论文部分内容阅读
摘要：简要叙述了半刚性沥青路面的发展及应用。针对半刚性材料的特点和半刚性材料的干缩特性及温度收缩特性，介绍了半刚性沥青路面的早期病害，并对半刚性沥青路面裂缝产生的机理进行了分析。
关键词：半刚性沥青路面；半刚性材料；路面特点；早期病害
中图分类号：TF526文献标识码： A
1.半刚性材料
1.1半刚性材料的特点
（1）具有一定的抗拉强度
各种半刚性材料都具有一定的抗拉强度。测定半刚性材料的抗拉强度共有三种方法。一种方法是利用梁式试件，并用三分点加载方法，进行弯拉试验，直到试件破坏，用此法测得的试件抗拉强度称作抗弯拉强度。第二种方法是利用梁式试件或圆柱体试件进行直接拉伸试验，直到试件破坏，这种方法测得的试件抗拉强度称作直接抗拉强度。第三种方法是利用圆柱体试件并沿其直径方向用接近于线压力进行试验，直到破坏，用此法得到的试件抗拉强度称为间接抗拉强度或劈裂强度。
（2）环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大影响
环境温度越高，半刚性材料内部的化学反应就越快和越强烈，因此其强度也越高。
（3）强度和刚性都随龄期增长
（4）刚性为原柔性材料（即未用结合料的材料）的数倍，但有明显小于水泥混凝土。
1.2半刚性材料的干缩特性
半刚性材料产生体积干缩的程度或干缩性（最大干缩应变与平均干缩系数）的大小与下列因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定（或处治）土的类别（细粒土、中粒土或粗粒土）、粒料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指數、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、制作（室内试件）含水量和龄期等。
1.3半刚性材料的温度收缩特性
组成半刚性材料的三个相，即不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相在降温过程中相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，即温度收缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。粘土及其他胶体颗粒的温度收缩性的大小与其扩散层厚度成正比。半刚性材料中胶结物各矿物有较大的温度收缩性。
2.半刚性沥青路面的优点及常见病害
用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎（砾）石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，在前期具有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度较有较大幅度的增长，但是最后的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。
2.1半刚性路面的优点
半刚性沥青路面是由半刚性材料底基层、基层和沥青面层构成的路面结构形式。半刚性基层沥青路面具有强度高、刚度大、整体性好、水稳性和抗冻性好以及抗行车疲劳性能好等优良特性，另外，半刚性材料取材广泛、利于机械化施工且工程造价低，因此而成为我国高等级公路路面结构的主要结构形式。
半刚性沥青面层从工艺上分有两类，一类是拌和法半刚性面层，另一类是灌浆法半刚性沥青面层。前者是在沥青混凝上拌和物母体中加入适量的水泥砂浆，凝结硬化后兼有白色路面刚性与黑色路面柔性的新型路面结构；后者是以空隙率较大的压实沥青混合料路面为母体，灌入掺加添加剂的水泥浆，凝结硬化后形成兼有刚性与柔性的路面结构。
半刚性沥青面层除具有上述刚性与柔性之外，与普通沥青路面相比，它有较高的高温稳定性、属于无车辙路面。这一方面是由于半刚性路面层中水泥砂浆或水泥灌浆的存在，增大了材料的骨架组成部分，减小了对温度敏感的沥青材料部分的相对比例，另一方面也是由于面层颜色的变浅，减小了路面的吸热速度，使其内部温度低于普通沥青路面的温度。
