瀝青路面級(jí)配碎石基層性能改善分析

文/梁毅

1 前言

在當(dāng)前道路工程施工中，通常會(huì)在半剛性基層與瀝青面層之間鋪設(shè)級(jí)配碎石，以對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，有效提升半剛性基層的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載力。但是，在級(jí)配碎石技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，不同的技術(shù)控制會(huì)對(duì)級(jí)配碎石模量和強(qiáng)度造成直接影響，進(jìn)而影響到面層底應(yīng)力應(yīng)變和路面的疲勞壽命，尤其是在行車荷載較大的情形下，會(huì)造成瀝青路面出現(xiàn)裂縫，甚至是永久變形情況。因此，為了更好地提升級(jí)配碎石基層性能，我們需要采取對(duì)應(yīng)的措施，以滿足公路路面日益增長(zhǎng)的交通壓力需求。

2 級(jí)配碎石材料概述

2.1 級(jí)配碎石材料的特點(diǎn)

級(jí)配碎石是應(yīng)用于道路工程建設(shè)將不同粒徑碎石和石屑根據(jù)設(shè)計(jì)及方案要求的級(jí)配混合并碾壓成型的層狀結(jié)構(gòu)。級(jí)配材料性能主要取決于碎石自身強(qiáng)度和嵌擠作用的實(shí)際效果，只有在提升級(jí)配技術(shù)性能并采取對(duì)應(yīng)施工工藝基礎(chǔ)上，才能夠使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)度不斷提升，滿足道路建設(shè)和運(yùn)行的性能要求。級(jí)配碎石材料主要體現(xiàn)在如下方面：

2.1.1 具有良好的穩(wěn)定性和抗變形能力，能夠起到防止和延緩反射裂縫發(fā)展的作用[1]。

2.1.2 碎石間的相互嵌擠作用、摩擦作用、密實(shí)程度及攤鋪?zhàn)鳂I(yè)質(zhì)量等，都會(huì)對(duì)級(jí)配碎石的力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。

2.1.3 級(jí)配碎石本身具有散粒體特征，在抗彎拉、抗疲勞等方面存在一定不足，因此在應(yīng)用時(shí)必須要通過(guò)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)控制工作，將這些因素帶來(lái)的負(fù)面影響降到最低水平，提升力學(xué)性能。

2.2 級(jí)配碎石原材料的技術(shù)要求

級(jí)配碎石原材料是路面施工質(zhì)量控制的重要影響因素，在選擇石料時(shí)，需從如下方面著手，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制精細(xì)化管理。

2.2.1 控制針片狀顆粒含量，其主要是指最大長(zhǎng)、寬、厚數(shù)據(jù)比不大于3 的粗集料顆粒。在含量較大的情形下，會(huì)對(duì)碎石之間的嵌擠作用造成影響，并且直接導(dǎo)致級(jí)配碎石層強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外，在我國(guó)公路施工規(guī)范中，還沒(méi)有關(guān)于這一指標(biāo)的具體要求；參照歐洲相關(guān)方面的標(biāo)準(zhǔn)，通常情形下應(yīng)當(dāng)控制在20%以內(nèi)。

2.2.2 控制壓碎值和洛杉磯磨耗值，前者主要體現(xiàn)石料自身在荷載不斷增加下的抗壓碎能力，后者則能夠反應(yīng)集料自身強(qiáng)度[2]。

2.2.3 主要控制石料的塑性指數(shù)和液限，其主要反映的是粒徑在0.5mm 以下的細(xì)集料質(zhì)量，在指數(shù)和液限越大的情形下，材料的透水性就越差；在達(dá)到一定程度時(shí)，其會(huì)由于車轍作用產(chǎn)生明顯的路面結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，進(jìn)而給公路正常使用帶來(lái)影響。

2.2.4 明確材料的堅(jiān)固性指標(biāo)，確保指標(biāo)能夠達(dá)到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求。

