高等級(jí)公路半剛性基層幾個(gè)問題的討論

 高等級(jí)公路半剛性基層幾個(gè)問題的討論

　　摘要：提出剛性路面基層強(qiáng)度應(yīng)有差別，并就半剛性基層的裂縫及透層、防水層方面的問題通過工程實(shí)例進(jìn)行了討論，認(rèn)為浙江地區(qū)的瀝青路面結(jié)構(gòu)和水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的基層表面設(shè)置透層和防水層。

　　關(guān)鍵詞：剛性，半剛性，高等級(jí)公路　

　　1.引言

　　以碎石（砂礫）、石屑、砂和水加一定比例水泥拌和而成的半剛性基層（底基層的）在高等級(jí)公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要比例，以浙江為例，近十年來，幾乎所有的高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定層采用半剛性基層（底基層）結(jié)構(gòu)。半剛性基層（底基層）的普遍采用是其良好的水穩(wěn)性、必要的強(qiáng)度、適宜的工作性能和方便的施工工藝所決定的。

　　但是與對(duì)面層（水泥混凝土、瀝青混凝土）的關(guān)注程度相比，人們對(duì)基層在設(shè)計(jì)上的要求及施工質(zhì)量上的控制不夠，例如：人們更關(guān)心瀝青混合料的集料組成，而不太注重基層的材料質(zhì)量；在配合比設(shè)計(jì)上，僅限于在試驗(yàn)時(shí),摻配出滿足級(jí)配曲線的混合料，而曲線的走向、集料的組成對(duì)基層品質(zhì)的影響不甚明了；追求強(qiáng)度而忽視基層的工作性能；對(duì)采用的水泥標(biāo)號(hào)、初終凝時(shí)間及熟料組成不夠重視；施工的工藝控制狀態(tài)較差；不重視養(yǎng)生，不注重對(duì)施工養(yǎng)生后的基層進(jìn)行交通管制，缺少相應(yīng)的防護(hù)措施，造成基層的損壞，直接影響其工作性能；特別是在趕工期間，往往為了工期犧牲了基層的質(zhì)量，從而留下隱患。

　　另一方面，人們對(duì)半剛性基層品質(zhì)、作用的討論、認(rèn)識(shí)尚有很大的局限性，面對(duì)基層施工中出現(xiàn)的問題沒有采取切實(shí)可行的方法處理，例如對(duì)基層的固有缺陷（如開裂）認(rèn)識(shí)不足，沒有采取積極的補(bǔ)救措施。筆者在近些年的工程實(shí)踐中，對(duì)半剛性基層的作用、設(shè)計(jì)和施工等方面有幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和思考，在此提出來討論。

　　2.半剛性基層的強(qiáng)度

　　路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力可分為壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，從而對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生壓應(yīng)變、拉應(yīng)變和剪應(yīng)變。半剛性基層頂面面層結(jié)構(gòu)的不同，基層所承受的主應(yīng)力肯定不一樣�，F(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)路面面板所受應(yīng)力完全一致的標(biāo)準(zhǔn)和要求，在設(shè)計(jì)和施工中會(huì)引起較大的歧義，從而直接影響到基層的使用性能，這是我們要引起關(guān)注的問題。