由于半刚性材料的性质与柔性材料有明显差别，因此由半刚性材料构成的基层和底基层的使用性能与柔性材料构成的基层和底基层的使用性能也有着显著区别：
（1）半刚性路面的承载能力和分布荷载的能力明显大于柔性路面。半刚性路面下土基顶面所受的压应力或压应变明显小于柔性路面下土基顶面所受的压应力或压应变。它有利于保持土基良好的工作状态，有利于土基工作在弹性阶段，也有利于减轻路面表面的车辙深度。
（2）厚半刚性材料层的优越性。
1）半刚性路面的承载能力可由半刚性层满足；
2）沥青面层的厚度对半刚性路面的承载能力无明显影响；
3）厚半刚性材料层可抵消土基强度的巨大差别；
4）全厚式半刚性基层具有更大的优越性。
2.2半刚性沥青路面常见病害
（1）基层开裂
研究认为，基层一旦开裂，路面结构受力状态将发生急剧变化，并导致半刚性路面结构的快速损坏；路表弯沉不能准确反映半刚性路面结构的破坏状态，以路表弯沉作为路面结构的设计和质量验收指标不能有效地控制路面基层的开裂；基层横向开裂后，沥青面层的破坏主要受控于剪应力；基层一旦出现横向裂缝，其底部裂缝两侧的纵向拉应力、剪应力迅速增加，使横缝两侧底部形成严重破坏，这为水损坏后基层形成缝底部脱空，进而引起面层沿横缝两侧的开裂、沉陷留下了严重隐患。
半刚性路面基层的先期开裂一般基于两个方面的原因：一是半基层的温缩与干缩性开裂，二是行车荷载下的疲劳开裂。
（2）反射裂缝
反射裂缝在国外多用于描述已开裂旧沥青路面或水泥路面的罩面层在行车荷载作用下原路面裂缝反射到新加铺面层上形成的裂缝，而对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝特指由于半刚性基层在温度收缩和干燥收缩下产生的收缩裂缝，而后沿开裂基层向上反射到沥青面层形成的裂缝。由于半刚性基层材料的特性，基层的干燥收缩和温度收缩的产生将是不可避免的。当车辆荷载经过基层裂缝时，使沥青面层受到正反两次剪切和一次弯拉作用，车辆荷载的反复作用会造成反射裂缝的产生与扩展。另外，当基层发生温缩时，基层裂缝进一步扩大，也会给发生温缩的沥青面层增加一个附加应力，由于在较低温度下沥青面层通常较硬，它只能承受较小的拉应力，故这一附加应力容易大于沥青混合料的抗拉应力，基层裂缝上方的面层将从底部产生开裂，在温差影响下，裂缝缝端产生更大拉应力，裂缝继续向上扩展，直至贯通面层。
（3）车辙
在级配碎石基层半刚性沥青路面结构中，级配碎石属于松散型材料，其自身不会因为局部变形而产生拉应力。但由于级配碎石基层对于下卧各层变形的适应或跟随，会将下卧各层的变形反映到路表面上来，加大路表车辙深度。当级配碎石层设置在半刚性底基层上，半刚性底基层刚度较大，表面产生的弯沉较小，因此对级配碎石的自适应性变形能够起到一定的控制作用。
（4）桥头跳车
桥头跳车有两种情况：首先是台背填土压实不足，导致填土在台背后数十米范围内下沉其特征为:沉降在行车方向是渐变的，延续距离相对较长，路面的整体强度未受破坏，路表面也少有损坏，但行车时具有明显的波浪感。其次是由于桥梁与台背填土刚度的差异而产生的不均匀沉降，从而出现的跳台其特征为：延续距离短，只有几米，路面少有损坏发生，行车时具有明显的瞬间跳车冲击感。
（5）纵向裂缝
这种裂缝的数量较少，大多发生在高路堤地段路基外侧。成因是路堤中央与外侧压实不均匀，旧路帮宽或地基受外部水源的长期侵蚀，导致路基或地基的不均匀沉降 。一般情况下裂缝较宽。
（6）路面局部凹陷龟裂
这种损坏是路面局部网裂的延续。因局部网裂没有得到及时的维修封堵，雨水渗入到基层，而高速行驶车辆轮胎的强大泵吸作用，使半刚性基层的胶结材料被吸出，长时间下去，导致基层材料散失，路面出现局部下陷和网裂，进而由局部网裂发展成为明显的凹陷龟裂，对行车的平顺性和安全性有很大影响。其特征为:起始于轮迹处，路面结构在该处完全破坏，在破坏过程中雨天有灰浆外泻痕迹。
3.结束语
半刚性沥青路面具有良好的力学性能和行车舒适性，适合于各种车辆的通行，同时具有良好的抗滑、防渗、耐疲劳的性能，因而得到广泛的使用。但由于半刚性材料的干缩特性和半刚性材料的温度收缩特性，在车辆荷载及环境等因素的作用下，沥青路面早期破坏的现象，如基层开裂、反射裂缝、纵向裂缝和路面局部凹陷龟裂等时有发生，严重影响公路的正常使用，因此，优化半刚性沥青路面的结构设计及材料选取，有效地减少半刚性沥青路面的早期病害，具有十分重要的意义。
