城市道路半刚性基层增柔改性沥青铺面结构路用性能研究

摘要：目前在市政道路中半刚性基层沥青铺面应用已经很广泛，半刚性基层虽然能够减轻沥青铺面面层的龟裂、车辙和冻害等，但同时也出现了较多的早期裂缝。市政道路交通量大，这些早期裂缝在繁忙交通车辆荷载作用下将加快其延拓速度，因此也缩短了加铺层使用寿命，同时也不利于资源的优化利用。为解决此类问题，本文尝试采用乳化沥青增柔半刚性基层的方案。通过室内试验与传统半刚性基层、柔性基层的力学性能进行对比研究，乳化沥青—水泥稳定碎石基层增柔效果明显。

关键词：市政道路；级配碎石基层；无侧限抗压强度；回弹模量

中图分类号：U415 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）20-0194-03

沥青铺面结构与水泥混凝土结构路面相比，沥青铺面结构具有环保、舒适等优点。因此，近年来，世界许多发达国家的公路及市政道路也大多是采用半刚性基层沥青铺面结构。由于城市交通量的日益加大，城市道路负荷也随之加重。道路的使用功能和承受能力也面临着越来越大的挑战。随着国民经济与城市建设的发展，沥青铺面结构被越来越多地应用到城市道路建设中。因此对沥青混凝土路面产生裂缝的预防与处理，是保证行车质量、延长道路使用周期的关键因素。但采用半刚性基层时，由于半刚性基层材料自身失水收缩以及由于温度变化而产生的收缩裂缝会反映到面层上来，使面层在使用早期即出现反射裂缝，这将使城市道路路面使用周期大大缩短，远达不到设计使用年限即出现破坏现象。为此，本文提出对传统半刚性基层进行增柔，既能预防半刚性基层反射裂缝的问题，又能解决传统柔性基层面临的车辙问题。将其应用到市政道路工程中，以利于我国城镇化发展进程，同时也利于资源的优化利用，使得经济建设与环保相协调。

一、应用乳化沥青改性增柔的可行性

城市道路工程中沥青铺面要满足承载荷载大、作用次数多、高温条件下不易出现车辙的要求，同时还要能够经受冰雪雨水、低温的侵蚀而不松散，路面能够保持良好的状态而不用频繁进行维修，然而半刚性基层沥青铺面中迅速发展的早期裂缝以及反射裂缝是这一路面结构的最大问题。解决这一问题不仅要求路面所用的沥青材料具有良好的性能，还需要基层材料在缓解路面传来的竖向荷载及延缓面层开裂性能方面有良好的作用。这样基层既要有足够的刚度，又要保持相应的柔性，因此尝试在传统半刚性水泥稳定碎石基层中添加乳化沥青，以期满足刚柔相济的功效，同时能起到增加道路工程的基层与沥青加铺层的黏结性。在半刚性水泥稳定碎石中加入乳化沥青可以提升其抵抗干缩、温缩裂缝的能力，同时又因为有足够的刚度不会轻易出现车辙，这对城市道路半刚性基层应用具有现实意义。

二、与半刚性和柔性基层的力学性能的对比研究

基层作为承重层，在路面结构中起着不可替代的作用。因此对基层材料强度形成机理和力学性能的研究也是一个必不可少的环节。本文通过室内试验对比乳化沥青—水泥稳定碎石基层与水泥稳定碎石、乳化沥青稳定碎石基层材料的无侧限抗压强度、抗压回弹模量，寻找三种基层材料的力学性能增长规律。其中水泥稳定碎石、乳化沥青稳定碎石的级配与乳化沥青—水泥稳定碎石的级配相同。根据以往学术界室内实验和试验路验证提出，水泥处治乳化沥青混合料的疲劳性能差，只有限制水泥的质量分数在3.0%以下，疲劳开裂的可能性才能减小。德国维特根公司编制的《沥青路面冷再生指南》中建议水泥用量为1.5%～2.0%，以保持乳化沥青再生路面的柔性，降低其疲劳开裂的可能性。根据以往研究经验，本文研究混合料基层材料外加剂总含量为4.5%，水泥级配碎石混合料水泥含量4.5%，沥青级配碎石混合料沥青含量4.5%，乳化沥青—水泥稳定级配碎石水泥含量2.0%、乳化沥青含量2.5%。本文研究的级配基层采用骨架密实型基层混合料级配，级配见表2.1。