　　2.1水泥混凝土路面的基層強(qiáng)度

　　水混凝土路面厚度設(shè)計(jì)理論是將路面結(jié)構(gòu)看成是一個(gè)整體的彈性體，這里的關(guān)鍵所在是：在這個(gè)彈性體內(nèi)，面板的模量和基層的模量可以相差很大，這是我們要求基層的強(qiáng)度應(yīng)控制得較低的基礎(chǔ)條件。路面板受到的是反復(fù)的動(dòng)荷載，這種沖擊動(dòng)荷載被傳遞到基層表面時(shí)，基層會(huì)將一部分沖擊荷載吸收傳遞，另一部分反彈回面板，當(dāng)基層強(qiáng)度大時(shí)，其彈性模量變大，反彈回面板的沖擊荷載變大，從而在面板上疊加了一個(gè)較大的反向力，加速面板的疲勞破壞。另一方面，半剛性基層在這一過程中也同樣會(huì)受到來自面板的疊加荷載的反復(fù)沖擊，當(dāng)其結(jié)構(gòu)均勻差、吸收荷載能力不足，而且其固有的抗變形能力不佳，就會(huì)導(dǎo)致基層的提前破壞，從而進(jìn)一步導(dǎo)致面板的早期破壞。水泥混凝土路面施工已經(jīng)向大型滑模攤鋪機(jī)組化發(fā)展，但攤鋪過寬的混凝土路面在強(qiáng)度形成過程中會(huì)隨著徐變應(yīng)變的減小消失而增加其內(nèi)部應(yīng)力，過寬的攤鋪寬度造成約束形成過大，從而在混凝土板內(nèi)形成較大的內(nèi)應(yīng)力，條件成熟時(shí)必定要釋放，導(dǎo)致面板破壞，基層強(qiáng)度過高在客觀上從外部增加了面板的約束，造成面板應(yīng)力集中，誘導(dǎo)應(yīng)力釋放。

　　一種觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)面板受動(dòng)荷載反復(fù)作用產(chǎn)生彎拉應(yīng)變，基層也會(huì)受到相應(yīng)的應(yīng)力影響，如果基層頂面的計(jì)算模量與面板的彈性模量相差太大時(shí)，基層抵抗面板的拉應(yīng)變能力差，會(huì)過早破壞。如果單從這一點(diǎn)考慮是成立的，但問題的關(guān)鍵除了疊加反向能力、約束等的不利影響以外，基層的強(qiáng)度過大，必然導(dǎo)致裂縫增加，筆者在329國(guó)道（余姚段）一級(jí)公路路面基層施工中，就強(qiáng)度和裂縫的關(guān)系作了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，分析可知，當(dāng)基層（底基層）無側(cè)限強(qiáng)度（7-8天）達(dá)到3.5Mpa以上時(shí),裂縫開始明顯增加,當(dāng)基層(底基層)無側(cè)限強(qiáng)度(7-8天)達(dá)到4.5Mpa以上時(shí)，一個(gè)月以后基本上出現(xiàn)了每5延m一道通裂縫，當(dāng)然，裂縫產(chǎn)生的綜合原因比較復(fù)雜，但基層強(qiáng)度提高會(huì)增加基層開裂的趨勢(shì)是不容置疑的�；鶎恿芽p的增加必然增加了因路面水滲入而發(fā)生唧漿的趨勢(shì)，這同樣是造成面板過早破壞的因素之一。

　　要抵御重車的沖擊荷載，按剛性路面的結(jié)構(gòu)理論是要進(jìn)一步增加面板的彎拉強(qiáng)度，同時(shí)降低其抗壓強(qiáng)度，這很難實(shí)踐，所以更好的解決辦法是增加面板厚度，使水泥混凝土路面的抗變形能力提高，基層主要受壓應(yīng)力及在面板的切縫處受剪，增加其品質(zhì)的均勻性，降低強(qiáng)度，形成緩沖穩(wěn)定層是最為關(guān)鍵的，同時(shí)通過在橫縫處設(shè)置傳力桿，可減少切縫處面板的剪應(yīng)力對(duì)基層的破壞。這是我們今后在水泥混凝土路面基層的設(shè)計(jì)施工中，必須認(rèn)真思考并付諸實(shí)踐的問題。

　　2.2瀝青混凝土路面基層的強(qiáng)度

　　有資料顯示，通過對(duì)半剛性基層頂用不同厚度的瀝青層的彎沉對(duì)比檢測(cè)結(jié)果分析，證明瀝青層面僅起功能性作用，而其厚度對(duì)半剛性基層路面的承載能力影響不大，即半剛性基層提供了幾乎全部的承載能力，則此可見，瀝青路面在行車的沖擊荷載作用下，半剛性基層底面會(huì)產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，從而造成彎拉疲勞破壞；半剛性基層由于有一定的板體性和整體性，抵抗行車壓應(yīng)力的能力足夠，基本上不會(huì)產(chǎn)生壓縮變形。

