(含高速公路)。

半刚性基层材料在国外一般都用水泥稳定，称为CTB(Cement Treated Base)，最早应用于对软弱地基的处理，随后发展并应用于基层和底基层路面结构设计。

与传统的全柔性路面基层(级配碎石、级配砾石、填隙碎石等)相比，石灰、水泥、粉煤灰等结合料都具有很高(或一定)的活
性，与水及土、砂、石等筑路材料拌和后，产生一系列的理化反应，经摊铺压实养生后形成的路面基层，具有较高的强度、刚度及是好的板体性、水稳性，并具有一定的抗冻性，大大提高了路面的承载能力。

半刚性基层材料还具有一定的抗弯拉强度、抗压强度以及抗压回弹模量，它们都具有随龄期而不断增长的特性，因此半刚性沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。

我国大多数高速公路路面结构在使用期内不同时期的代表弯沉值均在O．2mm以内，甚至在0．1mm 内。

已有试验路证明：半刚性基层沥青路面的承载能力完全可由半刚性基层予以满足，沥青面层可仅起功能层的作用，再加上半刚性基层较大的刚度使得其上沥青面层弯拉应力值较小(一般<O.17MPa)，从而提高了沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力，这就使得设计者可以考虑去减薄面层，降低工程造价。

鉴于半刚性基层沥青路面强度、平整度及抗行车疲劳性能较好这一特点，再加上半刚性基层板体性好，利于施工机械化且工程造价低，因此它实际上已成为目前我国高等级公路路面结构的主要形式。

半刚性基层厚度一般在15—40cm之间，对于厚度较大的基层工程多采取两层施工，分为上基层和下基层，下基层的下面是底基层，厚度一般为15～25cm。

1.1半刚性材料在国内外的应用
半刚性材料在我国的应用：我国自上世纪50年代起便开始在道路建设中应用石灰土作为路面基层，而且在其后的几十年中石灰稳定类半刚性材料一直是我国高等级公路的主要基层类型。

70年代中期，我国开始使用水泥稳定材料作基层。

90年代至今，以水泥稳定材料和石灰、粉煤灰稳定材料为代表的半刚性材料占各等级公路路面基层材料用量的95％以上。

半刚性材料在国外的应用：半刚性材料在国外的应用也很广泛，但其做法与国内有以下不同之处：(1)半刚性材料主要用来改善和加强路基强度，一般不直接作为基层。

(2)半刚性材料上通常设柔性基层作为过渡层。

如南非，半刚性基层上一般设15cm级配碎石作为过渡层，有效抑制半刚性基层裂缝产生。

美国、日本和德国通常采用全厚式沥青面层和柔性基层，半刚性材料仅作为各等级公路底基层使用。

(3)半刚性基层强度较国内要求低。

南非半刚性基层强度通常为2～3 MPa，日本水泥稳定材料的水泥含量(2％～3％)通常较国内低(4％～6％)，其强度相对也要低些。

1.2半刚性基层沥青路面的特征
半刚性基层具有较高的刚度，具备较强的荷载扩散能力。

所以施工及运营过程中一定要保持半刚性基层的整体性；半刚性基层起着结构承载能力作用，而沥青面层只起着功能层作用，因此半刚性基层沥青路面结构的主要破坏形式是半刚性基层的弯拉疲劳损坏；半刚性基层采用防水下渗措施是十分重要的，这是规范的规定。

半刚性基层的突出优点表现在：(1)具有较高的强度和承载能力，后期强度高且具有随龄期不断增长的特性。

资料显示，近年来国内多数高速公路路面结构在使用期内的代表弯沉均在20(1／100mm)以内。

为此，许多业内人士积极推行“强基薄面”理论，即认为半刚性基层沥青路面的承载能力完全可由半刚性基层予以满足，沥青面层可仅起功能层的作用，因而可以减小沥青面层厚度，降低工程造价。

(2)刚度大。

半刚性基层抗压回弹模量值可高达l800MPa，致使沥青面层弯拉应力相应减小，从而提高沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力。

