1.湖北省城建设计院股份有限公司；2.武汉理工大学材料科学与工程学院
摘要：柔性半柔性路面基层与半刚性基层相比不易产生收缩裂缝，具有独特的经济技术优势。本文总结了半刚性基层的特点与常见病害，对柔性半柔性路面基层的分类、优势以及研究进展进行了梳理，列举了柔性半柔性路面基层在我国公路工程中的应用实例，阐述了当前路面基层研究中存在的问题。有助于相关研究人员更好的明确柔性半柔性路面基层的研究方向与优势，促进柔性半柔性基层在公路工程中的推广应用。
关键词：柔性基层，半柔性基层；收缩开裂；水损害；研究进展
我国高速公路的设计年限一般为20~30年，而实际服役寿命只有 8~10 年，普通公路的服役年限同样不容乐观。随着我国交通基础设施建设的不断推进，公路建设面临着环境更加恶劣、交通量大、路基软、轴载高、水损害等一系列严峻考验。沙庆林院士曾强调优质的基层是关键[1]，路面基层是沥青路面主要的承重层，是水泥混凝土路面分散荷载、调节水温状况的结构层次[2]。国内外路面基层形式从刚性到柔性，从结合料稳定型到嵌锁型、级配型有数十种之多。我国经过多年的探索与实践，逐步形成了以半刚性基层沥青路面为主的路面结构，半刚性基层也逐步形成以水泥稳定“骨架密实型”结构为主流的路面基层结构，因此多年来路网建设中广泛使用以水泥稳定类为主的半刚性基层。但是半刚性基层沥青路面普遍存在由于基层收缩与超载疲劳引发的密集反射裂缝与严重水损害问题，严重威胁着路面的服役质量与年限。由于半刚性基层沥青路面病害的频发，一些刚性、半柔性以及柔性基层的研究成果也逐步进入推广应用阶段。随着柔性半柔性路面基层研究的加深与应用的不断推广，对其研究与应用成果进行梳理总结，为更好的促进柔性半柔性基层的研究水平和工程应用的推广具有重要意义。本文综述了半刚性路面基层的常见病害，以及针对目前的问题所提出的柔性半柔性基层的优势以及研究进展，并列举了柔性半柔性基层在公路工程实际应用的案例，最后总结了路面基层领域研究工作存在的主要问题。
1半刚性路面基层的特点与常见病害
半刚性路面基层是用水泥、粉煤灰、石灰等无机结合料稳定集料或土类材料及用各种水硬性材料结合料的工业固体废弃物铺筑的路面基层。半刚性基层沥青路面具有整体强度高、稳定性好、抗永久变形及抗行车荷载疲劳破坏等特点，因而在我国应用最为广泛。半刚性基层沥青路面是我国公路建设的最典型的结构，90%以上的高等级沥青路面和绝大部分水泥混凝土路面均使用了半刚性基层。半刚性基层的强度会随着龄期的延长而增加，但在温度和湿度不断变化的过程中容易产生温湿应力循环，在车辆载荷的重复作用下会产生应力循环，极易产生疲劳开裂现象[3]，近年来半刚性基层沥青路面的病害问题特别是早期病害十分普遍，已经引起了广泛的关注。一些研究者将半刚性基层沥青路面的很多病害归因于半刚性基层材料性能的某些固有缺陷，其中收缩开裂是最普遍也是影响最为深远的病害之一。半刚性基层呈板体且具有一定的整体性，而水泥类胶凝材料作为半刚性基层的重要组分之一，在提供胶结作用和强度的同时又不可避免地存在收缩、徐变问题，使得板体易产生开裂，进而发展成了半刚性基层路面中最为常见的反射裂缝。著名学者沈金安曾撰文指出半刚性基层沥青路面的重要缺陷是开裂，认为这种路面的诸多病害大多是由于开裂衍生出来的，由基层开裂诱发的反射裂缝严重影响着路面整体性能和耐久性，反射裂缝造成路面破坏的过程及机理如下：
（1）提供了路面水损害的通道，水分通过裂缝浸入到路面基层、底基层，甚至进入对湿度十分敏感的路基土中，软化土基，危及整个路基路面结构。
