（交通运输工程专业论文）济宁市典型半刚性基层路用性能研究.pdf

摘要 随着我国公路建设的不断深入，为有效降低工程造价，以水泥、石灰、粉煤 灰等无机结合料稳定粒料的半刚性基层沥青路面成为我国路面结构的主要形式。 在济宁市公路工程建设中采用了多种类型的半刚性基层，其中最常用的有水泥碎 石、水泥粉煤灰碎石和水泥石灰粉煤灰碎石三种结构。 本论文通过对以上三种基层类型的击实、抗压、抗冻、冲刷、收缩和疲劳等 多种室内试验，对三种基层结构的抗压强度等基本力学指标、耐久性能、收缩性 能和疲劳性能进行综合的分析与评价。 根据本论文采用的材料及配比，在适宜的养生条件和l o o d 龄期甚至更长的时 间条件下，得出以下基本结论： 1 水泥粉煤灰碎石在抗压强度、抗压模量、劈裂强度及劈裂模量均优于水泥 碎石和水泥石灰粉煤灰碎石结构。 2 在耐久性的抗冻性方面和抗冲刷性方面水泥粉煤灰碎石要优于其它两种结 构。 3 在最佳含水量的状况下，水泥碎石和水泥粉煤灰碎石的干缩应变要小于水 泥石灰粉煤灰碎石，三者的干缩应变远大于温缩应变。 4 在抗疲劳方面水泥碎石和水泥石灰粉煤灰碎石结构对荷载比变化的敏感性 较高。 以上的基本结论可以为济宁市半刚性基层的设计和施工提供参考和指导。 关键词：半刚性基层；路用性能；冲刷：疲劳 a b s t r a c t a sc h i n e s eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nc o n t i n u e dt od e e p e n ，t oe f f e c t i v e l yr e d u c e t h ec o n s t r u c t i o nc o s t ，w i t hc e m e n t ，l i m e ，f l ya s ha n do t h e ri n o r g a n i cm a t e r i a l s w i t hs t a b l ea g g r e g a t e so fs e m i - r i g i da s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e s t r u c t u r eo f c h i n a t sm a i nf o r m j i n i n gi nh i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nt h eu s eo fav a r i e t y o f t y p e s o fs e m i r i g i d ，o n eo f t h em o s tc o m m o n l yu s e db yac e m e n tr u b b l e ，g r a v e l a n dc e m e n t ，f l ya s hc e m e n tf l ya s hl i m eg r a v e lt h r e es t r u c t u r e s t h i sp a p e rb ym o r et h a nt h r e ep r i m a r yt y p e so fc o m p a c t i o n ，c o m p r e s s m n ， a n t i f r e e z e ，e r o s i o n ，s h r i n k a g e a n d f a t i g u e ，a n d o t h e rl a bt e s t ，t h et h r e e g r a s s r o o t s s t r u c t u r eo ft h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h eb a s i cm e c h a n i c s ， d u r a b i l i t y ，p e r f o r m a n c ea n dc o n t r a c t i o nf a t i g u ep e r f o r m a n c eo fc o m p r e h e n s i v e a n a l y s i sa n de v a l u a t i o n a c e o r d i n gt ot h i st h e s i sa n dt h er a t i oo fm a t e r i a l su s e di nt h ea p p r o p r i a t e h e a l t hc o n d i t i o n sa n d1o o da g eo re v e nl o n g e rp e r i o d o ft i m eu n d e rt h e c o n d i t i o n s ，t h ef o l l o w i n