摘要：本文分析电厂道路基层常用的水泥稳定类、石灰稳定类、石灰工业废渣稳定类及综合稳定类等四种半刚性材料的各自路用性能特点，探讨其在力学刚度强度指标、收缩性能、稳定性能、经济性能及工程因素上等四个方面的路用性能特点的差异，指出半刚性路基的材料需根据道路所在地区的气候、地质、地材等当地条件选定，并结合典型电厂道路基层设计实例予以说明。
关键词：半刚性材料；基层；路用性能；电厂道路。
1.半刚性基层概述
1.1半刚性基层的研究背景及目的
随着我过车载质量和轴载的增加并且重车比例明显提高，以往使用的路面材料和基层材料不能适应新的交通状况，许多路面发生了严重的早期损坏现象，严重影响了道路的使用质量和使用寿命。在我国的公路建设中，半刚性材料以其较高的强度，较低的造价和广泛的原材料来源，被大量地应用于各地的各等级公路之路面基层中。这种半刚性材料包括水泥稳定类、石灰稳定类、石灰稳定工业废渣和综合稳定类。
虽然半刚性材料已成为我国路面结构中常用的基层或底基层材料，但是目前设计规范中只单纯强调半刚性基层的抗压强度和粒径等要求，而忽视了各地区气候、地质、地材等的差异性对半刚性基层路用性能特点选材要求的不同，已建成的许多道路仍旧出现了早期损坏、不同程度的裂缝、稳定性不足、冲刷唧浆等问题。因此，如何根据不同地区气候、地质、地材等条件的不同，选择合适路用性能特点的半刚性材料作为道路基层材料，是本文研究的主要目的。
1.2半刚性基层概念界定
在《道路工程术语标准》中，半刚性基层【semi-rigid type base】指的是用无机结合料稳定土铺筑的能结成板体并具有一定抗弯强度的基层。
在《公路沥青路面设计规范》中，半刚性基层【semi-rigid base】指的是采用无机结合料稳定集料或土类材料铺筑的基层。
本文研究的半刚性基层是以水泥、石灰等无机结合料稳定集料或土类材料铺筑的能结成板体并具有一定抗压强度的基层，根据无机结合料的不同，半刚性基层大致可分为水泥稳定类、石灰稳定类、石灰稳定工业废渣和综合稳定类等四种类型。
1.3半刚性基层在国外的应用现状
国外采用半刚性材料作为路用材料的历史由来已久，像美国、日本、法国、德国、意大利等许多公路交通发达的国家，在设计和建设高速公路时都较多的采用了半刚性材料作为路面结构的基层或结构层。所不同的是，不同的国家因其在交通组成、地理气候条件、材料资源、设计经验和方法等方面的差异，使得各自采用的半刚性基层类型与厚度也不尽相同。国外干线道路上用的半刚性基层结构有以下特点：
（1）主要采用结合料稳定的粒料（包括各种细粒土和中粒土），稳定细粒土（如水泥土、石灰土等）只能用作底基层，有的国家只用作路基改善层。
（2）使用最广泛的结合料是水泥和沥青，石灰使用得较少。此外，还使用当地的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、粒状矿渣等。
（3）不采用强度大于15MPa有横向温度缝的水泥混凝土基层，而采用强度小于15MPa直到6MPa（28d龄期）的贫混凝土，包括碾压混凝土，或用4％---6％水泥稳定的粒料。
（4）有的国家用沥青稳定碎石做基层的上层，而且用沥青做结合料的结构层的总厚度（面层+基层的上层）常大于20cm。
2半刚性基层的类型及路用性能特点
2.1半刚性基层的一般路用性能要求
通常，对道路半刚性基层的路用性能要求包括以下几个方面：
（1）具备良好的力学性能。基层的强弱、好坏对整个路面的强度、使用质量及寿命有着十分重要的影响，因此路基必须有足够的刚度和强度，以起到分布荷载，保证车辆荷载和环境附加应力的耦合及反复作用下不出现疲劳破坏的作用。
