根据调查,国内几个省的高等级公路采用的半刚性基层沥青路面结构及其使用情况,见表3.1。
表3.1 国内部分高等级公路采用的半刚性基层沥青路面结构及其使用情况
续表
从表3.1中可以看出,“九五”之前,我国的高等级路面结构中,多采用半刚性基层沥青路面的结构形式,从使用情况来看,抗裂效果较差。
根据调查,河南省高等级公路沥青路面结构形式汇总和使用水泥稳定碎石做基层的高速及一级公路见表3.2和表3.3。
表3.2 河南省高等级公路路面结构汇总表
续表
注 1.AC-16,AC-20为中粒式沥青混凝土。
2.AC-25,AC-30为粗粒式沥青混凝土。
3.AS为热拌式沥青碎石。
4.LFCR为二灰稳定碎石。
5.CCR为水泥稳定碎石。
6.CLCR为水泥稳定碎石。
7.CLS为水泥、石灰稳定土。
8.LS为水灰稳定土。
9.CLSS为水泥、石灰土稳定砂。
10.AK为抗滑面层。
11.SAC为多碎石。
从表3.2中可以看出,河南省高等级公路沥青混凝土面层结构组成一般为:高速公路4cm细粒式沥青混凝土(抗滑面层)+5cm中粒式沥青混凝土+7cm粗粒式沥青混凝土;一级公路4cm细粒式沥青混凝土(抗滑面层)+5cm中粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土。
从调研的情况看,河南省境内已广泛使用水泥稳定基层沥青路面结构并积累了宝贵的经验。尤其是商丘、南阳和濮阳等地,在水泥稳定基层的设计和施工方面都已积累了相当丰富的经验,总结出了有效地防止和减少反射裂缝的路面结构组合形式、混合料的组成设计、施工工艺和改善措施,这些实践与成功经验对我们的研究具有极其重要的指导意义。
表3.3 河南省使用水泥稳定碎石做基层高速及一级公路调查表
续表
通过对河南省水泥稳定碎石基层的调查、观测、统计和分析,总结出如下初步结论:
(1)河南省各地应用的水泥基本上都能满足现行规范的要求,而且施工的延迟时间也随着施工机械的改进而减少了很多。
(2)目前,河南省对于水泥稳定级配碎石基层的级配设计重视度不足,甚至于不进行专门的设计。有些地市进行了专门的设计,在集料的级配设计上也企图突破现有规范,但其集料的级配中细集料含量依然过多,这是河南省水泥稳定碎石基层易产生裂缝的内在原因。例如,310国道使用仅3年半,其裂缝度甚至超过100m/1000m 2 ,一个重要原因应该是0.075mm以下颗粒含量达15%。
(3)河南省已建成公路的水泥剂量一般为5%~6%,其实测水泥稳定级配碎石基层平均抗压强度均大于设计值30%以上。
(4)河南省近两年的施工机械改善很大,大都采用重型压实机械标准压实施工,这样就需严格控制混合料的施工含水量,减少干缩裂缝。例如,郑永路水泥稳定级配碎石基层施工时,实测含水量为6.5%,稍小于最佳值6.6%,在使用3年之后,其裂缝度就小于使用仅1~2年的107国道和使用3~5年的310国道,而后两者的共性即施工含水量远大于最佳值。
(5)由于水泥稳定级配碎石基层材料收缩性较大,在基层上预切缝的施工工艺已在河南省得到广泛应用。与其他的防裂方法(如铺设土工织物、设置应力吸收层、采用级配碎石中间层)相比,预切缝防裂具有操作简便、成本低廉等优点,且可在一定程度上控制开裂规律,有利于养护维修,有进一步推广的优势。基层切缝后,切缝虽然用弹性填料填充,但从防水和受力角度来看,仍是路面结构中的薄弱环节,反射裂缝往往在相应位置出现。
(6)裂缝观测表明,由于水泥稳定级配碎石基层材料收缩性较大,对水泥稳定级配碎石基层沥青路面而言,路面结构开裂是不可避免的,且由基层先裂而引起的反射裂缝占很大比重。裂缝随时间呈增长趋势,对于已长期使用的路段尤为突出,裂缝度已超过50m/1000m 2 ,且出现大量龟裂或块裂。
(7)平整度观测表明,河南省水泥稳定级配碎石基层沥青路面具有良好的平整度,其平均值在3~5mm之间,即使长期使用之后也不超过6mm,满足高等级公路的要求。
调查时发现,横向裂缝大都贯穿路面全宽。研究课题组在所有裂缝处还进行了钻芯取样,结果表明面层开裂处基层也已经开裂,而且所有裂缝都是下宽上窄,从而可以说明商临路上的裂缝绝大部分是反射裂缝。而且在裂缝调查时发现,经过商临路的行车并不多,即交通量并不大,从而说明基层裂缝产生的主要原因是在温度的收缩而不是行车荷载。
而在平原路试验段上也进行了部分钻芯取样工作,发现施工时粘在基层切缝两侧的土工布此时已经有一侧已经与基层脱开了,从而使面层产生了反射裂缝。另外,芯样还表明土工布对防止水分进入基层,消除水分对基层造成冲刷破坏起到了积极的作用。