gb a s i cc o n c l u s i o n s ： 1 g r a v e li nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ff l ya s hc e m e n t ，c o m p r e s s i v e m o d u l u s ，s p l i t s p l i t t i n gv o l u m ea n di n t e n s i t y t h a ng r a v e la n dc e m e n t ，l i m e c e m e n tf l ya s hg r a v e ls t r u c t u r e 2 a n t i f r e e z ei nt e r m so fd u r a b i l i t ya n da n t i - e r o s i o na r e ao ff l ya s hc e m e n t g r a v e li ss u p e r i o rt ot h eo t h e rt w os t r u c t u r e s 3 m o i s t u r ec o n t e n ti nt h eb e s to fc i r c u m s t a n c e s ，g r a v e la n dc e m e n t ，f l ya s h c e m e n tg r a v e lr e s p o n s et ot h es h r i n k a g eo fl e s st h a nl i m ef l ya s hc e m e n tr u b b l e ， t h es h r i n k a g es t r a i nm u c hl a r g e rt h a nt h et h r e e - r e d u c t i o nc o n t i n g e n c y 4 i nt h ea n t i f a t i g u ei ng r a v e la n dc e m e n t ，l i m ec e m e n tf l ya s hg r a v e l s t r u c t u r eo nt h el o a dh i g h e rt h a nt h es e n s i t i v i t yo fc h a n g e s a b o v et h eb a s i cc o n c l u s i o n so fj i n i n g f o rt h es e m i r i g i dd e s i g na n d c o n s t r u c t i o nt op r o v i d ei n f o r m a t i o na n dg u i d a n c e k e yw o r d s ：s e m i r i g i dt y p eb a s e ；r o a dp e r f o r m a n c e ；s c o u r i n g ；f a t i g u e 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：f tl i ：枷年f 月衫e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 1 1 1 论文背景 直接位于沥青面层下、用高质量材料铺筑的主要承重层或直接位于水泥混凝 土面板下、用高质量材料铺筑的路面结构层称作路面基层。而采用无机结合料铺 筑的能结成板体并具有一定抗弯强度的基层称为半刚性基层( s e m i - r i g i dt y p e b a s e ) 。半刚性基层板体性强，有很高的承载能力、抗变形能力、抗冻性，可 就地取材、充分利用当地材料的特点使之在我国公路建设中得到广泛应用，半刚 性基层沥青混凝土路面目前已成为我国公路路面的主要结构形式。 我国自改革开放以来，公路基础设施建设开始发生了历史性转变，8 0 年代初 和8 0 年代末国家干线公路网和国道主干线系统规划先后制定并实施，使公路建设 有了明确的总体目标和阶段目标。公路建设在继续扩大总体规模的同时，重点加 强了质量水平的提高，高速公路及其他高等级公路的迅速发展，改变了我国公路 事业的落后面貌。2 0 世纪9 0 年代以来，是我国交通发展最快的时期，经过三个 五年计划，我国公路交通基础设施建设取得了长足的进步，实现了跨越式发展。 一方面但由于交通流量的增大和交通荷载的提高，从上世纪8 0 年代开始沥青 质量不高和数量严重缺乏的问题越来越制约着公路沥青路面建设的发展。虽然我 国的石化与石油部门为生产高质量的道路沥青进行了艰苦的努力，但是沥青的数 量远远不能满足快速发展的高等级公路建设的需要。近1 0 年以来大部分的道路沥 青不得不依赖进口，致使国内路用沥青及沥青混合料的成本已经超过国外发达国 家的水平。