在国内,半刚性基层因其强度高、经济效益好,得以广泛应用。但是,当行车产生的拉应力与温度应力相结合,反射裂缝会很快形成。在沥青面层较厚的情况下,由于温度应力在沥青表层最大,基层的裂缝将促使面层开裂,然后逐渐向下传播形成对应裂缝造成路面的破坏。
为防止这些裂缝的反射,许多国家都在进行研究,并采取了各种防裂措施,柔性基层路面结构就是其中之一。柔性基层我国前两年研究得比较少,做过一些实验,比如采用大粒径碎石做基层,长安大学在这方面做过相关的试验研究。大粒径碎石做基层,抗压、抗疲劳的能力比较令人满意。大粒径基层在山东省、江苏省也做过很多的实验。最近几年,以沥青稳定碎石为代表的柔性基层的研究与应用正在得到广泛的重视。目前,柔性基层沥青路面在国内东南沿海省份已有应用,是国内沥青路面研究的热点,同时通过增设沥青碎石层可以加厚沥青面层,有利于降低沥青层底的拉应变,从而降低其疲劳开裂的可能性,其疲劳寿命大大高于传统的半刚性基层沥青路面结构。
但是,采用纯柔性结构造价很高,所以设置沥青稳定碎石联结层。联结层是为了加强面层与基层之间的联结和提高面层抵抗疲劳能力而设置的,也是面层的一部分,多用于交通繁重的道路;有时为了防止或减少面层受下层裂缝反射的影响,也采用联结层。这样一来,既可以有效地改善半刚性基层反射裂缝的问题,又可以避免纯柔性结构的高造价。
国内近年来进行了沥青稳定碎石的研究和实践。在道路修筑中,如长于高速公路、郉临高速公路、沈阳绕城高速沥青路面中修等工程中均采用了沥青稳定碎石联结层+半刚性基层相结合的结构形式。此外,吉林省公路勘测设计院从材料、施工工艺等方面对柔性基层进行了研究;江苏省交通科学研究院结合国内外沥青稳定碎石基层的应用,采用大马歇尔试验设计方法系统地研究了密级配沥青稳定碎石混合料的设计,并结合宁连公路南京段改造工程的实践,提出了配合比设计方法和设计控制指标;安徽省交通职业技术学院联合广州市市政工程局,通过与国外沥青稳定基层常用级配及国内相关级配的比较,经过大量的马歇尔试验和强度试验,初选出沥青稳定碎石1号(最大公称粒径26.5mm)和沥青稳定碎石2号(最大公称粒径31.5mm)两种级配,研究其抗疲劳性能,并进行疲劳寿命预估;长安大学进行了沥青稳定碎石基层的研究,提出了混合料的设计方法和施工技术。
从国内对于沥青稳定碎石(简称ATB)联结层的应用中可以看出,沥青碎石联结层与半刚性下基层相组合,较为现实可行。例如,对于沥青混凝土面层厚15cm的高等级路面而言,当沥青混凝土面层减薄为10cm,把原来属于5cm沥青混凝土面层的投资用于修建约10cm的沥青碎石联结层。这样虽然增加了沥青层总厚度,但由于沥青碎石联结层的沥青用量较低,而且增加沥青层总厚度所需的石料,可以通过减薄半刚性基层总厚度弥补。因此材料总用量增加不多。沥青碎石联结层除了有利于缓解半刚性基层反射裂缝之外,还有利于减轻沥青层的低温收缩裂缝。近年来,应用松弛理论以及能量原理预测沥青层低温开裂的方法得到广泛的承认。沥青层低温开裂不仅取决于沥青的性能、混合料的组成结构、降温速度,而且与沥青层厚和材料单位面积断裂能密切相关。沥青层厚不仅直接影响到横向收缩裂缝间距,而且影响到温度和应力随时间的变化以及收缩系数与断裂能。通过沥青用量低的沥青碎石基层,在造价增加不多、沥青层厚得以提高时,对减少横向裂缝取得了显著的效果。在辽源、通化2条试验路取得显著效果的基础上,已在长余高速公路推广应用。
实践表明:采用沥青稳定碎石联结层+半刚性基层这种结构对于抑止半刚性基层的反射裂缝非常有效;特别对于重载交通,采用柔性的联结层和半刚性基层的优化组合,还可以有效减少沥青路面的疲劳裂缝。
尽管国内近年来进行了沥青稳定碎石基层的研究和实践,但对沥青稳定碎石联结层+半刚性基层这种结构并未进行深入研究,尤其是在重载作用下合理结构设计。
在国外,沥青稳定碎石一般用作基层材料。
(1)美国地沥青协会开发的DAMA路面设计程序包含了沥青稳定碎石基层的设计方法,认为这种路面能够有效地减小水损害,使得路面结构的受力协调,并有利于采用统一的沥青材料从而保证路面质量。
(2)日本是采用全厚式沥青路面最多、最早的国家之一,其高速公路大都采用沥青稳定碎石基层。