（2）引起沥青路面较快地出现龟裂网裂等破坏，进入路面结构内部的水大部分由于缺乏适当地排水通道而滞留在面层与基层之间，在大量行车荷载反复作用下产生很大的动水压力冲刷基层造成唧浆，使裂缝加宽，并导致裂缝两侧沥青路面破碎（图1）。
（3）由于裂缝的存在，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，从而缩短这些结构层的寿命（图2）。
（4）在重载车辆、水分、冻融等因素的综合作用下，磨耗层通常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的脱落而引发面层的松散。因此半刚性基层沥青路面的开裂以及由此产生的危害目前已经成为困扰公路工程建设的难题之一。
图1 沥青路面变形及荷载扩散 图2 半刚性基层中反射裂缝的发展
2柔性半柔性路面基层的提出
国内学者针对半刚性基层沥青路面的问题进行了裂缝分类、开裂与反射裂缝的形成机理、开裂防裂措施、早期裂缝的处理以及路面裂缝的处理等诸多方面的研究。研究者们在抗裂性研究方面分为结合料类型优化、新型专用水泥应用、替代胶凝材料、级配优化（骨架密实型路面基层）以及应力吸收层设置等几个方面试图阻止、减轻裂缝的产生、反射以及由此引发的危害[4-7]，但是这些措施的技术经济性难以满足大规模生产的需要。对于已出现的裂缝，采用土工布或土工格栅或玻纤格栅进行张拉和搭接、预切逢、灌缝等方法进行处理，但后期的处理往往收效甚微。也正是由于这种最为普遍的路面基层结构形式病害频发，难以有效的预防和除治，近年来我国在路面基层方面进行了从刚性到柔性的广泛尝试。
3柔性路面基层的分类与研究进展
柔性基层是指以沥青稳定碎石作为基层材料的路面结构，按路面结构的组成又可分为两种，一种为全厚式沥青路面，即以沥青混凝土作面层，将沥青稳定碎石基层直接放在改善的路基土上的沥青路面结构；另一种为混合式路面结构，是采用以沥青混凝土作面层，沥青稳定碎石作基层，无机结合料稳定集料作底基层的结构型式[8]。柔性基层沥青路面一般包括无结合料粒料基层沥青路面、沥青稳定碎石基层（下卧粒料层或者直接放在改善的路基土上）沥青路面。其中，沥青稳定碎石具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性，与半刚性基层相比不易产生收缩开裂和水损害。作为应力消散层，可以有效地减少路面结构中的应力集中现象，大大减少路面反射裂缝的发生。沥青碎石基层与面层材料结构相似，沥青碎石基层可以与沥青混凝土层粘结牢固，并且弹性模量接近，路面结构的受力、变形更为协调，因此沥青碎石基层在国内的公路建设中具有广泛的发展空间。
柔性基层是沥青路面典型的基层结构形式，半刚性基层沥青路面在 20 世纪五六十年代曾经是美国沥青路面的主要结构类型，但从七十年代开始，半刚性材料使用越来越少且趋向于用作底基层，取而代之的是全厚式结构和沥青层下卧粒料层的柔性路面结构。21 世纪初，美国沥青路面联盟 APA 牵头联合各单位进行的永久性路面的研究中，永久性路面的基本结构选用的是全厚式沥青路面和高强度厚沥青路面，这基本上是否定了半刚性基层路面在高速公路、重载交通上的使用。1977 年法国的半刚性路面结构主要有三种，分别为组合结构（加沥青碎石基层）、复合结构（全半刚性基层）以及倒装结构（设碎石过度层）。1991年，PIARC 技术委员会对半刚性路面进行了全面的总结，反思了原来认为的高强度、高承载能力不一定意味着最好的路面性能，并指出了半刚性基层有着本身难以克服的缺陷和不足。德国沥青路面结构历来以柔性结构为主，且沥青层较厚。在 1986 年的典型结构中，半刚性材料明确不允许用作路面结构的基层，一般采用 22-26cm 的沥青面层，半刚性材料只作为底基层，厚度统一为 15cm。