　　顯然，由于瀝青路面的特點(diǎn)，基層的強(qiáng)度和厚度是保證瀝青凝凝土路面耐久性的關(guān)鍵所在，我國(guó)目前的瀝青路面設(shè)計(jì)方法就是以行車荷載作用下表面產(chǎn)生的垂直回彈彎沉確定基層的強(qiáng)度和厚度，現(xiàn)行規(guī)范中的基層無側(cè)限強(qiáng)度已有要求，所以，瀝青結(jié)構(gòu)層中基層的設(shè)計(jì)主要是厚度設(shè)計(jì)，提高基層的強(qiáng)度對(duì)瀝青路面來講，是有益的，但同樣的問題是隨著強(qiáng)度的提高，基層開裂的趨勢(shì)加大，這又對(duì)瀝青路面更不利，因此，在適宜的強(qiáng)度下合理的厚度既經(jīng)濟(jì)，又是我們追求的目標(biāo)。

　　3.半剛性基層的裂縫

　　半剛性基層在我國(guó)的實(shí)踐時(shí)間不足30年，在其充分表現(xiàn)出優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它的明顯固有缺陷也一直伴隨其間，其中最主要的就是我們一再提到的開裂問題。

　　半剛性基層的開裂成因機(jī)理比較復(fù)雜，干燥收縮、溫度收縮對(duì)于水泥為膠凝材料的基層而言應(yīng)該是主導(dǎo)因素，塑性收縮發(fā)生在施工過程中和施工完成之后一段時(shí)間，由于半剛性基層混合料的密度較低，空隙率較大，再加上含水量較少，及容易在高溫施工中發(fā)生蒸發(fā)速率大于泌水速率的現(xiàn)象，塑性收縮因此發(fā)生，但其表現(xiàn)的狀況應(yīng)與水泥混凝土的塑性收縮相異。

　　基層裂縫一般以橫裂為主，隨著時(shí)間的推移，這類裂縫都會(huì)通裂，當(dāng)橫較密集時(shí)（例如每5m一道），還會(huì)伴隨出現(xiàn)縱向裂縫，這與成板理論有關(guān)；一般基層的寬度在11m左右，當(dāng)出現(xiàn)每5m一道的橫裂縫后，這塊基層板就變成了橫向的狹長(zhǎng)板，長(zhǎng)寬比失當(dāng)，在這個(gè)狹長(zhǎng)板的中間附近就會(huì)繼續(xù)開裂出縱縫。許多人對(duì)于出現(xiàn)縱縫深表憂慮，認(rèn)為路基有質(zhì)量問題或基層有嚴(yán)重的施工質(zhì)量問題，當(dāng)然出現(xiàn)縱裂縫要警惕路面問題，但一定比例的縱向裂縫只是由于橫縫導(dǎo)致的長(zhǎng)寬比例失當(dāng)誘發(fā)新的裂縫之故。

　　3.1材料對(duì)半剛性基層裂縫的影響

　　a、水泥早強(qiáng)水泥是施工單位愿意采用的，因?yàn)橐?guī)范是按7天無側(cè)限強(qiáng)度來描述基層施工質(zhì)量的，但對(duì)于基層的品質(zhì)而言，早強(qiáng)水泥在前期提供了過高過快的強(qiáng)度發(fā)展指標(biāo)，使基層過早的塑化，同樣的由于基層施工的寬度、厚度、長(zhǎng)度都達(dá)到了一個(gè)很極端的狀態(tài),內(nèi)部應(yīng)力過大，這也是導(dǎo)致開裂的因素之一；水泥的用量增加除了使強(qiáng)度增加而貢獻(xiàn)裂縫之外，過多的水泥也會(huì)增加化學(xué)收縮、自生收縮發(fā)生的趨勢(shì)；水泥的初終凝時(shí)間更為重要，使這也有兩面性：初終凝時(shí)間不夠，會(huì)直接影響基層的施工質(zhì)量，畢竟基層施工需要一定的工作時(shí)間才能完成攤鋪碾壓，但時(shí)間過長(zhǎng)，水分散逸，水化熱不能充分進(jìn)行，未充分水化的水泥則成了開裂的誘因。