另一方面为了适应快速发展的交通运输需要，特别是适应汽车运输的 发展以超过公路建设好几倍速度的飞速发展，超限超载车辆的大幅度增加，并逐 渐成为公路的“第一杀手 的现实情况，设计、建设、施工等各方面对半刚性基 层的厚度、强度要求又进一步提高心卜h 1 。为有效降低工程造价，在将沥青路面的 承重层定位在半刚性基层上，沥青面层只起到表面功能的作用，以及总体“强基 薄面 方针下，采用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定粒料作为基层的半刚 性基层沥青路成为我国沥青路面的主要结构形式。 1 1 2 研究意义 从1 9 9 7 年开始，山东省济宁市在国省道建设中开始全面使用半刚性基层结构， 取得了良好的社会效益和经济效益，而且施工技术日趋完善。但是通过对济宁地 区白九十年代以来陆续修建的多条应用各种类型半刚性基层的路面的调查发现， 经过一段时间的使用后，这些路面的实际使用状态评价已呈现出明显差异。各类 型路面损坏形式也不尽相同，出现了不规则的纵向裂缝、规则或不规则的横向裂 缝、以及唧浆等几种损坏形式。这些病害不仅加大了早期养护工作量和养护成本， 而且极大的影响了沥青路面的正常使用和有效寿命陆1 。国内外研究普遍认为这些 损坏及状态差异的起因有的与结构类型和配比有关；有的与基层的强度有关：有 的与半刚性基层的温度收缩、干缩、水稳定性或抗冲刷性能有关。因此，对一个 合理的路面结构设计来说，不仅半刚性基层的强度要符合要求，而且还要综合考 虑地区自然条件对其收缩性、水稳性、抗冲刷性的影响，从而更加全面地认识和 把握半刚性基层材料的路用性能。 对国内部分高等级公路路面结构的分析对比表明，半刚性基层是我国沥青路 面最主要的结构类型。同时，不同设计人员所提出的结构组合相差较大，甚至， 对同一条路，不同设计单位设计的路面结构相差也很大。因此，根据不同地区的 自然和社会环境，结合设计与施工经验提出适应不同地区的典型结构具有现实意 义。在济宁地区公路工程建设中，先后较多的采用了水泥粉煤灰碎石、水泥石灰 粉煤灰碎石和水泥碎石的结构，但是由于各个项目的实施条件和交通条件的不尽 相同，造成了在工程竣工后出现的问题在近似类型路面结构中难以直接比较，也 不能仅仅根据路面使用状况的差异比较各种半刚性基层的优劣。本论文希望通过 对济宁地区目前工程实践中常用的不同类型半刚性基层进行试验分析和评价，深 入地了解半刚性材料，特别是半刚性基层沥青路面中半刚性基层的路用性能，从 而为济宁市半刚性基层沥青路面的设计、施工提供指导。这对于进一步完善本地 区的路面结构设计，提高路面质量和使用寿命，建设经济高效的国省道干线公路 和城市道路都具有十分深远的意义。 1 2 国内外半刚性基层的研究及应用概况 1 2 1 水泥碎石研究现状 1 国内研究状况 半刚性基层材料的收缩类型主要有干燥收缩和温度收缩。干燥收缩就是半刚 性材料内部水分损失导致材料的体积收缩现象；温度收缩是材料在较大温差和温 2 差反复作用下产生的体积收缩现象。其中，干燥收缩在国内外均有一定的研究。 国内一般指出，半刚性基层材料的干燥收缩性能主要是受土质情况、压实度和含 水量等因素的影响。减少于燥收缩应变的措施有：用塑性指数较低的土、掺加一定 的集料和降低含水量等。 张洪华通过对水泥稳定细粒土、水泥稳定中粒上和粗粒土的温缩性的研究认 为： ( 1 ) 稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系数； ( 2 ) 影响稳定粒料土温缩系数的主要因素有粒料土中粒料或土的含量； ( 3 ) 水泥剂量对水泥稳定粒料土的温缩性影响显著； ( 4 ) 在4 种半刚性基层材料即石灰土砂砾，悬浮式石灰粉煤灰粒料、密实式石 灰粉煤灰粒料和水泥砂砾中，水泥砂砾的温缩性最小。 长安大学张登良教授等对几种半刚性基层材料分别在饱水状态、最佳含水量 状态、半风干状态、风干状态和烘干状态五种不同状态做了电测试验。在试验过 程中不同含水量试件都受到封闭，以保持含水量不变。得出如下结论： ( 1 ) 对于烘干试件，温缩系数随龄期增长而不断增大，初期增大较快，后期增 加较慢。 ( 2 ) 温度收缩最不利情况是：接近最佳含水量状态和在o 一1 0 温度区间。 ( 3 ) 封闭状态下各种半刚性材料温缩系数明显小于自由状态下的值。 河北省交通规划设计院做了二灰土及石灰土温缩试验，得出一些结论： ( 1 ) 温缩应变值。随温度下降而上升。 ( 2 ) 对于二灰土，随石灰粉煤灰比例增加二灰土温缩系数减小。 ( 3 ) 石灰土温缩性能随石灰剂量增加而减小。 ( 4 ) 二灰土混合料温缩系数a 。多数在一5 一l o 温度区间很快增长，少数 0 一5 温度区间增长很快。 重庆交通学院杨锡武、梁富权等认为，应综合考虑混合料的强度、施工操作 性和经济性。