由于基层模量较大，面层极少出现拉应力状况(这在沥青路面设计中经常遇到，沥青路面层底拉应力计算经常为负值)，沥青面层几乎完全处于受压状态。

(3)稳定性好。

半刚性基层材料具有较高的水稳性和冰冻稳定性，因此在水的作用以及多次冻融反复作用下，不影响半刚性材料基层的承载能力。

另外，半刚性基层材料板体性好，利于机械化施工，且工程造价低，能适应重交通发展需要。

半刚性基层沥青路面结构正是以其优良的工程性能和显著的经济效益在我国公路建设中得到广泛应用，目前己成为高等级公路路面主要结构形式。

1.3半刚性基层沥青路面设计理念与典型结构
我国半刚性基层路面结构设计采用路表弯沉、结构层底拉应力作为控制指标。

结合多处调查路段的路面结构和实际使用状况,以及国内外半刚性基层沥青路面的工程设计,可知半刚性基层沥青路面的承载能力主要来自半刚性基层, 承载能力改变时主要通过基层厚度的变化来实现。

我国半刚性基层路面设计理论和方法,只是以前轻交通路面设计理论和方法的简单外延,与重交通路面的要求尚有较大距离。

在重轴载和大交通量的情况下,半刚性基层路面出现了许多问题,其路面结构设计理论和方法以及技术参数有待进一步的研究。

典型结构分析
为研究半刚性基层路面各层的受力情况和适用条件, 选取半刚性基层路面结构实例进行分析，结构如图1。

图1 半刚性基层路面典型结构
在15℃时不同荷载作用下半刚性基层路面各结构层最大拉应力值变化如图2。

随着荷载的增加,沥青层表面最大拉应力呈减小趋势,水泥稳定碎石基层底部最大拉应力随着路面荷载的增加而增加,荷载增加43%时,层底最大弯拉应力增长达170%,可见荷载增加情况下基层层底拉应力大幅度提高。

半刚性基层因其自身材料的性质,抗拉应力(应变)能力较差,因此在重载的频繁作用下基层很容易发生破坏。

图2 不同荷载下格结构层的拉应力
此外,半刚性基层沥青路面对重载车具有较强的轴载敏感性。

重载车换算为标准轴载时对柔性基层通常是按4次方换算,对半刚性基层,随着基层和沥青层模量比的增大,换算荷载达到10次方以上。

也就是说,同样的超载对半刚性基层沥青路面的危害要远远大于对柔性基层沥青路面的危害。

若超载严重,拉应变超过半刚性基层的极限弯拉应变较多,将直接导致结构破坏,这种破坏是致命性的。

2.半刚性基层沥青路面的病害
2.1超载车辆作用下的破坏
近几年，高速公路上超限运输车辆急剧增加，尤以大货车为主。

根据实验数据，设计荷载10t的货车若装载20 t(100％超载)，每通行一次，沥青路面受压相当于通行295次，极大地加速了路面的疲劳破坏，大大缩短了高速公路的使用寿命。

另外，装载高度大的超载车因路拱坡度形成偏载，加上路面渗入水在路面结构层间沿横坡向低处汇集，造成行车道外侧轮迹处的病害普遍比内侧严重。

从路面大修过程来看，超载严重路段，行车道轮迹处半刚性基层基本碎裂，形成面层反射纵向裂缝、车辙或局部沉陷。

2.2水损坏
(1)由于半刚性基层非常致密，透水性很差，大气降水、中央分隔带绿化浇水、挖方路段裂隙水等进入路面后，不能从基层迅速排走，在基层与下面层问形成部分滞留水，浸泡和冲刷二灰碎石混合料，造成基层强度下降，形成龟裂、沉陷等病害。

(2)在行车荷载作用下，层间水沿层间薄弱处横向渗透，使基层与沥青面层的层面间逐渐成为不连续的状态使路面处于不利的受力状态。

(3)由于沥青面层空隙率较小，渗入面层中的水分不能形成径流，不易排出，在行车荷载，尤其是重车荷载作用下，对沥青混合料进行冲刷，造成沥青膜剥离，混合料松散脱落。

(4)由于半刚性基层收缩裂缝或在重荷载作用下发生破碎，导致面层形成反射裂缝或局部网裂，雨水下渗到基层甚至底基层，冲刷二灰碎石表面的细料，在动水压力下从路面裂缝中唧出(唧浆)。

