道路半刚性基层强度形成机理与特点分析

【摘 要】本文对道路半刚性基层材料的强度形成机理及半刚性基层具有性能进行研究，分析了影响半刚性基层主要性能特点，达到控制最佳施工质量目的。

【关键词】半刚性基层；强度机理；影响因素

路面结构中，路面基层是直接位于面层下的结构，起承重、扩散荷载应力等作用。因此，要求基层具有一定的整体性、强度、刚度和水稳定性。随着高等级公路的发展，半刚性基层得到愈来愈广泛的应用，已成为高等级道路路面基层的主导形式。

1 半刚性基层类型

根据稳定材料的不同有水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类、水泥粉煤灰稳定类、石灰水泥粉煤灰综合稳定类等类型。

2 半刚性基层强度形成机理分析

2.1 水泥稳定类强度形成机理分析

水泥属于水硬性胶结料，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、水稳性和耐冻性、初期强度增长很快，使用范围很广，是目前我国常见的基层类型。

在水泥稳定基层材料的过程中，水泥和被稳定材料之间发生了多种复杂作用，使被稳定材料的性能发生明显的变化。这些作用可以概括为：化学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用及水泥水化产物与粘土矿物之间的化学作用；物理化学作用：如粘土颗粒与水泥及水泥水化产物之间的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用；物理力学作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用。

2.2 石灰粉煤灰稳定类强度形成机理分析

石灰粉煤灰基层是目前我国修筑高等级公路的主要结构层，二灰稳定类材料基层常采用以粉煤灰与石灰为主，掺入不同比例的土或粒料的混合方式。由于土粒中的有效成分很有限，与石灰作用形成的结构强度与二灰之间形成的强度相比非常低；另一方面二灰中的粒料所起的作用主要集中在形成骨架、提高材料内摩阻力方面，并不会在石灰或粉煤灰之间产生质变的化学作用，而化学作用恰恰是基层材料形成结构强度的最根本原因。二灰与被加固材料之间形成结构强度过程中一般大致经历石灰的重结晶作用、离子吸附与交换作用、碳酸化作用、火山灰作用四个作用过程。

2.3 水泥粉煤灰稳定类强度形成机理分析

掺加粉煤灰的水泥稳定碎石材料是由水泥、粉煤灰、集料和水等多种固体结构元孔结构元和水分等组成的非均质体系。这种混合料的强度形成机理大致可以由水泥水化强度反应和水泥粉煤灰水化后的类火山灰反应两方面解释。混合料加水后，随着时间的延长，即龄期的增长，材料体系逐渐发生变化，混合料的宏观物理性能如强度、抗收缩性和抗疲劳性等，均随之变化。从微观角度看，水泥粉煤灰稳定碎石的强度形成过程，是一个水化产物由无定形凝胶向低结晶度、最终到高结晶度的发展过程。

水泥粉煤灰基层混合料中的粉煤灰含有大量的活性SiO2和A12O3，能与水泥水化产物中的Ca(0H)2发生类似于火山灰反应的二次水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，同时促进水泥进一步水化，改善界面粘结性能，使混合料孔隙变小，结构更加紧密，提高了混合料的后期强度，增强混合料的抗破坏能力。

2.4 石灰水泥粉煤灰综合稳定类强度形成机理分析

从理论上讲，采用三灰稳定基层材料可以较好的满足基层力学性能及路用性能的要求，同时，因为掺加了一定量的水泥，解决白灰粉煤灰稳定类基层早期强度较低的问题，能够满足早期强度的要求，综合考虑水泥强度形成快、早期强度高，粉煤灰强度形成持久、后期强度形成有潜力的特点，通过两种无机结合料性能互补，综合提高半刚性基层材料的整体性能，这是目前我国改善路面基层性能的一个常用措施。