粒料比例除影响混合料强度外，还影响其收缩特性，粒料比例过大 则施工中易出现离析现象，粒料比例太低则容易产生收缩裂缝，因此确定水泥( 石 灰) 粉煤灰混合料中粒料的最佳比例范围，对保证其强度和良好的抗收缩性是必要 的。综合粒料比例对强度的影响，以及实际使用中粒料的比例经验，水泥 石灰) 粉煤灰混合料粒料最佳比例范围是7 0 左右。这个比例既保证混合料具有足够强 度，又使混合料具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝卜n0 1 。 2 国外研究状况 美国g e o r g e ( 乔治) 和澳大利亚r e 洛林斯对水泥碎石基层干缩特性作了 较系统的研究。根据g e o r g e ( 乔治) 的试验，由于水泥水化作用导致混合料水分减 少而产生的收缩量占总收缩量的1 7 左右。半刚性材料产生体积收缩的程度或干 3 缩性( 干缩应变和平均干缩系数) 的大小与下述因素有关：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 5 m m 的细土含量和塑性指数、小于0 0 0 2 m m 的粘粒含量和矿物成分、制作( 室内试件) 含水量和龄期等。澳大利亚r 电略林斯的观点基本与g e o r g e 的一致。同时，r e 谘 林斯还指出外加剂对水泥碎石基层的干缩特性有一定的影响，使用的外加剂主要 是膨胀剂或减缩剂等。 美国密西西比州曾在水泥砂粘上基层一部分试验段完工后一个星期才铺筑沥 青表面处治，在此期间试验段己完成开裂，一年半后的调查显示有一定的效果。 匈牙利也做过类似的成功试验路。 波兰的道路工作调查研究表明：水泥稳定基层内产生的裂缝与基层施工时的 温度和年温度梯度或多年的温度梯度有密切的相关性，在高温季节施工的水泥稳 定基层经过冷季节后产生收缩裂缝，而在低温条件下施工的水泥稳定基层经过热 季节后却产生膨胀性的裂缝。因此应该根据当地的气候条件，合理安排基层的施 工时间1 1 卜【1 引。 1 2 2 二灰碎石研究现状 1 国内研究状况 我国从6 0 、7 0 年代开始把二灰碎石应用于路面基层，历经几十年的工程实践 检验，现已成为我国使用最为广泛的两种半刚性基层材料之一。二灰碎石基层的 使用过程，也是人们对其组成及结构认识的深入过程，有关二灰碎石基层材料的 配合比设计及路用性能指标，随着施工机械的改进及施工方法的提高，也在不断 的变化，日趋完善。 进入8 0 年代后随着交通量的增加，为了推广具有较高强度的石灰粉煤灰稳定 粒料基层结构，国家和交通部分别于“七五 和“八五 期间列项重点研究，并 取得了很多成果。但在此期间的二灰稳定类基层结构也有着明显的缺陷，这就是： 集料的大粒径、无级配以及混合料拌和摊铺工艺水平低下，从而造成了路面基层 结构的平整度、均匀性、强度和耐久性欠佳。以大粒径集料为骨架的二灰混合料， 难以采用机械拌和、摊铺的施工工艺，也就无法适应高等级公路路面基层的需求。 为了减少二灰类基层混合料的收缩量，人们开始采用具有一定级配的集料颗 粒，且集料在混合料中所占的比例也有所增加，并采用强制式拌合机加强混合料 的拌合，采用重型压路机加大成型压力，以形成性能良好的嵌挤式二灰类基层， 希望能够达到显著降低二灰类基层收缩量的目的。 同济大学林绣贤教授基于8 0 年代实践经验提出如下观点：针对石灰粉煤灰或 水泥石灰粉煤灰碎石类，其材料组成可采用填充理论，同时还需解决石灰粉煤灰 4 的合理比例。他认为：首先，集料的最大粒径d 以不大于结构层厚度之一半为原则； 其次，此类结构中既要充分发挥无机结合料的稳定作用，又要使填充料有充分压 实的机会，因此集料刚好靠拢。密实的无机结合料稳定材料填充于骨架空隙中。 骨料太多，无机结合料填充料不能充分压实，总容重虽大，但强度不能发挥；骨 料太少，则骨料悬浮于无机结合料稳定材料中，骨料不起作用，性质仍与无机结 合料稳定类接近，刚度大、干温缩大、易于开裂。因此骨料的合理含量要根据实 际材料计算，骨料空隙部分即为密实的结合料含量。关于石灰与粉煤灰比例，以 1 ：3 1 ：4 为最好，但石灰在混合料中含量也不得低于5 。 随着重型振动压路机在道路施工中的应用，哈尔滨建筑工业大学王哲人教授 提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。他认为以前的二灰碎石结构模型概 括为“松排骨架，紧密填充，而当时基层施工都是采用静态碾压，在室内一律 采用击实或加压成型。因而在二灰碎石中集料的用量，在一实方混合料中最多为 一松方，压实后的棍合料，集料刚刚靠拢而不密实，作用不是很明显。 西安公路学院张登良教授指出，半刚性基层的开裂是由于行车荷载与半刚性 基层材料的收缩双重作用引起。所以，抗裂设计也应包括力学强度和抗收缩开裂 两个方面的指标要求。由于增加粒料含量可有效地提高半刚性材料的抗温缩和干 缩性能，所以，最佳配合比设计无疑是提高半刚性基层抗裂能力的主要措施之一。 