　　目前，尚未見更多水泥對(duì)裂縫影響的研究資料、報(bào)告，現(xiàn)行規(guī)范中提及了水泥用量的研究結(jié)果（水泥用量超過6%時(shí)開裂明顯）被大家所認(rèn)同，但事實(shí)上也不盡然，329國(guó)道（余姚段）一級(jí)公路基層施工中對(duì)水泥使用量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)水泥的用量達(dá)到5%以上時(shí)，基層開裂出現(xiàn)高峰，這當(dāng)然與不同水泥的品質(zhì)有關(guān)系。另一個(gè)值得提及的問題是；現(xiàn)行規(guī)范又要求施工中的水泥用量不得低于其設(shè)計(jì)用量的下置信值，這為堅(jiān)持水泥用量需高的人士提供了依據(jù)，浙江某工地的基層施工中，由于監(jiān)理方堅(jiān)持按下置信度控制水泥的最低用量，在Cv值較大的情況下，為了保證下置信值，水泥用量一度在6.5%--7.0%之間，造成基層裂縫嚴(yán)重，這是必須引起關(guān)注的。

　　b、石屑石屑在基層配合比設(shè)計(jì)中占有重要位置，但一般用在基層的石屑的質(zhì)量令人擔(dān)擾，0.075mm以下的比例很難保證在5%--7%以下；含泥量也偏大，這與石場(chǎng)的加工工藝有關(guān)，雨天采石加工也是個(gè)問題。在實(shí)際施工中，如果不采用0.075mm以下的石屑，施工中發(fā)現(xiàn)混合料的板結(jié)性不好，發(fā)糟，沒粘性，碾壓成型的基層表面松散，但裂縫調(diào)查發(fā)現(xiàn)基層裂縫很少。根據(jù)網(wǎng)上公布在京珠南高速公路施工中，某標(biāo)段采用0.30mm碎石加砂摻配成滿足規(guī)范要求的混合料施工基層，施工后一個(gè)月開始出現(xiàn)橫裂縫，后來有一段基層采用0.3mm碎石加石屑施工，養(yǎng)生期間已開始出現(xiàn)近10m間隔一道的橫裂縫，半月后，裂縫達(dá)到4.5延米一道，篩分結(jié)果得知0.075mm以下的粉料達(dá)到了8.7%。

　　通常人們認(rèn)為采用石屑可以減少裂縫，采用河砂會(huì)增加裂縫，但實(shí)際情況表明細(xì)集料中對(duì)裂縫產(chǎn)生其主要作用的是0.075mm左右的材料，這與其有較大的線型膨脹系數(shù)有關(guān)，由于這類細(xì)料比表面積大，遇水膨脹，失水后收縮變形大，是造成裂縫的關(guān)鍵之一。

　　因此，采用較粗的石屑有利于改善基層的抗裂性。

　　3.2配合比曲線對(duì)裂縫的影響

　　基層的配合比設(shè)計(jì)中存在的主要問題是許多施工單位僅僅滿足于在實(shí)驗(yàn)室里摻配出符合級(jí)配曲線的基層混合料，至于曲線的走向、形狀很少有人去認(rèn)真推敲。

　　我們?cè)趯?duì)329國(guó)道復(fù)線新建工程（余姚段）一級(jí)公路基層施工的實(shí)際配合比篩分記錄對(duì)應(yīng)的基層裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果的分析中發(fā)現(xiàn)：