关键词：半刚性沥青路面；半刚性材料；路面特点；早期病害
中图分类号：TF526文献标识码： A
1.半刚性材料
1.1半刚性材料的特点
（1）具有一定的抗拉强度
各种半刚性材料都具有一定的抗拉强度。测定半刚性材料的抗拉强度共有三种方法。一种方法是利用梁式试件，并用三分点加载方法，进行弯拉试验，直到试件破坏，用此法测得的试件抗拉强度称作抗弯拉强度。第二种方法是利用梁式试件或圆柱体试件进行直接拉伸试验，直到试件破坏，这种方法测得的试件抗拉强度称作直接抗拉强度。第三种方法是利用圆柱体试件并沿其直径方向用接近于线压力进行试验，直到破坏，用此法得到的试件抗拉强度称为间接抗拉强度或劈裂强度。
（2）环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大影响
环境温度越高，半刚性材料内部的化学反应就越快和越强烈，因此其强度也越高。
（3）强度和刚性都随龄期增长
（4）刚性为原柔性材料（即未用结合料的材料）的数倍，但有明显小于水泥混凝土。
1.2半刚性材料的干缩特性
半刚性材料产生体积干缩的程度或干缩性（最大干缩应变与平均干缩系数）的大小与下列因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定（或处治）土的类别（细粒土、中粒土或粗粒土）、粒料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指數、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、制作（室内试件）含水量和龄期等。
1.3半刚性材料的温度收缩特性
组成半刚性材料的三个相，即不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相在降温过程中相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，即温度收缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。粘土及其他胶体颗粒的温度收缩性的大小与其扩散层厚度成正比。半刚性材料中胶结物各矿物有较大的温度收缩性。
2.半刚性沥青路面的优点及常见病害
用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎（砾）石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，在前期具有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度较有较大幅度的增长，但是最后的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。
2.1半刚性路面的优点
半刚性沥青路面是由半刚性材料底基层、基层和沥青面层构成的路面结构形式。半刚性基层沥青路面具有强度高、刚度大、整体性好、水稳性和抗冻性好以及抗行车疲劳性能好等优良特性，另外，半刚性材料取材广泛、利于机械化施工且工程造价低，因此而成为我国高等级公路路面结构的主要结构形式。
半刚性沥青面层从工艺上分有两类，一类是拌和法半刚性面层，另一类是灌浆法半刚性沥青面层。前者是在沥青混凝上拌和物母体中加入适量的水泥砂浆，凝结硬化后兼有白色路面刚性与黑色路面柔性的新型路面结构；后者是以空隙率较大的压实沥青混合料路面为母体，灌入掺加添加剂的水泥浆，凝结硬化后形成兼有刚性与柔性的路面结构。
半刚性沥青面层除具有上述刚性与柔性之外，与普通沥青路面相比，它有较高的高温稳定性、属于无车辙路面。这一方面是由于半刚性路面层中水泥砂浆或水泥灌浆的存在，增大了材料的骨架组成部分，减小了对温度敏感的沥青材料部分的相对比例，另一方面也是由于面层颜色的变浅，减小了路面的吸热速度，使其内部温度低于普通沥青路面的温度。
由于半刚性材料的性质与柔性材料有明显差别，因此由半刚性材料构成的基层和底基层的使用性能与柔性材料构成的基层和底基层的使用性能也有着显著区别：