（2）收缩性要小。路基材料的干缩系数和温缩系数不能太大，避免基层在温度和湿度的作用下出现温缩裂缝和干缩裂缝，从而破坏基层的整体性并进而引起面层开裂。
（3）具备良好的稳定性。包括水稳定性、冻融稳定性和抗冲刷性能，避免由于基层表面滞水在行车荷载的作用下，在基层内部形成对细料的冲刷和唧浆现象，或在冻融循环作用下，导致道路结构的整体性、强度下降乃至破坏。
（4）经济性和工程因素。道路基层的相对造价不宜过高，同时易于施工。
2.2水泥稳定类基层及路用性能特点
在经过粉碎或原来松散的土或集料中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料经压实和养生后，其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥稳定类基层。包括水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾、水泥稳定土、水泥稳定砂、水泥稳定石屑等。
水泥是一种水硬性的胶凝材料，通过水泥稳定的材料，能够较好的改善其物理力学性质，适应各种不同的气候条件与水文地质条件。特点是具有良好的整体性、足够的力学强度、早期强度高、后期强度和刚度随龄期继续增长、水稳定性和抗冻性好等特点，使用范围很广。
水泥水化要有一定的时间，只有达到指定强度才能进行下一道工序施工，对工序要求严格，不利于紧急的市政工程，碎石级配和水泥剂量不好控制，容易出现离析，水泥剂量过大路面易出现龟裂
因此，水泥稳定类材料可适用于各级公路的基层和底基层，但水泥稳定土不得用作二级和二级以上公路高级路面的基层。其路用性能特点如下：
（1）早期强度高、强度变化范围大；强度和刚性都随龄期增强到一定程度后趋于稳定。
（2）当水泥用量超过一定比例时，收缩性增大，易产生缩裂。
（3）水稳定性与抗冻性好、抗冲刷性强。
（4）造价相对较高；水泥的水化和结硬作用速度比较快，对施工工序及工期要求比较严格；不适宜在雨季施工或在雨季施工比较困难；施工和养生用水较多，在缺水地区使用较困难。
2.3石灰稳定类基层及路用性能特点
在经过粉碎的或原来松散的土或集料中，掺入足量的石灰和水，经拌和、压实及养生后得到的混合料，当其抗压强度符合规定的要求时，称为石灰稳定类基层。包括石灰稳定碎石、石灰稳定砂砾、石灰稳定土、石灰稳定砂、石灰稳定石屑等。
石灰稳定类材料适用于各级道路的底基层，不得用做高级路面的基层。其路用性能特点如下：
（1）早期强度小、强度变化范围小；后期强度随龄期增强持久。
（2）收缩性较大，干缩系数大易缩裂。
（3）水稳性与抗冻性差，遇水表层易软化，抗冲刷能力差，在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过分潮湿路段，不宜采用。
（4）造价低，易于施工。
2.4石灰工业废渣稳定类基层及路用性能特点
一定数量的石灰和粉煤灰或石灰和煤渣与其他集料相配合，加入适量的水（通常为最佳含水量），经拌和、压实及养生后得到的混合料，当其抗压强度符合规定的要求时，称为石灰工业废渣稳定类基层。包括石灰粉煤灰（二灰）、石灰粉煤灰土（二灰土）、石灰粉煤灰砂（二灰砂）、石灰粉煤灰（二灰）级配碎石、石灰粉煤灰（二灰）级配砾石、石灰煤渣土、石灰煤渣集料等。
石灰工业废渣稳定类基层可适用于各级公路的基层和底基层，但二灰、二灰土和二灰砂不应用做二级和二级以上公路高级路面的基层。其路用性能特点如下：
（1）早期强度较低，具有缓凝性，强度随龄期不断增强。
（2）抗裂收缩性小，能适用各种气候环境和水文地质条件。