2.3 級(jí)配碎石級(jí)配要求

在我國(guó)公路工程設(shè)計(jì)和施工方面的研究中，將粒料混合料劃分為骨架空隙型結(jié)構(gòu)、密實(shí)型結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)三種類型。其中，骨架空隙型結(jié)構(gòu)施工碾壓較為困難，但是透水性較好；密實(shí)型結(jié)構(gòu)在施工和抗剪強(qiáng)度上都具有一定優(yōu)勢(shì)，整體應(yīng)用較為廣泛；而懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)由于透水性較差，使得其強(qiáng)度和穩(wěn)定性都有所不足。根據(jù)相關(guān)規(guī)范中級(jí)配碎石基層級(jí)配范圍要求，在具體設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)盡量選擇骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，并確定其級(jí)配范圍。

3 級(jí)配碎石厚度對(duì)路面性能的影響

3.1 基層厚度對(duì)面層底應(yīng)力應(yīng)變的影響

瀝青路面施工中，級(jí)配碎石性能直接受到基層厚度影響，因此我們首先需要分析級(jí)配碎石厚度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響。分析方法是應(yīng)用有限元模型進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)不同面層厚度和基層模量進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，由模型自動(dòng)計(jì)算不同基層厚度下瀝青路面面層底的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。在不同面層結(jié)構(gòu)基層厚度不斷增加的情形下，面層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變結(jié)果都會(huì)減??；但是，在面層厚度增加到一定程度時(shí)，所引起的變化幅度越來(lái)越小。因此，將級(jí)配碎石作為瀝青路面基層材料時(shí)，片面增加厚度并不會(huì)有效提升路面的力學(xué)性能，反而會(huì)增加施工成本，進(jìn)而對(duì)施工企業(yè)成本控制造成影響。

3.2 基層厚度對(duì)瀝青路面疲勞壽命的影響

公路瀝青路面長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于車輛荷載作用影響，局部范圍內(nèi)的損傷會(huì)逐漸積累，并由此導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同形式的缺陷，在處理不及時(shí)或處理不當(dāng)?shù)那闆r下，將會(huì)使得原生裂紋現(xiàn)象不斷擴(kuò)展，甚至造成結(jié)構(gòu)性破壞，進(jìn)而造成路面失去交通功能。隨著瀝青路面厚度的增加，疲勞壽面會(huì)產(chǎn)生小幅增加，在厚度不超過(guò)40cm 情形下，基層厚度增加5cm，壽命提升幅度約為5%左右；但是超出此厚度范圍后，所能夠帶來(lái)的增加幅度極為有限。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將級(jí)配碎石厚度控制在20～40cm 之間為宜。

4 提升級(jí)配碎石強(qiáng)度的措施

4.1 纖維摻入對(duì)碎石強(qiáng)度影響的機(jī)理

級(jí)配碎石層屬于散體性材料，基于理論層面而言，其自身并不會(huì)傳遞應(yīng)力應(yīng)變，而將其應(yīng)用于公路瀝青面層與半剛性基層之間，卻能夠較好地避免瀝青路面所產(chǎn)生的反射裂縫。另外，級(jí)配碎石層受抗拉、抗剪強(qiáng)度及失效應(yīng)變等力學(xué)性能方面的限制，公路路面在長(zhǎng)期運(yùn)行中必然會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形及疲勞裂縫現(xiàn)象。在原有施工技術(shù)體系中，多是通過(guò)對(duì)原材料性質(zhì)和級(jí)配范圍進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到性能優(yōu)化的目的，但是其在調(diào)整至一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)性能提升邊際效應(yīng)，進(jìn)而使得優(yōu)化效果與施工成本之間產(chǎn)生偏差。因此，要想更好地提升級(jí)配碎石整體強(qiáng)度，就必須考慮添加纖維材料等形式。