高速公路上，即使交通量较低，由于半刚性材料不可避免的会产生开裂，因此不采用半刚性材料，而是以全厚式路面或厚沥青层下卧粒料底基层的柔性路面作为高速公路的主要结构。即使在采用水泥稳定承重层时，其强度也要求达到 9MPa，性质已接近贫混凝土。日本使用沥青稳定材料作为基层，沥青稳定基层有两种方式：一是采用加热拌和式沥青稳定基层；二是使用液体沥青在常温下拌和混合料。南非的沥青路面面层很薄，只有 3-5cm 的密级配沥青混凝土，基层采用级配碎石或沥青稳定材料，底基层采用水泥稳定集料[9]。
我国对柔性基层一直有较多的顾虑，最直接的顾虑是其承载力不及半刚性基层，在超载现象普遍存在的交通状况下难以承载车辆轴载。但近年来由于其能均布荷载、排除层间积水等半刚性基层不具备的优异的特性逐步被启用，也产生了良好的技术经济效果。
4半柔性路面基层的分类及其优势
鉴于柔性基层相对较低的承载能力，介于柔性和半刚性基层之间的半柔性路面基层的研究在近年来开始兴起，其中有水泥沥青稳定类和水稳大粒径碎石基层两类在我国有一定的应用与推广[10-11]。
第一类是在水泥稳定碎石或旧沥青路面中加入乳化沥青或泡沫乳化沥青的方法[12]，是在借鉴国外沥青稳定路面基层使用经验的基础上，对乳化沥青或泡沫沥青稳定集料的路用性能和施工技术进行了一系列的探讨性的研究工作，由于混合料中的胶结料同时含有沥青和水泥，因此既具有类似于半刚性材料的高承载性能，又具有类似于热拌沥青混合料的柔性特点，这类材料被为半柔性材料[13]。在对乳化沥青-水泥稳定碎石混合料和泡沫沥青-水泥稳定碎石混合料两类半柔性基层材料性能的研究基础上，将其应用于基层代替半刚性基层材料，并将半刚性基层材料作为底基层，得到了一种半柔性基层沥青路面结构[14]。这丰富了我国沥青路面结构体系，避免或减少了沥青路面易于产生早期病害的频发，提高了沥青路面的整体质量。
第二类是安徽省滁州市公路局研制的“水稳填充大粒径碎石基层性能与应用研究”，该项目较好的解决了水稳基层开裂的问题，基本做到了沥青路面零养护[15]，据报道该技术可解决水稳基层开裂导致沥青混凝土路面反射裂缝的顽疾。水稳填充大粒径基层对路面服役表现改善机理分析如下：
（1）限制裂缝产生
由于大粒径骨料切断了水稳细料间的联系，避免水稳材料形成连续板体（图3），使得应力不能连续传递，从而弱化了整体半刚，保留空隙内填料的局部半刚，避免了裂缝在基层整体中的传递与发展（图4），进而改善了基层因整体半刚易产生裂缝的问题；该基层的刚度介于半刚性和柔性之间。相比于半刚性基层，具有更好的吸收应力和抵抗收缩开裂的性能，能大幅度减少裂缝的产生。
（2）良好的承载能力
采用大粒径碎石作为主骨料，利用水稳碎石做填隙料填补主骨料间的空隙，形成具有较大摩擦力与嵌挤力的空间嵌挤结构，因而具有优良的承载能力；结构骨架为大粒径碎石，其本身的承载力高，抗压强度接近于水泥砼。同时，填充料的水泥剂量8%，填充料与大粒径碎石共同形成的基层抗压强度综合值在8MPa以上，远高于普通水稳基层，使之具有良好的抗车辙与抗重载能力。
图3 水稳大粒径基层结构 图4 主骨料限制填充料中裂纹发展
但是该路面基层材料施工工艺繁琐，需要进行两次摊派、两次拌合和一次整形，其它工艺也和常规水泥稳定类基层相似，在当今人工成本高、工期较紧短以及改扩建工程操作面少的条件下实施的难度较大。国外几年来十分重视回收集料以及建筑废弃物在路面基层中的综合利用，路面基层材料可大量利用工业固体废弃物[16-17]，全寿命周期短环境影响可以大幅度降低[18]。
5柔性半柔性路面基层的工程应用实例