2.3半刚性基层板体断裂导致反射裂缝
由于受优质石油沥青缺乏及经济不发达等因素的限制，我国长期以来奉行“强基、薄面、稳土基”的设计原则，具有承载能力强、造价低等特点的半刚性基层在高速公路中得到广泛应用。

但是，由于半刚性基层非常致密、强度高，与面层和土基层相比，弹性模量相差很大，在路基发生不均匀沉降或在超载作用下，都极易导致模量很高的板体断裂。

另外我国路面设计以弯沉作为承载能力设计最主要的指标，对半刚性基层的强度要求很高，而过高的强度将使基层开裂及反射裂缝的问题更加严重。

同时，由于半刚性基层材料本身的特性决定了其收缩开裂
是不可避免的，并且往往在铺筑沥青路面前就会因温缩或干缩而出现横向缩缝。

随着半刚性基层的开裂，在裂缝顶部、下面层的底部处形成薄弱区，在行车荷载和温度应力的作用下，裂缝逐渐扩展到面层，并向上发展直至穿透面层，形成反射裂缝，再加上渗水等因素的作用，使该处半刚性基层弹性模量迅速降低，板体松散，弯沉增大，加速了路面的破坏。

对裂缝采取的常规养护处理手段是封缝，但封缝仅起到了防水作用，对巨大的竖向剪切力作用下的破坏、起不到任何保护作用。

在温度应力和动载的共同反复作用下，反射裂缝处逐渐加宽导致封缝失效，进而发展成网裂、坑槽、沉陷、车辙等病害。

从沥青路面早期病害调查情况来看，半刚性基层破坏是导致沥青路面早期损坏的重要原因之一。

半刚性基层的病害中早期裂缝对道路的损坏尤为严重。

半刚性基层沥青路面有着其他路面结构不可替代的优越性，然而，随着半刚性沥青路面的大量使用，逐步发现它也存在着一些严重的问题，这就是在半刚性基层，特别是水泥稳定类基层沥青路面的早期出现了比柔性基层沥青路面多而频繁的裂缝，这个问题在国外也比较普遍。

这是由于受温度和湿度的影响，这种半刚性基层的材料、结构特性容易形成原始的微裂缝和宏观裂缝，使得路面面层铺设完成通车使用后不久，基层中的裂缝就在温度场和荷载场的单独或共同作用下向路面反射形成反射裂缝，从而进一步导致或加速路面的破坏。

我国地处世界欧亚大陆板块的东部，是季风气候最典型、最强烈的大陆，特别是在北方地区，裂缝十分普遍和严重。

调查表明，无论南方还是北方，通车后一年，最迟第二年均出现大量裂缝。

路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的，影响裂缝轻重的主要因素有：沥青和沥青混和料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和车辆类型以及施工因素等。

但就沥青路面开裂的主要原因而论，可以分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。

由于采用的半刚性基层有足够的强度，荷载型裂缝不是主要的，而主要是非荷载型裂缝。

非荷载裂缝引起的大部分为横向裂缝，主要是沥青面层自身的温度收缩裂缝以及由半刚性基层温度收缩开裂或干燥收缩开裂所引起的反射裂缝和对应裂缝。

在半刚性基层沥青路面上现场钻芯取样观测表明，裂缝中相当数量为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝(reflective．cracking)，这一比例常超过50％。

初期的裂缝对行车无明显影响，但影响路面美观，降低平整度。

大量裂缝(反
射裂缝或对应裂缝)的产生，不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致了结构强度的削弱，例如，使裂缝处弯沉增大从而加速面层弯曲破坏，同时，试验还表明，裂缝处半刚性基层弹性模量明显降低，从而影响了路面结构的整体强度。

裂缝的出现，也会对路面性能和耐久性产生不利的影响，这些不利影响包括：(1)会使路面系统防水性降低。

裂缝为雨水进入路面结构提供了通道，水分通过裂缝浸入到路面基层、底基层，水进入路面基层后可能顺着基层裂缝继续下渗，甚至进入对湿度敏感的路基土中，软化土基，危及整个路基路面结构：(2)易引起沥青面层较快地出现龟裂、网裂等。

通过裂缝进入路面结构内部的水大部分由于缺乏适当的排水通道而滞留于面层与基层间，在大量行车荷载反复作用下产生极大的动水压力而冲刷基层造成唧浆，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎。