4.2 纖維作用機(jī)理分析

纖維材料從性質(zhì)上而言，是一種連續(xù)或不連續(xù)細(xì)絲組成的物質(zhì)，并且它可以與其他物料組合而成新的復(fù)合材料。將纖維材料應(yīng)用于級(jí)配碎石配比中，其作用機(jī)理是能夠利用纖維特性，盡量減少甚至是消除外部荷載所引起的細(xì)微裂縫現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)添加纖維材料的長(zhǎng)細(xì)比、形狀和添加量等方式，改變級(jí)配碎石的物質(zhì)性質(zhì)，增加纖維與現(xiàn)有材料之間的摩擦力、粘結(jié)力等；通過(guò)相應(yīng)的施工技術(shù)處理所形成的混合材料，在受到外部荷載作用力時(shí)，能夠同時(shí)承擔(dān)由此帶來(lái)的應(yīng)力應(yīng)變。尤其是纖維的亂向分布，形成了三維狀態(tài)的支撐網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能夠有效提升實(shí)際加強(qiáng)效果。另外，纖維級(jí)配碎石所具有的連續(xù)性，能夠有效避免應(yīng)力過(guò)多集中于某一部分的情況。在外部荷載作用力過(guò)大時(shí)，纖維與級(jí)配碎石之間又會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，在塑性變形作用下，消耗部分應(yīng)變能，降低整體應(yīng)力水平，以此更好地提升路面整體抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，降低裂縫生成與擴(kuò)展的概率。

4.3 確定纖維摻量

纖維摻量會(huì)對(duì)纖維級(jí)配碎石的實(shí)際性能產(chǎn)生不同程度的影響，尤其是選擇不同的纖維材料，所產(chǎn)生的具體影響差異較大。在目前相關(guān)方面研究及施工流程中，較為常用的纖維類型有礦物纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維等[3]。在研究纖維摻量對(duì)級(jí)配碎石影響時(shí)，首先需要明確控制力學(xué)性能指標(biāo)所應(yīng)當(dāng)滿足的技術(shù)指標(biāo)要求，這些指標(biāo)內(nèi)容包括直徑、熔點(diǎn)、彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、長(zhǎng)度與耐堿酸度等。確定纖維最優(yōu)摻量，主要是考慮在不同摻量下混合料所能夠達(dá)到劈裂強(qiáng)度。在級(jí)配和含水率相同的前提下，分別選擇五種摻量比例：0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，在采用相同成型工藝時(shí)，利用夾具進(jìn)行劈裂試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著纖維摻量的增加，級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的變化模式；纖維摻量為1‰ 時(shí)，劈裂強(qiáng)度最大，之后逐漸衰減并趨于平緩。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要確保劈裂強(qiáng)度性能達(dá)到最優(yōu)化水平，應(yīng)盡量將摻量控制在1‰左右，以此才能夠確保性能與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，為工程施工質(zhì)量控制奠定良好基礎(chǔ)。

4.4 分析纖維級(jí)配碎石性能

通過(guò)試驗(yàn)明確最優(yōu)纖維摻量后，還需要對(duì)1‰摻量的纖維級(jí)配碎石進(jìn)一步研究性能，具體研究需要通過(guò)CBR 試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)三種方式進(jìn)行。由CBR 試驗(yàn)可以看出，纖維級(jí)配碎石的CBR 值有較為明顯的提升，并且不泡水時(shí)提升更為明顯。根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，纖維級(jí)配碎石性能無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度約為10%左右[5]。而在大型靜三軸試驗(yàn)中顯示，纖維級(jí)配碎石與普通級(jí)配碎石在應(yīng)力應(yīng)變方面的趨勢(shì)特征沒(méi)有明顯差異，但是前者抗剪強(qiáng)度有明顯提升，同時(shí)內(nèi)部粘聚力會(huì)有明顯提升。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瀝青路面級(jí)配碎石厚度和添加纖維試驗(yàn)研究分析，可以得出如下方面結(jié)論：

采用級(jí)配碎石施工方案時(shí)，相關(guān)工作人員需合理控制整體厚度。在厚度達(dá)到一定程度時(shí)，路面疲勞壽命將會(huì)停止增加，進(jìn)而增加施工成本。

在添加1‰ 纖維時(shí)，纖維級(jí)配碎石在抗剪強(qiáng)度、CBR 值等方面能夠達(dá)到最優(yōu)化水平，因此在具體施工中，可以以此為參考依據(jù)進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)，確?；鶎有阅苓_(dá)到最優(yōu)化水平。

本課題研究試驗(yàn)條件還不夠完善，對(duì)纖維級(jí)配碎石的性能變化分析還不夠精細(xì)，且在不同地區(qū)，受到溫度、濕度等外部條件影響不同，實(shí)際效果還存在明顯差異，因此在具體施工中，相關(guān)工作人員還應(yīng)當(dāng)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況做好試驗(yàn)，以確保性能改善最優(yōu)化。