　　混合料的曲線光滑連續(xù)，對(duì)于減輕裂縫有益；

　　當(dāng)粗集料（10mm以上）比例60%-65%以上時(shí)，裂縫有所降低（8延米一道）；

　　不同施工時(shí)間的混合料的曲線變異越小，裂縫減少；

　　可見注重混合料曲線的特點(diǎn)，采取有效的措施在施工中控制好混合料級(jí)配，是減少裂縫的途徑之一。

　　3.3混合料拌和對(duì)裂縫的影響

　　由于穩(wěn)定土廠拌均采用連續(xù)式的拌和設(shè)備，形成了先天性的不足：計(jì)量系統(tǒng)的誤差較大，特別是水泥的計(jì)量精確；攪拌缸長(zhǎng)度不夠，通常的200-300噸/小時(shí)的廠拌攪拌缸長(zhǎng)度不足2m，攪拌時(shí)間不夠，混合料均勻性差；含水量的控制誤差偏大，由于施工中的各類問題，不可能保證長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的連續(xù)拌和出料，斷斷續(xù)續(xù)出料過程造成了配合比的誤差大。在這樣的條件下生產(chǎn)出來的穩(wěn)定土材料由于較大的背離了設(shè)計(jì)配合比曲線，對(duì)于質(zhì)量影響是很大的。

　　盡快淘汰較舊的廠拌設(shè)備，采用計(jì)量精度更高、產(chǎn)量在400噸/小時(shí)以上的拌和設(shè)備，也是改善抗裂性的保證。

　　3.4養(yǎng)生

　　養(yǎng)生對(duì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)有明顯的益處，目前基層采用的養(yǎng)生方法通常是薄膜覆蓋，但確實(shí)存在一些問題，我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，薄膜覆蓋到第三天時(shí)，基層中的水分基本上喪失了（雖然掀開薄膜時(shí)看起來基層表面還是濕潤(rùn)的），一部分與水泥進(jìn)行了水化反應(yīng)，一部分被下承層吸附，還有一部分在空隙中散失，這時(shí)的強(qiáng)度尚未完全形成，所以覆蓋薄膜養(yǎng)生效果在三天前作用最大；單純?yōu)⑺�養(yǎng)生的效果較差，特別是天氣炎熱時(shí)，灑水養(yǎng)生很難達(dá)到要求。

　　互相彌補(bǔ)的方法是在前三天采用薄膜覆蓋方式，第四天開始起膜灑水直到養(yǎng)生期結(jié)束。

　　比較理想的養(yǎng)生方法是采用可透氣保水的土工材料進(jìn)行覆蓋并用水車保水，我們進(jìn)行的一段實(shí)驗(yàn)效果極好，整個(gè)養(yǎng)生期覆蓋的土工材料始終保持濕潤(rùn)，由于基層在養(yǎng)生期得到了良好保水，基層的質(zhì)量穩(wěn)定，裂縫在一段時(shí)間內(nèi)很少發(fā)生，但這種養(yǎng)生的成本太高，在實(shí)際施工中，可以用吸水性較好的麻袋或廢布材料代替，效果比較好。

　　3.5氣候和結(jié)構(gòu)的影響

　　太陽(yáng)的長(zhǎng)時(shí)間照射使裸露在自然環(huán)境下的基層容易開裂，值得注意的是在反復(fù)下雨天晴的變化中，基層裂縫更會(huì)快速發(fā)展，當(dāng)雨水停留在未施工完畢的中央分隔帶或沿裂縫滲到基層下面路基結(jié)構(gòu)中后，被水侵害的路基就會(huì)直接影響到基層質(zhì)量，產(chǎn)生裂縫。

　　329國(guó)道復(fù)線新建工程（余姚段）一級(jí)公路的一段基層在施工一段時(shí)間后，出現(xiàn)了縱橫向裂縫密集現(xiàn)象，經(jīng)分析是該段為一個(gè)縱曲線的凹變坡點(diǎn)處，雨季當(dāng)中，大量路面水無法排出沿中央分隔帶匯聚在凹縱曲線處滲透到路基中，原本施工質(zhì)量得到保證的路基受水的影響膨脹變軟，基層（底基層）隨之發(fā)生破壞。

　　有人為了證明基層出現(xiàn)開裂不是路基的質(zhì)量問題時(shí)，采用的裂縫處開挖斷面，觀察土基是否也發(fā)生了裂縫，這實(shí)際上毫無意義，無論是何種情況下，半剛性基層（底基層）發(fā)生開裂時(shí)想在土基上找到對(duì)應(yīng)的裂縫都是徒勞的甚至有點(diǎn)愚蠢，除非基層被拉裂達(dá)幾公分，因?yàn)槁坊�的受壓變形一般較，足以填補(bǔ)引不均勻沉降形成的結(jié)構(gòu)縫隙，在基層上表現(xiàn)出來的裂縫，在路基上很難觀察到。