这一过程的反复作用，最终导致基层丧失支撑及与面层的联结，从而使沥青面层出现网裂等破坏，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命，对以水泥稳定碎石材料为基层的高等级公路建设造成了潜在的危险，在某种程度上也限制了水泥稳定类半刚性基层的应用；(3)引起路基过大压应力。

由于存在裂缝，造成路面板体不连续，在行车荷载作用下将增大板体边缘的变形，从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面；(4)路面结构板体边缘的变形会在路面结构内(尤其基层)产生很大的应力和变形，在行车荷载作用下将缩短这些结构层的寿命；(5)在车辆、水分、霜冻等因素的综合作用下，磨耗层常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的剥落。

基于以上原因，一些人开始怀疑我国普遍使用的半刚性沥青路面结构，认为以半刚性路面结构为主的高等级公路路面结构过于单一，应该研究使用柔性路面结构，认为柔性路面结构才能解决当前半刚性路面的问题，延长路面使用寿命，降低大修成本。

同时目前国内还有一种倾向，为了减少半刚性路面的反射裂缝或对应裂缝，半刚性基层的强度普遍有降低的趋势，这是十分危险的。

众所周知，随着经济的发展，我国公路运输呈现车流量大和轴载重(大型货运车辆自重加运输货物有的每辆达60t以上，汽车轮胎的气压已增大到1.0 MPa以上)的情况，我国公路上的超载运输现象十分普遍和严重，这是摆在我们面前的客观现实。

对于这样大的交通荷载柔性路面结构能否承受，国内外均没有相关的研究成果可以证明，因此更无从谈起用柔性路面结构代替半刚性路面的优越。

没有足够的基层强度就无法满足我国较大的交通荷载对承
载力的使用要求，就会大大影响半刚性基层与沥青面层的层间粘结状态，就无法提高路面的耐久性和使用寿命。

可见，选择半刚性沥青路面结构是一个技术上可行、经济上合理的技术方案，我国选择半刚性路面结构作为高等级公路的主要结构形式有其历史的必然性和现实的可行性。

通过十多年来我国高等级半刚性沥青路面的使用经验证明，从承载能力角度看，这种路面结构是适合我国交通环境的。

3.主要防治措施
3.1结合实际加快理论创新步伐
(1)《公路沥青路面设计规范》的结构设计以弹性层状理论为基础，在设计结构厚度和验算沥青层底拉应力时，假设路面各层面之间的界面处于完全连续状态。

而实际上层面间往往处于连续和滑动之间的一种边界条件下，使设计和验算力学结果失去意义。

(2)按照《规范>中弹性层状体系理论和完全连续状态的假设进行计算，沥青面层底部始终处于受压状态，其弯拉应力验算失去了意义，弯沉成为路面设计唯一指标，这不能正确的反映路面的使用状况。

(3)随着交通量的增长及路基路面各结构层剩余沉降量的变形积累，一般通车2—3年后，面层平整度值就会开始明显增大，此时，重车及超载车行驶过程中所产生的冲击荷载对路面寿命影响不可忽视，按照规范的规定计算荷载应力、反算路面寿命已没有实际意义。

(4)随着土工织物类材料的广泛应用，为了防止半刚性基层产生反射裂缝，许多新建工程和大修工程常采用土工格栅等材料进行处理，这与规范中的层间界面接触条件不完全一致。

(5)Superpave等新的路面结构形式已在国内部分高速公路上得到应用，并取得较好效果，但现行规范中却没有相应内容。

对于上面提到的问题，都应该结合实际，优化设计，不断完善设计理论，探索出符合实际的新的设计理论，从根本上解决沥青路面的早期病害问题。

3.2改进沥青路面设计方案分类指导
从工程实践来看，采用柔性基层结构路面虽然初期投资大，但可从根本上解决路面早期损坏，避免了半刚性基层路面使用寿命有限、出现病害需要挖除重修
路面的弊端，节约大量的养护维修费用，应该说这是路面结构设计的发展方向。

但是，当前我国经济总体来看还不发达，地区间差异大，并且半刚性基层路面经过十几年的应用，形成了一套较完整的理论和技术，并且其造价低的特点是其他结构形式路面所不能比拟的。