最佳配比选择的基本原则是根据环境条件、调查资料，确定该地区的基层材料以 何种收缩为主，作为确定配合比设计的依据。但所选取的配比首先应满足力学强 度的要求。其抗裂试验结果表明，增加集料含量能较好地提高二灰类半刚性材料 的抵抗温缩开裂的能力，但集料含量过大，其提高抗温缩开裂能力的程度就不很 显著。通常情况下，集料含量在7 5 左右时，具有最佳的抗温度收缩开裂的能力。 在此报告中提出的综合考虑力学强度和收缩性能的配合比设计方法，摒弃了单一 追求强度指标而忽略收缩性能的缺点，是值得肯定的n 4 卜n 引。 2 。国外研究状况 二灰碎石混合料属半刚性材料，以其整体性强、承载力高、工程造价低，同 时也能解决环境问题等优点，早在2 0 世纪5 0 年代，己在欧美国家作为筑路材料 被开始使用，且呈稳定增长的趋势。经历了7 0 年代一场能源危机之后，西欧各国 加快了对粉煤灰研究利用的步伐。在此期间对二灰碎石混合料在道路基层修筑中 的应用、设计与施工工艺等力一面做了大量的研究工作，并将研究成果应用于道 路、机场跑道、停车场等工程的半刚性基层的修筑，取得了良好的效果，并制定 了相应的使用规范。 1 9 6 4 年，a h e r z o g 、r b o c k 研究了影响二灰稳定土强度的一些因素： 1 9 7 6 年，r s a n d r e s 研究了影响石灰、粉煤灰碎石混合料耐久性的一些因 素； 5 1 9 8 8 年，b r a a k o f o 通过对二灰稳定土无侧限抗压强度的室内试验，得出 最佳的石灰和粉煤灰含量； 1 9 8 8 年，b a p k a l ，g o k h a n 对二灰稳定土进行短期高温养护和低温长期养护的 试验，得出了两者之间得关系，用短期、高温养护条件下的实测值来预测设计值； 美姆下迈斯拉曼等人对石灰粉煤灰材料的热膨胀性作过研究，并认为硬化 后的l f a ( 石灰、粉煤灰、骨料) 材料的热膨胀系数主要受这种材料中与骨料含水 量的影响，当含水量相近时，典型的热膨胀系数与水泥混凝土的大约相同，约为 a = 6 x l o 。6 ： 美国a s t m 中对二灰碎石混合料的质量，采用养生后的强度和耐久性两个指标 来评价。 纵观上面所列国内外的各种二灰类基层组成结构的观点，可以看出随着人们 对二灰类基层组成结构和路用性能认识的深入，并且随着施工机械的改进和施工 工艺的提高，二灰碎石混合料正以前所未有的速度大量应用于我国道路工程的生 产实践中。由最初应用于轻交通的石灰粉煤灰混合料，发展到具有悬浮结构的二 灰结石，且随着使用要求的提高，采用具有一定级配的集料取代了单粒级粒料。 目前由于重型振动压路机的使用，使得二灰碎石混合料中的粗集料颗粒由以前的 松散排列逐步向骨架密实结构过渡n 们叫2 引。 1 2 3 半刚性基层的应用 1 国外半刚性基层的应用 半刚性材料作为路用材料的历史由来已久，但大量采用这么多种类型的水硬 性结合料处治粒料和处治土做不同等级道路的基层或底基层还是近三四十年来的 事。像美国、日本、法国、德国、意大利、瑞典、前苏联等许多公路交通极为发 达的国家，在设计和建设高速公路时都较多地采用了半刚性材料作为路面结构的 结构层之一。所不同的是，不同的国家因其交通组成不同、地理气候条件不同、 材料资源不同、设计经验或方法不同等因素，使得采用的半刚性基层的类型与厚 度也不大相同( 表1 1 ) 。 目前国外干线道路上使用的基层的类型、结构有以下特点： ( 1 ) 主要采用结合料稳定的粒料( 包括各种粗粒土和中粒土) 做基层。稳定细 粒土( 如水泥土、石灰土等) 做底基层，有的国家只用作路基改善层。 ( 2 ) 使用最广泛的结合料是水泥，石灰使用得较少。当地有条件时还使用当地 的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、矿渣粉等。例如，法国采用矿渣稳定 砂砾、石灰粉煤灰稳定砂砾和火山灰稳定砂砾等材料。 ( 3 ) 一些国家在高等级公路上因诸多因素的差异所采用的路面结构形式和厚 6 度有较大差别卜2 钔。 表1 1部分国外半刚性基层沥青路面结构表 国家面层及厚度( a m )基层材料及厚度( c m )备注 日本2 0 3 0 水泥碎石，3 0 2 0 法国3 + 4沥青碎石( 1 6 ) + 水泥处治( 1 0 - - , 3 5 ) 荷兰 4 + 4沥青稳定砂砾( 1 2 1 8 ) + 水泥稳定砂砾( 1 5 - 一 德国4 + 3 + 5 沥青碎石( 1 8 ) + 级配砂砾( 1 5 )另有防冻层 意大利 3 + 7 沥青碎石( 1 5 ) + 级配砂砾( 3 5 )另有砂垫层 瑞典 5 + 7 5 水泥砂砾( 1 8 ) 南非 1 7 5 水泥砂砾( 3 0 ) 2 国内半刚性基层的应用 我国从1 9 5 4 年开始在公路上应用石灰土( 半刚性材料的一种) 做基层材料。 在约3 0 年期间里石灰土基层是我国等级公路上的主要基层类型。部分地区还采用 了泥灰结碎石作为路面基层。