（3）具有水硬性，稳定性较好，抗冻性与抗冲刷能力较差。
（4）造价低，易于施工。
2.5综合稳定类基层及路用性能特点
同时用水泥和石灰稳定土或集料得到的强度符合要求的混合料，简称综合稳定土。
综合稳定类基层同时兼具水泥稳定类与石灰稳定类基层的优点，其路用性能特点如下：
（1）早期强度较高；后期强度随龄期增强持久。
（2）收缩性较大，较易产生缩裂。
（3）水稳定性与抗冻性较好、抗冲刷性较高。
（4）造价相对较高，施工工艺较复杂。
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3.半刚性基层路用性能比较
3.1力学性能对比分析
对于半刚性基层的强度和刚度，水泥稳定类早期最强，且都随龄期增强到一定程度后趋于稳定；石灰及二灰稳定类早期强度弱，但随着期龄能不断增强；综合稳定类早期较强，后期随着期龄能不断增强。
3.2收缩性
对于半刚性基层的收缩性，水泥稳定类中水泥含量超过6%时，收缩性增大，易产生缩裂；石灰稳定类收缩性大易缩裂；石灰工业废渣稳定类抗裂、收缩性小，能适用各种气候环境和水文地质条件；综合稳定类收缩性较大，较易产生缩裂。
3.3稳定性
对于半刚性基层的稳定性，水泥稳定类水稳定性与抗冻性好、抗冲刷性强；石灰稳定类水稳性与抗冻性差，遇水表层易软化，抗冲刷能力差；石灰工业废渣稳定类具有水硬性，水稳定性较好，一定的抗冻性，抗冲刷能力较差；综合稳定类水稳定性与抗冻性较好、抗冲刷性较高。
3.4经济性及工程因素
对于半刚性基层的经济性和工程因素，水泥稳定类造价相对较高，工艺要求严格，施工和养生用水较多，在缺水地区使用较困难；石灰稳定类与石灰工业废渣稳定类造价低廉，易于施工，但在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过分潮湿路段，不宜采用；综合稳定类造价相对较高，工艺要求较为严格。
4.典型电厂道路半刚性基层设计实例
4.1山西某湿陷性黄土地基电厂道路半刚性基层设计
4.1.1电厂气候环境、地质及地材情况概述
（1）地理位置与矿产：厂址位于山西省东部某县。矿藏资源种类繁多，主要有煤、铁、铜、铀、磷、铝矾土、石棉、水晶、云母、长石、硅石、大理石、白云岩、耐火粘土等二十余种。
（2）气候环境：厂址属温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季高温炎热，秋季凉爽多雨，冬季寒冷少雪，一年四季分明。每年10月至次年的5月，干燥少雨；6月以后，雨量增多。年均降雨量500~618mm，霜冻期为9月下旬至次年4月。
（3）工程地质：厂址地形平坦、开阔，场地上覆（2）、（3-1）、（3-2）、（4）层分别为黄土状粉土与黄土状粉质粘土，地基土成分均一，土质较疏松，大孔隙，虫孔发育，具垂直节理，其颗粒组成以粉粒为主，各项物理力学指标值差异均不大，表现出本场地黄土地基土层的总体相对均匀性，其干密度小，含水量低，具低塑限、中等～高压缩性特点。其中（2）层黄土状粉土、（3-1）层黄土状粉质粘土具有非自重湿陷性。
勘探深度范围内（约50m）未见地下水，可不考虑地下水对施工的不利影响。厂区土壤标准冻结深度为0.9m，上部黄土状粉土含水量为20.3%，为多冰冻土。
4.1.2电厂道路半刚性基层设计
针对该电厂所处地区的气候环境、地质及地材情况，对于该电厂道路基层设计思路如下：
（1）可不考虑地下水对道路基层的影响，即对道路基层的水稳定性、抗冲刷性要求相对较低；
（2）四季分明，降雨季节性较强，且雨水量较小。需考虑道路基层的收缩性。
（3）霜冻期长，冻土深度为0.9m，须考虑道路基层的抗冻性。