(3)挪威等北欧国家,沥青碎石、沥青混凝土等与碾压碎、砾石等是最主要的基层类型,均有相应的设计方法。
(4)20世纪70年代中期,在美国俄亥俄州进行了沥青碎石基层路面的室内和室外研究。通过现场的非破损动态弯沉测试来计算结构层模量。
在欧美各国以及日本在内的多数国家的高速公路沥青路面结构中绝大部分采用了沥青稳定碎石基层,沥青稳定碎石基层是最为常用的结构类型,表1.1中列出部分国家所采用的沥青稳定碎石基层沥青路面结构形式。
表1.1 部分国家所采用的沥青稳定碎石基层沥青路面结构形式
注 表中括号内数字为结构层厚,单位:cm。
由表1.1可知,由于交通量和地域差异比较大,各国的路面结构差别也很显著,但总体来说,沥青稳定碎石基层在各国沥青路面典型结构中占了很大的比重,且沥青层总厚都比较大,一般都超过20cm。
各国在大量实践的基础上,提出了有关沥青稳定基层的施工设计规范,总的来看,对沥青稳定基层的材料组成设计要求都不如面层的沥青混凝土严格,颗粒也大于面层所用的颗粒,相应的混合料的空隙率也比面层混合料大,而沥青用量相对较少。
1949年,英国在北约克郡修建了每段长度为60~80m的试验段,以比较压实沥青混凝土磨耗层与沥青矿渣磨耗层的性能差异以及沥青碎石基层和级配碎石基层的性能差异。1957年又在剑桥郡铺筑了包括33种路面结构的Alconbury Hill试验路,比较了级配碎石、开级配沥青碎石、贫混凝土、碾压沥青混凝土和水泥胶结砂基层在不同厚度的使用性能。在通车10年后,经历了约600万次100kN标准轴载作用后,路面的变形和裂缝表明沥青混凝土面层和沥青碎石基层的路面结构组合具有最好的路面使用性能。
1963年,剑桥试验路共有21个小段,试验目的是比较不同厚度的密级配沥青碎石基层、密级配焦油碎石基层、密级配沥青混凝土基层、湿拌级配碎石基层与水泥稳定基层和使用性能之间的关系。通过对试验路几十年的变形和开裂的观测,不同基层类型路面使用性能从好到差的顺序为:沥青混凝土、密级配沥青稳定碎石、密级配焦油碎石、水泥稳定碎石和湿拌级配碎石。
1964年剑桥试验路,主要比较沥青胶结料基层与水泥胶结料基层的使用性能。通过22年的观测。每一种沥青或焦油胶结料含量路面的使用性能都很好。即使基层厚度为150mm,路面在承受1800万次的荷载作用以后,使用性能仍然很好。观测表明,高强水泥稳定基层易形成反射裂缝,而低强度水泥稳定基层易由于强度不足导致路面出现网裂。沥青胶结料基层优于水泥胶结料基层,对于贫沥青胶结料基层既有好的路用性能,同时具有较好的经济效益。
美国各州公路工作者协会(AASHO)在1956—1960年间进行了著名的AASHO试验路研究。其中比较了4种基层:碎石基层、砾石基层、水泥处治基层和沥青处治基层。研究发现,虽然沥青稳定基层路面的车辙量比水泥稳定基层路面略大,但其路面的使用品质高于水泥稳定基层。根据现时服务性指数(PSI),得出1个单位厚的沥青稳定基层相当于1.3个单位厚的水泥处治基层。
国外的使用经验表明,柔性基层沥青路面使用性能良好。日本35年来已建成通车的6450km高速公路中使用年限 10年以下占 34%,10~20年占 32%,20年以上占34%。维修的里程按路面损坏原因分析,1990年以前由于带钉轮胎的磨损造成的辙槽占40%,车辙变形总体上达80%以上。在1991年禁用带钉轮胎后,车辙仍超过60%。全国因裂缝而进行维修保养的里程约占20%,其中许多是由于路面表层老化所引起的裂纹修补。美国238km的新泽西州收费道路自1951年开放交通以来,承受着美国最重的重载交通,使用50年来除了进行表面处治外,没有进行过重建。爱荷华州Cedar路段修建于1962年,结构为11.43cmHMA面层+40.64cmATB直接放到细粒土上。使用到现在只分别在1976年、1990年进行了表面修补。根据LTTP GPS-6 (FHWARD-00-165)大量路用性能数据,绝大部分柔性基层沥青路面能够使用15年以上才需要维修;很多沥青路面使用20年以上才出现明显的损坏。这与我国沥青路面的使用寿命相比形成了鲜明对比。
综上所述,相对而言,国外对沥青碎石基层研究较多,但这些路面沥青层厚度大多达30cm以上,有的甚至超过50cm,我国尚属于发展中国家,难以照搬。