由于此期间我国道路大多等级不高，交通量不大， 而公路投资也由于国家财力的限制相对有限，因此，这些以石灰为结合料的半刚 性基层材料得到了广泛的应用并取得了较好的使用效果。在7 0 年代中期，公路上 开始使用水泥稳定材料基层，到8 0 年代逐渐推广，至今已成为我国公路主要基层 材料之一。最早将石灰粉煤灰稳定土基层做为路面结构层的是上海市，时间是 1 9 6 7 年。其后由于资源问题和对该材料了解不充分的原因，并未大量推广。1 9 8 4 年，我国第一条高速公路一一京津塘高速公路设计时，采用了石灰粉煤灰稳定粒 料做为半刚性路面基层。随着对这种材料优越性了解的加深，近十多年来，在粉 煤灰资源丰富的地区，用石灰或水泥粉煤灰稳定土和粒料做路面的基层和底基层 也应用得越来越多。 半刚性基层目前已是我国高等级路面所使用的最主要的材料类型。具体到每 一条道路上的材料选择，也只是根据设计要求的强度值，结合当地料源及经验来 确定半刚性基层材料的类型与配合比，而同样影响整个面层使用质量、寿命等路 用效果的其他路用性能，比如基层材料的抗拉强度和变形问题；冲刷、唧浆；收 缩开裂；水稳性和冰冻稳定性等半刚性材料的许多其它路用性能，至今在规范内 却仍未作什么明确要求和指标规定，而实践证明这些性能对整个路面的使用也起 到了非常重要的作用。因此在基层材料选择时半刚性基层评价体系不完善，这是 造成当前许多路面病害产生的诸多原因之一。从我国半刚性基层使用效果的调查 和分析中可以看出，全面分析评价半刚性基层的路用性能，而不是单纯以强度这 7 一个指标来确定材料种类和配比是未来选择材料时的大趋势。 表1 2我国近期修建的高速公路沥青路面结构 路线名称沥青层厚度基层类型与厚度( c m )底基层类型与厚度( c m ) 广佛 1 1 水泥碎石或( 2 5 ) 或水泥石屑( 3 1 ) 水泥土( 2 5 2 8 ) 京津塘 2 3 水泥粒料或二灰碎石( 2 0 ) 石灰土或水泥土( 2 5 沈大 1 5 水泥砂砾( 2 0 ) 京石 1 2 二灰砂砾( 1 5 )石灰土( 4 0 ) 济青 1 5 二灰粒料( 2 4 )石灰土或二灰土4 2 ) 沪嘉 1 7 二灰碎石( 4 6 ) 砂砾( 2 0 ) 莘松 1 4 二灰碎石( 4 4 )砾石砂( 1 5 ) 沪宁1 6二灰碎石( 3 0 )二灰土( 3 0 ) 广佛 9 水泥碎石或( 2 5 或水泥石屑( 3 1 ) 水泥士( 2 5 2 8 ) 3 国内外半刚性基层应用的比较 从上面的分析可以看出，半刚性基层沥青路面是许多国家常用的一种路面结 构。由于其初期投资较小，在今后相当长的一段时间内，特别是在发展中国家会 继续得到广泛使用，因此不能以这种结构有不可避免的缺陷而全盘否定。但国内 外对半刚性基层的使用存在着诸多不同乜朝叫2 9 1 。 ( 1 ) 设计理念不同 国外通常将半刚性基层的作用定位于改善和加强路基，用在路基不好的地方， 尽管也起到承重层的作用，但不是作为主要承重层来对待。我国路面设计时，沥 青层厚度确定的随意性很大，在根据经验确定沥青面层厚度和路基的基本参数后 计算基层或底基层的厚度。而国外多半是假设半刚性基层的厚度，使基层达到改 善路基强度符合规定要求，然后计算确定需要的沥青层厚度。也就是说沥青层才 是真正的承重层，路面破坏时，必须保证基层以下不被破坏，如果需要维修只需 对沥青层进行维修就可以了。 ( 2 ) 路面设计采用的力学指标不同 在我国，采用表面弯沉和层底拉应力两个指标，由于规定层间的界面条件按 连续状态设计，各层的拉应力几乎不起控制作用，表面弯沉几乎成了路面设计的 唯一指标。为适应不断增长的交通流量和重载车辆，导致设计弯沉值越来越小， 半刚性基层的强度越来越高，开裂越来越严重，排水越来越困难，路面损坏越来 越快的恶性循环。在国外，除了老路评定和检验施工均匀性很少使用弯沉指标， 按照弹性层状体系理论设计路面结构时，通常采用土基压应变和底层拉应变两个 8 指标。 ( 3 ) 应用场合不同 在许多国家将半刚性基层沥青路面规定主要适用于中轻交通的沥青路面，究 其原因主要是因为半刚性基层不可避免的会出现开裂，在交通量不大的路段可以 对出现的裂缝进行及时的维护和修补，由于造价较沥青类基层低，因此适用在非 重要和中小交通量的道路上。而在我国，无论多大的交通量，无论何种条件，几 乎千篇一律的采用半刚性基层沥青路面，显然是不合理的。 1 3 研究的主要内容及技术路线 1 3 1 研究的主要内容 本论文根据山东济宁地区公路建设发展状况，以济宁地区公路路面基本形式 和主要问题为依据，研究三种半刚性基层材料的几个重要路用性能，具体内容主 要有以下几方面： 1 各类半刚性材料的力学性能研究一一由于基层的强弱与好坏对整个路面特 别是沥青路面的强度、使用质量及寿命有着十分重要的影响，因此，作为基层必 须具有在预定设计标准轴次反复作用之下，不会产生各种强度破坏和形变破坏的 能力，因而基层首先必须有足够的强度与适宜的刚度。 