近年来柔性半柔性基层凭借其优异的性能在我国也得到了相对广泛的应用[29-23]。
沈阳五洲公路养护公司在沈阳沈中线进行了乳化沥青水泥稳定碎石路面的5km试验路段施工，该路面充分发挥了刚性和柔性路面的优点，胶结料的弹性模量和弯曲强度比沥青混凝土提高了50%-70%。由于用10cm的半柔性基层结构代替了一层20cm的水泥稳定沙砾基层和4cm的中粒式沥青混凝土下路面结构层，因此总体造价不增加，同时能够延长路面使用寿命、减少裂缝等病害。
在江苏省 237 省道扬州段建设工程中采用了乳化沥青、水泥稳定碎石基层，采用半柔性基层代替半刚性基层，且在路面结构中适当保留一定厚度的半刚性材料结构层，但其结构层位置下移，不再做主要承重层，试验路段通车一年半后，全程路表外观良好，未见破损病害。
在国道 204 线烟青一级公路烟台段K27-K31进行的工程试验中，采用路面结构为 4cm SMA-13+5cm AC-20Ⅰ，下设大碎石混合料补强层，试验路段观测表明：该大碎石沥青混合料柔性基层能够满足道路结构强度及高温稳定性要求，可有效地防止反射裂缝的产生。
在237 省道高邮段改扩建工程中采用了乳化沥青-水泥稳定碎石半柔性路面基层试验段铺筑。在试验段养生5d后进行现场取芯检测，结果表明乳化沥青-水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度达4.4 Mpa，且成型良好，通车半年后试验路段未破损病害。
上海 G1501 高速公路维修中采用了柔性基层路面结构，其施工简便，养护期短，与半刚性基层相比可有效缩短工期40%以上，并且具有良好的结构抗车辙特性，能够很好的满足快速开放交通的维修施工要求。
6柔性半柔性路面基层存在的问题
我国多年来在公路建设理论领域形成了非白即黑、非刚即柔的路线之争；公路建设实践领域则存在全国上下一刀切的格局。普通公路建设则存在重建轻养，处于低成本-低质量-服役寿命短的恶性循环中，在路面基层领域的研究工作中主要存在以下问题：
（1）没有形成适合各省市区交通量、轴载结构、气候、地质水文特色的路面结构特别是基层材料结构的设计体系。
（2）柔性半柔性基层由于长期边缘化，最近的启用又存在一定的盲目性，没有对其应用范围进行合理的限定，没有形成合理的材料体系。
（3）没有形成全国各地不同地区的柔性半柔性路面基层材料的体系形成合理的设计、施工养护系列等合理的应用技术指南。
（4）一些柔性半柔性路面基层材料的材料成本和施工成本尚待探讨和评价，尚没有客观的全寿命技术经济评价。
（5）一些柔性半柔性路面基层的性能形成以及长寿命机理没有科学合理的解释，不利于其成功的推广应用。
7结语
柔性半柔性路面基层虽然已取得了一定的研究与应用成果，但依旧面临着诸多问题。因此在深入调研我国各地区典型的半刚性、柔性半柔性路面基层材料路用性能的基础上，归纳总结柔性半柔性基层工程应用成败的根本原因，研制开发出适应我国不同地区的柔性半柔性系列路面基层材料，探讨其性能特征和形成机理，对施工工艺进行合理的优化，并通过工程试验形成应用技术指南。利用柔性半柔性路面基层的优良性能改善我国公路工程的整体质量，对于延长各等级公路的服役年限、简化养护、降低成本、保障路面畅通具有重要意义。
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论文作者:李雪松1,赵德强2,沈卫国2
论文发表刊物:《防护工程》2019年15期
论文发表时间:2019/12/2
标签：基层论文; 柔性论文; 路面论文; 刚性论文; 沥青论文; 结构论文; 碎石论文; 《防护工程》2019年15期论文;