（1）半刚性路面的承载能力和分布荷载的能力明显大于柔性路面。半刚性路面下土基顶面所受的压应力或压应变明显小于柔性路面下土基顶面所受的压应力或压应变。它有利于保持土基良好的工作状态，有利于土基工作在弹性阶段，也有利于减轻路面表面的车辙深度。
（2）厚半刚性材料层的优越性。
1）半刚性路面的承载能力可由半刚性层满足；
2）沥青面层的厚度对半刚性路面的承载能力无明显影响；
3）厚半刚性材料层可抵消土基强度的巨大差别；
4）全厚式半刚性基层具有更大的优越性。
2.2半刚性沥青路面常见病害
（1）基层开裂
研究认为，基层一旦开裂，路面结构受力状态将发生急剧变化，并导致半刚性路面结构的快速损坏；路表弯沉不能准确反映半刚性路面结构的破坏状态，以路表弯沉作为路面结构的设计和质量验收指标不能有效地控制路面基层的开裂；基层横向开裂后，沥青面层的破坏主要受控于剪应力；基层一旦出现横向裂缝，其底部裂缝两侧的纵向拉应力、剪应力迅速增加，使横缝两侧底部形成严重破坏，这为水损坏后基层形成缝底部脱空，进而引起面层沿横缝两侧的开裂、沉陷留下了严重隐患。
半刚性路面基层的先期开裂一般基于两个方面的原因：一是半基层的温缩与干缩性开裂，二是行车荷载下的疲劳开裂。
（2）反射裂缝
反射裂缝在国外多用于描述已开裂旧沥青路面或水泥路面的罩面层在行车荷载作用下原路面裂缝反射到新加铺面层上形成的裂缝，而对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝特指由于半刚性基层在温度收缩和干燥收缩下产生的收缩裂缝，而后沿开裂基层向上反射到沥青面层形成的裂缝。由于半刚性基层材料的特性，基层的干燥收缩和温度收缩的产生将是不可避免的。当车辆荷载经过基层裂缝时，使沥青面层受到正反两次剪切和一次弯拉作用，车辆荷载的反复作用会造成反射裂缝的产生与扩展。另外，当基层发生温缩时，基层裂缝进一步扩大，也会给发生温缩的沥青面层增加一个附加应力，由于在较低温度下沥青面层通常较硬，它只能承受较小的拉应力，故这一附加应力容易大于沥青混合料的抗拉应力，基层裂缝上方的面层将从底部产生开裂，在温差影响下，裂缝缝端产生更大拉应力，裂缝继续向上扩展，直至贯通面层。
（3）车辙
在级配碎石基层半刚性沥青路面结构中，级配碎石属于松散型材料，其自身不会因为局部变形而产生拉应力。但由于级配碎石基层对于下卧各层变形的适应或跟随，会将下卧各层的变形反映到路表面上来，加大路表车辙深度。当级配碎石层设置在半刚性底基层上，半刚性底基层刚度较大，表面产生的弯沉较小，因此对级配碎石的自适应性变形能够起到一定的控制作用。
（4）桥头跳车
桥头跳车有两种情况：首先是台背填土压实不足，导致填土在台背后数十米范围内下沉其特征为:沉降在行车方向是渐变的，延续距离相对较长，路面的整体强度未受破坏，路表面也少有损坏，但行车时具有明显的波浪感。其次是由于桥梁与台背填土刚度的差异而产生的不均匀沉降，从而出现的跳台其特征为：延续距离短，只有几米，路面少有损坏发生，行车时具有明显的瞬间跳车冲击感。
（5）纵向裂缝
这种裂缝的数量较少，大多发生在高路堤地段路基外侧。成因是路堤中央与外侧压实不均匀，旧路帮宽或地基受外部水源的长期侵蚀，导致路基或地基的不均匀沉降 。一般情况下裂缝较宽。
（6）路面局部凹陷龟裂
这种损坏是路面局部网裂的延续。因局部网裂没有得到及时的维修封堵，雨水渗入到基层，而高速行驶车辆轮胎的强大泵吸作用，使半刚性基层的胶结材料被吸出，长时间下去，导致基层材料散失，路面出现局部下陷和网裂，进而由局部网裂发展成为明显的凹陷龟裂，对行车的平顺性和安全性有很大影响。其特征为:起始于轮迹处，路面结构在该处完全破坏，在破坏过程中雨天有灰浆外泻痕迹。
3.结束语
半刚性沥青路面具有良好的力学性能和行车舒适性，适合于各种车辆的通行，同时具有良好的抗滑、防渗、耐疲劳的性能，因而得到广泛的使用。但由于半刚性材料的干缩特性和半刚性材料的温度收缩特性，在车辆荷载及环境等因素的作用下，沥青路面早期破坏的现象，如基层开裂、反射裂缝、纵向裂缝和路面局部凹陷龟裂等时有发生，严重影响公路的正常使用，因此，优化半刚性沥青路面的结构设计及材料选取，有效地减少半刚性沥青路面的早期病害，具有十分重要的意义。