2 各类半刚性材料的耐久性能比较一一因各种原因形成的面层裂缝，为水进 入基层内部提供了通道，当进入基层的水不能及时排除时，在行车荷载的作用下 就会在基层内部形成对细料的冲刷与唧浆现象，导致了路面的进一步破坏，为了 提高路面使用寿命，需要对比分析济宁现有基层相应的抗冲刷能力。同时结合济 宁市自然气候条件应分析比较各类半刚性材料的抗冻性能。 3 各类半刚性材料的收缩性能比较一一由于现在路面的许多开裂是由基层裂 缝向上反射而产生的，所以减少基层的各种裂缝就会大大减少面层的反射裂缝， 这一部分针对引起基层开裂的主要因素进行研究，分两项内容：a 温度收缩，主 要测试混合料由于温度降低而产生温度收缩的程度；b 干燥收缩，主要测试混合 料由于水分减少而产生干缩的程度。 4 基层材料的抗疲劳性能特点分析一一在交通量不断增加的状况下，现有基 层耐久性的优劣同样是一个重要的技术指标。通过对济宁地区几种常用基层类型 的抗疲劳性的对比分析，比较不同类型基层耐久性的差异。 9 1 3 2 论文研究的技术路线 1 半刚性材料的选取 经过调查，近年济宁地区高等级路面中半刚性基层常用类型主要有以下几种： ( 1 ) 水泥稳定碎、砾石；( 2 ) 水泥粉煤灰稳定碎、砾石；( 3 ) 石灰稳定碎、砾石土； ( 4 ) 石灰、水泥稳定碎、砾石土；( 5 ) 石灰、水泥、粉煤灰稳定碎、砾石等。 此次研究在具体选择材料时，首先以济宁地区基层使用较为普遍的水泥稳定 类作为主要的研究对象。由于当地拥有丰富的粉煤灰资源，从利用工业废渣、改 善路用性能和经济节约等角度出发，同时在相应配合比中加入一定量粉煤灰后进 行对照分析。其中包括：单独用水泥稳定；用水泥加粉煤灰稳定：用水泥、石灰 和粉煤灰综合稳定。具体采用以下三种半刚性材料作为研究对象： ( 1 ) 水泥碎石； ( 2 ) 水泥粉煤灰碎石； ( 3 ) 水泥石灰粉煤灰碎石。 本论文讨论的重点是结合料类型对结构性能的影响，因此试验用碎石按照公 路路面基层施工技术规范推荐的水泥稳定类和二灰稳定类的级配范围中值进行 筛分配比。 2 试验内容 ( 1 ) 基本力学方面主要进行不同龄期的无侧限抗压强度试验、回弹模量、冻融 劈裂、间接抗拉强度( 劈裂强度) 。 ( 2 ) 耐久性方面主要进行冻融循环强度试验和冲刷试验。 ( 3 ) 抗裂性方面主要进行温缩试验和干缩试验。 ( 4 ) 抗疲劳试验。 按照相关试验规范和规程，不同试验采用不同的试件外形和养生龄期。但在 济宁地区的工程实践中一般基层铺筑完成后约1 0 0 天左右即进入日平均气温低于 0 的冬季低温期，同时限于本论文实现时间的要求，试验中试件养生期以l o o d 为上限。 3 对三种类型基层材料各项路用性能的综合对比及分析 通过对三种半刚性材料综合性能的研究分析，合理评价了三种不同基层材料 的路用特点，提出其各自适用的条件和技术特点，为济宁地区公路建设的实际应 用和发展提供科学依据。 1 0 第二章济宁市半刚性基层应用现状 2 1济宁市自然条件 2 1 1 地理、地形、地貌 济宁市地处东经1 1 5 度5 0 分1 1 7 度3 5 分，北纬3 4 度2 8 分 - 3 6 度。南北 1 6 0 公里，东西1 2 0 公里，总面积1 1 万平方公里，总人口7 8 0 万。 济宁市地处鲁中低山丘陵和鲁西平原的交接地带，独特的地质构造，形成了 复杂的地貌景观，山地、丘陵、平原、湖泊夹杂相间。从总体上看，东部山区高 于湖西平原，纵向北升南降。基本以南四湖为界东高西低。而湖西平原又以西高 东低为特征。 从微地貌类型看，济宁市可分为山地丘陵、平原与谷地、湖泊和洼地。全区 仍以平原为主，面积7 3 5 万亩，占面积的6 5 5 左右，主要有湖西黄泛平原、中 部湖积平原和湖东山前倾斜平原、冲积平原、河谷平原。 山地丘陵面积为2 6 6 万亩，约占2 3 左右，山地丘陵以丘陵为主，低山海拔 一般在5 0 0 - - - 7 0 0 米之间，相对高度在3 0 0 米以上，低山外围的丘陵连绵起伏，面 积广阔，顶部多呈馒头状，缓波状起伏，山地、丘陵、谷地相间分布，是典型的 山地丘陵自然景观。 南四湖是微山、南阳、昭阳、独山四湖的总称，是全国十大淡水湖之一，也 是北方第一大淡水湖和山东省最大的湖泊，水面面积约1 1 9 万亩，占全市面积的 】o 6 。 2 1 2 水文特征 济宁市区域，地表径流直接受大气降雨的控制，其分布与降水分布相一致。 由于南来的水气受泰沂山的阻挡，降水云系在区域滞空时间长，降水量比省内其 它地区增多，雨量充沛，地表径流多，河流纵横，水资源较为丰富。总量4 9 0 7 亿方，其中地表水3 0 3 7 亿方，地下水1 8 7 亿方。降雨受地形和季节的影响明显， 时空分布不均匀，总体趋势是自西向东、由南而北递增，山区多于平原。 降雨年际变化大，丰枯交替，旱涝不匀，年内分配极不平衡，径流总量的8 0 集中在汛期的6 9 月。 2 1 3 气象 济宁地处山东半岛西南腹地，大部分位于淮河流域，是我国东部暖温带季风 型大陆性气候。