　　4.透層和下封層（防水層）

　　瀝青砼結(jié)構(gòu)層與水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的結(jié)合質(zhì)量，是影響瀝青砼路面使用壽命的重要因素之一，若兩者之間結(jié)合質(zhì)量不好，通車后易發(fā)生月牙形推擠裂紋，在荷載及雨水的作用下，造成路面破壞。有專家認(rèn)為，透層油滲入到基層一定深度，會(huì)改善基層的抗水沖刷能力，減少滲透水對(duì)基層的破壞。因此，透層及下封層作為粘結(jié)瀝青砼與半剛性基層的重要結(jié)構(gòu)層是必不可少的；而透層材料能否滲入半剛性基層表面一定深度，增強(qiáng)基層的整體性并形成粘結(jié)介面最為關(guān)鍵。

　　目前，浙江省已推廣高滲透力乳化瀝青為透層油，這一新技術(shù)的開發(fā)利用，對(duì)于基層十分重要，完成基層施工需開放交通的段落，采用可滲透到基層10mm深的透層油能很好地保護(hù)基層不受破壞。

　　施工實(shí)踐表明，灑布透層油開放交通一月以上的基層表面基本未受到損壞，這對(duì)于混凝土路面具有決定性意義，基層的平整度和細(xì)部的坑槽對(duì)面板的約束影響很大，許多基層在施工后由于開放交通出現(xiàn)局部破損、松散，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行面板施工必然造成約束過大，不利于面板的徐變松弛過程的發(fā)生，從而使路面板的應(yīng)力無法釋放。

　　多年的施工實(shí)踐表明，無論是水泥混凝土、瀝青混凝土的半剛性基層表面都應(yīng)在灑布透層油的基礎(chǔ)上增加一層瀝青下封層（防水層）。許多路面的破壞都是因?yàn)槁访嫠疂B入基層導(dǎo)致唧漿，當(dāng)洗刨機(jī)洗切基層后，在未洗刨的基層斷面結(jié)構(gòu)中，可清晰地看到滲入基層的水分像泉水一樣在斷面滲出，說明滲到基層的水量相當(dāng)大，瀝青路面的起拱、唧漿、網(wǎng)裂都與此有很大關(guān)系。防止路面水滲入基層是提高瀝青路面耐久性的根本問題。

　　水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)中在基層灑布透層油的基礎(chǔ)上增加一層防水瀝青封層更其獨(dú)到的作用，這層防水層實(shí)際上起到了增加面板和基層之間滑動(dòng)的趨勢(shì)，這是我們一直追求的理想結(jié)構(gòu)；另外，水泥面板切縫的防水問題一直是比較困難的，基層表面的防水層作為最后一部分就是因裂縫使水滲入基層，導(dǎo)致基層破壞進(jìn)而導(dǎo)致面板板底掏空所致。

　　5.結(jié)語

　　水泥混凝土路面基層和瀝青混凝土路面基層的品質(zhì)指標(biāo)不能沒有差別，前者應(yīng)該向緩沖穩(wěn)定層方向發(fā)展。

　　半剛性基層的缺陷是存在裂縫，大量的調(diào)查顯示，大多數(shù)的高等級(jí)公路基層存在每5m-10m發(fā)生一道橫裂縫現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)伴有縱裂，這種現(xiàn)象可以減少但無法避免，防止基層裂縫反射到瀝青面層及防止因裂縫導(dǎo)致過早的水破壞發(fā)生使我們應(yīng)注意的要點(diǎn)。

　　透層的采用可增強(qiáng)基層的抗水沖刷能力，使基層和瀝青面層的結(jié)合更牢固，可以最大限度的保護(hù)基層開放加通后的質(zhì)量。下封層（防水層）對(duì)于封閉基層裂縫有明顯作用，而對(duì)于防止路面水滲入基層更是有顯著功效。兩者應(yīng)該在浙江地區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮。

　　參考文獻(xiàn)：

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