1.无侧限抗压强度试验。本文研究中采用静压成型在规定养生条件下养生后的圆柱体试件（Φ150mm×150mm），按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）规定方法进行试验。水泥稳定碎石、乳化沥青—水泥稳定碎石和乳化沥青稳定碎石材料各一组9个试件，分别考虑7d、28d、60d龄期，对比观测材料无侧限抗压强度的变化规律。具体试验数据请见表2.2。无侧限抗压强度按以下公式进行计算：Rc=■0.00051P（2.1）公式中：Rc—试件的无侧限抗压强度（MPa）；P—试件破坏时的最大压力（N）；A—试件的截面积（mm2）；A=■πD2（2.2）；D—试件的直径（mm）。

从表2.2的试验结果可以发现：（1）在相同龄期下，相同结合料含量的三种材料中，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度最高，其次是乳化沥青—水泥稳定碎石，最低的是乳化沥青稳定碎石。乳化沥青—水泥稳定碎石28d无侧限抗压强度是水泥稳定碎石的76.1%、60d无侧限抗压强度已经能够达到水泥稳定碎石的91.38%。乳化沥青—水泥稳定碎石28d无侧限抗压强度是乳化沥青稳定碎石3.38倍，而28d无侧限抗压强度为1.65倍。此现象说明，乳化沥青—水泥稳定碎石比柔性其抗压强度要大很多，纵使其早期强度比半刚性水稳基层要低些，但是后期强度却已是相当接近，说明半刚性基层增柔后也能达到预期强度。（2）随着龄期的增长，相同结合料含量的三种材料的无侧限抗压强度都在增长。从R28/R7、R60/R7的比值可以看出，增长幅度最大的是乳化沥青稳定碎石，增长幅度最小的是水泥稳定碎石。

2.抗压回弹模量试验。水泥稳定碎石、乳化沥青—水泥稳定碎石和乳化沥青稳定碎石材料各一组9个试件，分别考虑28d、60d龄期，观测三种材料抗压回弹模量的变化规律。抗压回弹模量按以下公式进行计算：（1）各级荷载下的回弹变形L。L=加载时的平均读数—卸载时的平均读数。（2）抗压回弹模量的计算：Ec=■（2.5）公式中：Ec—抗压回弹模量（MPa）；P—单位压力（MPa）；h—试件的高度（mm）；l—试件回弹变形。

从表2.3试验结果可以看出：（1）随着龄期的增长，相同结合料含量的三种材料抗压回弹模量都在增长。从R60/R28的比值可以看出，乳化沥青—水泥稳定碎石、水泥稳定碎石和乳化沥青稳定碎石增长幅度相近，都在20.0%左右。（2）乳化沥青—水泥稳定碎石和乳化沥青稳定碎石的28d抗压回弹模量分别减少到水泥稳定碎石回弹模量的55.6%和35.0%。可见，对水泥稳定碎石半刚性基层材料进行增柔改性的处理方式具有比较明显的效果。

通过室内试验比较乳化沥青—水泥稳定碎石基层与传统半刚性、柔性基层的力学性能，乳化沥青—水泥稳定碎石28d无侧限抗压强度是水泥稳定碎石的76.1%，是乳化沥青稳定碎石3.38倍，回弹模量减少到水泥稳定碎石回弹模量55.6%。乳化沥青—水泥稳定基层比起传统的水泥稳定碎石、乳化沥青稳定碎石既具有足够的刚度，又具有相应的柔性，这种刚柔兼济的特点，可有效减少基层的开裂，同时又能预防车辙现象的发生。这些问题的解决，将给城市道路建设工艺带来新的方向，促使市政工程更快发展，有利于城镇化的推进，增加城市道路运行效率，利于我国城市建设快速发展。

参考文献：

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