（4）道路路基为具有中度非自重湿陷性的黄土状粉土，土质较疏松，大孔隙，干密度小，含水量低，具低塑限、中等～高压缩性特点。应保证基层的刚度和强度，同时在道路结构层下形成硬壳层，避免不均匀沉降对道路结构的破坏。
（5）所处区域富含煤、白云岩、耐火粘土资源，粉煤灰、石灰、水泥产量充足。
因此，推荐该电厂道路结构设计方案如下：
路面层：中粒式沥青混凝土（AC-20I，上面层）+粗粒式沥青混凝土（C-30II，下面层）。
基层：水泥稳定碎石上基层+石灰粉煤灰稳定碎石下基层+石灰粉煤灰土底基层。
路基：换填石灰稳定土至冻土层以下。
4.2湖北某软弱地基电厂道路半刚性基层设计
4.2.1电厂气候环境、地质及地材情况概述
（1）地理位置与矿产：厂址位于湖北省中南部荆州市某县，处于长江冲积而成的千里沃野——江汉平原的核心部分。全市已开采利用矿产20种，有石油、煤炭、岩盐、囱水、芒硝、硫铁矿、重晶石、大理石、花岗石、石灰石、粘土、河道砂、卵石、白云岩、优质硅石、耐火粘土、膨润土、砂金、脉金等。
（2）气候环境
厂址属亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛。年平均气温15.9—16.6℃，年无霜期242—263天，多数年份降雨量在1100—1300毫米之间，4－10月份降水量占全年80%。
（3）工程地质
厂址地处江汉平原西部，荆江大堤以北（长江左岸），地貌属冲积平原区，为长江I级阶地。场地地形平坦开阔，多为耕地，有部分农舍和少量鱼塘。
场地上覆（2）层粉细砂与（3-1）层粉质粘土：呈松散状，其均匀性较差，呈软塑状态，具孔隙比大、高压缩性、强度低的工程特性，属建筑性能差的软弱类地基土层。
地下水位埋深为0.3～1.2m，场地为液化地基，无冻土。
4.2.2电厂道路半刚性基层设计
针对该电厂所处地区的气候环境、地质及地材情况，对于该电厂道路基层设计思路如下：
（1）须考虑地下水对道路基层的影响，即对道路基层的水稳定性、抗冲刷性要求较高；并应考虑设置封水层及透水层。
（2）四季分明，气候温和，雨量充沛，降雨多集中在4－10月份。无需过多考虑道路基层的收缩性。
（3）无霜期长，无冻土，无需考虑道路基层的抗冻性。
（4）道路路基为具有液化的粉细砂与粉质粘土，呈松散状，其均匀性较差，呈软塑状态，具孔隙比大、高压缩性、强度低的工程特性。应保证基层的刚度和强度，避免不均匀沉降对道路结构的破坏。
（5）所处区域富含石灰石、粘土、河道砂、卵石、白云岩等矿产资源，水泥、石灰、卵石、砂产量充足。
因此，推荐该电厂道路结构设计方案如下：
路面层：中粒式沥青混凝土（AC-20I，上面层）+粗粒式沥青混凝土（C-30II，下面层）。
基层：水泥稳定碎石上基层+综合稳定土下基层（封水层）+级配碎石底基层（透水层）。
路基：铺设双向土工格栅+粗砂夹石。
5小结
综上所述，本文通过总结不同半刚性材料的路用性能特点，探讨根据所处地区的环境气候、工程地质、矿产等条件的差异，因地制宜的确定道路结构设计思路及选用道路基层类型的方法，从而达到提高道路质量和性能、延长使用寿命的目的，希望能对半刚性材料在电厂道路基层中的应用提供一定的参考与借鉴。
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论文作者:伏威
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
标签：基层论文; 稳定论文; 石灰论文; 刚性论文; 道路论文; 水泥论文; 强度论文; 《基层建设》2019年第2期论文;