因此，建议在当前阶段应根据地区、路段、工程形式(大修或新建道路)、交通量等具体情况。

选择经济、合理的设计方案。

鼓励发展使用柔性基层和组合基层路面结构，并努力完善半刚性路面结构，以达到减少路面早期损坏的发生。

3.3解决水损坏问题
(1)加强表面防渗，采用密级配沥青混凝土上面层，或采用SMA或Superpave 等结构，使路面范围内的降水分散或集中排出路面，在平曲线超高段或纵曲线凹弯段，应采用集中排水，并根据具体情况适当加密泄水槽。

(2)加强路面各结构层间结合处理，在半刚性基层上表面或中、上面层之间做SBS改性沥青防水层，各沥青混凝土层间喷洒粘层油，确保层问结合力。

(3)做好基层排水设计。

从实际调查来看，进入面层的水在竖向的渗透程度要远大于横向，水分大多汇集于半刚性基层上表面。

故应在做好半刚性“．基层上表面防水层基础上，在硬路肩外侧(若是大修工程，且仅处理行车道基层时，应在行车道外侧位置)设碎石或单一大粒径盲沟，根据具体排水量，在横向每隔一定距离用PVC管排出路外。

(4)设置中央分隔带防渗墙。

为防止中央分隔带降雨或浇灌水横向渗入路面层，可在中央分隔带两侧设置防渗墙。

一般在中央分隔带路缘石内约5em开槽，成槽宽度约2.5—3.5cm，深度不小于60cm，居中插入塑料膜，沿膜两侧均匀灌注防裂水泥浆密封即可。

3.4在施工和养护过程中积极采用新技术新工艺新材料
3.4.1改性沥青的应用
(1)采用SBS改性沥青材料，可有效提高路面沥青混凝土的高温稳定性和低温抗裂性，延长路面的使用寿命。

同时，结合SMA、Superpave等结构的应用，提高路面抗车辙能力。

目前，SBS改性沥青已广泛应用于新建、大修工程中，积累了大量经验，取得了良好效果。

(2)积极研发并推广应用物理改性沥青。

国内外实践证明，纤维改性沥青具有良好的耐磨性、密水性、耐久性，特别在薄层沥青面层中具有独到的优势，是其他改性沥青难以比拟的，在欧美等国家应用较为广泛。

3.4.2沥青再生技术的应用
(1)发展热再生技术。

在路基和基层无大的病害、面层主要是大面积的疲劳损坏情况下，应用再生技术处理路面病害，可极大恢复路面技术状况，有效延缓大修期限，节约大量养护维修资金(与传统方法相比,可节约：30％一50％的资金)。

目前一般采用就地热再生或厂拌热再生工艺施工。

(2)推广应用冷再生技术。

冷再生技术一般应用在大修工程的基层处理中，通常是将原沥青路面和半刚性或柔性基层铣刨后，掺人泡沫沥青等稳定剂进行稳定，重新摊铺作为新的基层，其上按常规做2—3层沥青路面。

此方法特别适合我国当前高速。

3.5半刚性基层沥青路面防裂措施
国内外道路工程领域一直把沥青路面的抗裂性研究作为一项重要研究内容，几乎都是针对以下几个方面对防治裂缝提出措施的，即沥青面层、半刚性基层以及面层与基层之间的联结。

3.5.1针对沥青面层
就沥青面层来说，可以通过两种途径来增强路面的抗裂性，一方面可以在路面结构设计时适当增加沥青面层的厚度，另一方面可以改善沥青面层的材料。

采用较厚的沥青面层不仅可以增加路面的弯曲刚度，减少层内的弯曲应力和剪切应力，而且可以延长裂缝反射到面层的时间，如日本东名高速采用25～30cm；奥地利Brenner高速公路采用40cm，均取得了较好的效果，但经济代价高。

就我国目前的高速公路建设状况来看，高速公路的沥青面层一般分上、中、下三层，总厚度在15～20em，很少采用增加沥青面层厚度的措施，有少部分高速公路的面层厚度超过了20cm，如“京津唐”高速公路面层总厚度为23cm，但从使用情况来看，与其他薄面层的高速公路相比，路面裂缝问题并没有明显改观。

为了提高沥青路面结构的服务性能，减少其病害，美国沥青路面联合会(APA)在全厚式和加厚式沥青路面的基础上，提出了使用永久性路面的概念，国内也叫长寿命沥青路面。