3 半刚性基层性能

半刚性基层作为道路的主要承载结构和荷载传递结构，要求有良好的路用性能和力学性能以满足路用性能的需要。

3.1 强度

基层必须能承受车轮荷载的反复作用，即在预定设计标准轴次反复作用下，基层不会产生过多的残余形变，更不会产生剪切破坏(无结合料的粒料基层)或疲劳弯拉破坏(用各种结合料处治的基层)。基层要满足上述技术要求，除必需的厚度外，主要取决于基层材料本身的强度。该强度主要包括两个方面：一是石料颗粒本身的硬度或强度，可用集料压碎值或集料磨耗值表示，另外也可用岩石的抗压强度表示；另一方面是材料整体(混合料)的强度或刚度，如回弹模量、承载比、抗压强度、抗剪切强度、抗弯拉强度或间接抗拉强度(劈裂强度)等。

3.2 刚度

在整个路面结构中，基层的刚度(回弹模量)也是整个道路质量的关键。基层只有在具备一定的刚度条件下，才能有效克服由于车辆反复行驶所造成的累计变形，从而避免道路整体服务水平的下降。但如果面层和基层的刚度差别过大，将导致面层于拉应力或拉应变过大而开裂破坏。

3.3 抗冲刷能力

在通常情况下，表面水会通过多种途径进入路面结构层，如果进入的水不及时排出，而是停留在面层与基层的交界面上，就会使得基层局部潮湿甚至接近饱和。因此冲刷唧泥现象是一些高等级公路沥青路面早期损坏的常见现象之一。

3.4 收缩性

对于高等级公路由于要考虑抗开裂性能，故要求基层材料收缩性要小。通常半刚性材料的收缩包括两个方面，一是由于材料内部水分减少而产生的干缩现象，二是由于环境温度降低而产生的温度收缩现象。

3.5 良好的耐疲劳性能

对于重交通道路、一级公路和高速公路，基层材料还应该有良好的抗疲劳破坏能力。半刚性材料由于具有较高的强度与刚度，其抗疲劳破坏能力的高低就成为基层在长期使用过程中抗破坏能力的关键所在。

4 影响半刚性基层主要性能特点的因素

半刚性混合料必须具有足够的整体稳定性、强度及水温稳定性、冰冻稳定性等，而这些都与它们的压实度有直接的关系。因此，要有效地控制压实的质量，就需要解决最大干密度的确定、现场干密度的测定和压实标准的取值。

4.1 人为因素

在检测工作中人为加重了所采集到的材料的质量或者减少了试坑里沙的量，使现场的干密度轻易接近理论的最大干密度；或者是采集点经过多次辗压，使得检测结果明显大于100%。

4.2 用于施工现场的混合料拌合不均匀

因为用于击实的混合料配比是比较严格按照涉及配比进行的。这就有了偏离，与实际的压实度偏大偏小都有可能。

4.3 击实试验本身存在的问题

击实试验在室内通过施加冲击荷载对被压料进行压实，与现场静力压路机的作用过程虽不尽相同，但都是通过对材料产生剪应力使之压实的。在试验室用击实试验模拟现场的振动压实，测量确定的最大干密度和最佳含水量不一定就是材料在现有压实器械下所能达到的最大干密度和所需的最佳含水量。击实力的影响某一种材料的最佳含水量和最大干密度是随击实功而变化的，击实功愈大，材料的干密度愈大而土的最佳含水量愈小。对于同一种材料而言，击实功增加时，其最佳含水量减小，而最大干密度增大。随着压路机重量的增加，材料的最佳含水量要降低，而最大干密度要增加。

4.4 含水量对压实度的影响

在压实过程中各种材料的含水量对所能达到的密实度有着直接影响，材料的含水量过大则降低其现场所测的干密度。在实际施工中必须控制材料的含水量达到或接近材料的最佳含水量的±2%之内才能达到较高的压实度。混合料的压实度不是检测基层压实质量的唯一指标，在施工中要从控制材料含水量开始进行控制。

5 结束语

本文主要从不同稳定材料的半刚性基层强度形成机理出发，阐述了半刚性基层的性能指标及路用特点以及施工中影响半刚性基层材料主要特点的因素，为施工中的质量控制提供了依据。

参考文献

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