因此水泥稳定碎石(砂砾)混合料的设计应在满足行车荷载对其强度要求的前提下,尽量减少其缩裂,充分发挥水泥碎石(砂砾)的强度、刚度、水稳性、抗冻性、整体性好和早期强度高的优势,这样有利于发挥其加快施工进度,在路面的使用过程中弹性变形较小,使用年限长,承载力高的目的,而水泥碎石(砂砾)混合料的强度、温缩、干缩以及抗冲刷性能与混合料的配合比、骨料的级配组成、气候变化、施工条件等均有直接关系,其中混合料的配合比是其最主要的内在因素。为此针对河南省修筑半刚性基层沥青路面的实际情况,通过各项室内试验,选定合理的集料级配和配合比方法,使水泥碎石(砂砾)基层既具有良好的强度,又具有较好的抗裂性能,从而保证沥青面层具有优良的路用性能。
此外,从各条高速的使用情况来看,各条高速都在未达到其使用年限时,就发生了严重的病害,大大影响了公路建设经济效益的发挥。为此针对河南省修筑半刚性基层沥青路面的实际情况,通过各项室内试验,选定合理的集料级配和配合比方法,开展路面结构合理组合设计,使半刚性基层既具有良好的强度,又具有较好的抗裂性能,从而保证沥青面层具有优良的路用性能。
柔性基层沥青路面主要在英国、美国等发达国家比较流行,而我国和俄罗斯一般以刚性路面结构为主,“强基薄面”的思想成为了我国沥青路面结构的主要形式,并集合成为包括高速公路在内的路面的唯一结构形式。
然而,对于现在社会存在的交通量大、超载现象严重的状况,“强基薄面”结构,显然已经不适应交通发展的需要。虽然这种结构解决了我国前一阶段资金短缺的问题,并发挥了它整体性和板体性好,具有较好承载力的特点,但是半刚性基层在使用过程中所反应出的种种缺点(如裂缝严重;对动水的抗冲刷能力弱;由对荷载的响应性敏感,而表现出的脆性等)和柔性基层沥青路面所表现出的诸多优点(如虽初建费用高但日常养护费用少,总费用效益比最大;设计年限长达30~40年以上;路面损坏仅限于沥青层顶部,不会发生结构性破坏;只需要日常维护和磨耗层维修,不需要进行结构性大修等)。说明从我国实际情况看,根据各地具体条件,推广和使用柔性基层沥青路面是比较合适的。
据调查,在我国,所采用的柔性基层主要有沥青稳定碎石和级配碎石两类。最近几年,在全国范围内铺筑了不少试验路,应用效果比较令人满意。根据调查,现将所得到的国内柔性基层的应用情况作一汇总,见表3.4。
表3.4 国内高速公路柔性基层(联结层)沥青路面结构汇总表
续表
注 表中斜线后数字为结构层厚度,单位cm。各结构层代号:AC、LH为沥青混凝土;AS为沥青碎石;LSM为大粒径沥青碎石;AK为沥青抗滑表层;SMA为沥青玛蹄脂碎石混合料;SAC为多碎石沥青抗滑表层;ES为乳化沥青封层混合料;LS为沥青表处;CCR为水泥稳定碎石;CSG为水泥稳定砂砾;CS为水泥稳定土;CLCR为水泥石灰综合稳定碎石;CLSG为水泥石灰综合稳定砂砾;CLS为水泥石灰综合稳定土;LFCR为二灰稳定碎石;LFSG为二灰稳定砂砾;LFS为二灰稳定土;CLFR为水泥二灰综合稳定碎石;LFS为水泥二灰综合稳定砂砾;LSG为石灰稳定砂砾;LS为石灰稳定土;SG为砂砾;CR为级配碎石。
从国内柔性基层沥青路面的使用状况调查中可以看到,近几年我国也在大力投入对柔性基层的研究和应用。
在所调查的公路中,所采用的柔性基层材料仍是以沥青稳定碎石基层为主,这与国外的应用情况是相吻合的。沥青稳定基层的厚度一般在10~16cm之间,这可能是受到日本的影响,与之很接近。
在这些路面结构中,一般采用沥青稳定碎石基层+级配碎石基层的结构,还有的采用沥青稳定碎石基层+半刚性底基层结构,与国外常用的“倒装结构”“组合基层结构”相吻合。
根据调查,国内部分高等级公路SMA的应用情况见表3.5。
表3.5 国内部分高等级公路SMA的使用情况
从表3.5可以看出,SMA的厚度都是4cm,整个沥青层的厚度范围为15~18cm,经过多年的运营,路面状况良好。因此有必要在河南省对SMA进行研究及推广应用。
车辆荷载作用下,面层结构内不同深度处力学响应不同,为满足传递车辆荷载要求和适应环境变化,结构层合理组合和厚度保证是关键,而层位功能要求又为各层混合料类型选择和组成设计提供指导;反过来,不同组成结构的沥青混合料,力学特性不同,引起结构层功能各异,从而不同厚度、不同结构组合沥青面层使用性能也相差甚远。本书研究采用沥青面层结构与材料一体化设计,通过路面设计的两个重要方面,即结构组合和厚度设计过程与材料选择和组成设计过程的有机结合,实现路面结构设计的系统化、科学化。