一年四季分明、冷热季和干湿季区别明显。春季气温回升快，风 多雨少，气候干燥；夏季高温多雨，雨量充沛集中，雨热同期，常有大风、暴雨、 雷击、山洪等灾害天气，秋季天高气爽，日照充足，少有阴雨连绵天气，昼夜温 差较大，冬季寒冷干燥，雨雪量较少。 1 气温 年平均气温在1 3 5 1 4 度之间，一年中气温最高为7 月，月平均气温为 2 6 8 2 7 4 度，最冷在1 月，月平均气温为一0 8 一2 5 度。 2 降水 受地形和季风的影响明显，降水量分布不均匀，总体趋势是，由南向北递增， 山区多于平原，东部多于西部。 年平均降雨量一般在6 5 0 毫米 - - 8 5 0 毫米，雨量充沛。降水年际变化大，丰、 枯水年份雨量相差悬殊，1 9 6 4 年雨量为1 1 5 4 毫米，而1 9 8 8 年仅为4 0 1 2 毫米， 相差2 6 倍。季节分布上，大部分集中在6 - - 9 月份，占全年降水量的8 0 以上， 春季和冬季降水量稀少。 3 风 风向随季节变化明显，年平均风速3 米秒，风向多东南，频率为1 3 。一年 内春季多风，平均风速3 6 米秒，风向多东南，频率1 5 ；夏季平均风速2 9 米 秒，风向多东南，频率1 5 ；秋季平均风速2 6 米秒，风向多东南，频率为1 0 ： 冬季平均风速2 9 米秒，风向偏北，频率1 0 。 4 霜冻 全年无霜期一般约1 9 3 - - - , 2 0 6 天，霜冻一般在1 0 月中下旬出现。 5 湿度 年平均相对湿度为6 8 ，属半湿润地带。 2 1 4 气候特征总结 从以上介绍中可以看出，济宁市整体地貌呈平原微丘区特征，雨量充沛，水 资源较丰富，地表水和地下水均很多，但降雨年际变化大，丰枯交替，年内分配 也极不平衡。济宁地区受地形和季风影响，风向、风速、频率随季节变化明显。 因为地处山东半岛西南腹地，大部分位于淮河流域，属我国东部暖温带季风型大 陆性气候，一年四季分明、冷热季和干湿季区别明显。年平均气温1 3 5 1 4 度， 全年最高气温在7 月，平均气温2 6 8 2 7 4 度，最低气温在1 月份，平均气温一 0 8 一2 5 度。年平均相对湿度较大，属半湿润地区。 根据可见本地区修筑公路要求基层针对丰水期间要具有水稳定性，面对四季 分明的气候要有良好的抗收缩能力的特点。 2 2济宁市高等级公路路面结构调查 2 2 1 公路交通建设概况 改革开放以前，济宁市的公路曾和许多地市一样“晴天尘土飞杨，雨天泥泞 难行 ，所谓公路大多是一些坑坑洼洼的泥土路，沙石路，全市的公路密度仅1 0 多公里百平方公里，汽车行驶在这样的道路上时速仅有十几公里。进入8 0 年代， 公路建设成了市级领导最关心的问题，“七五中，济宁市新建水泥、沥青路5 7 4 1 公里，改造老油路1 1 3 0 9 公里，完成大中桥梁5 5 座，1 0 4 国道曲段改建成一级 汽车专用公路。 进入9 0 年代，济宁市为适应经济迅速发展的需要，把公路建设的重点放在了 提高干线公路技术等级和公路综合通过能力上，集中力量完成关系全市经济发展 全局的重点项目建设，逐步形成以高等级公路为骨架，多等级公路相配套的全市 公路网络。截至2 0 0 6 年底，济宁市公路通车里程( 包括国道、省道、县道、乡道 和专用路) 1 3 5 7 5 1 公里，公路密度1 2 7 1 公里百平方公里，其中国道4 7 7 4 公 里，省道1 0 1 2 7 公里。按技术等级分，高速公路1 8 2 6 公里，一级公路4 6 9 3 公里，二级公路1 4 1 3 6 公里。高级次高级路面铺装率达到9 8 8 。相比“十五 初，高等级公路取得迅猛发展，一批主骨干新建或改建项目相继竣工。全市公路 的整体服务水平有了显著提高。 从当地公路建设历程看，目前的济宁公路总里程已经达到一万三千多公里以 上，干线公路与支线公路基本成网，高等级道路从无到有已取得迅速发展。当然， 还存在一些问题，例如，总体公路技术等级不高，现有通车里程中，低标准的道 路占到近六成。此外，近几年车辆增长较为迅速，有些路段交通严重饱和，加上 车辆超载严重，对路面结构层破坏较大，造成路用寿命缩短、养护费用增加等一 系列问题。1 济宁交通部门已经制定了未来的“十一五 发展规划，现在存在的许 多问题将来都会逐步得到改善。 2 2 2 济宁地区高等级路面结构分析 截至2 0 0 6 年底，济宁公路中高级次高级路面铺装率已达到了9 8 8 。其中沥 青类面层加无机结合料稳定层的结构形式占绝大多数，半刚性路面结构成为绝大 1 3 多数工程的路面结构形式。表2 1 统计了最近7 年在济宁地区国省道重点建设工 程中所采用的上路面层结构。 在工程实践中，济宁地区已经在不同的项目中采用了不同的半刚性基层结构 类型，并拥有的相当丰富的经验和感性认识。其他例如水泥土碎石、水泥稳定砂 砾碎石等结构类型在非重点工程中也有少量应用，表2 1 不再示出。综合稳定类 的路面结构特别是水泥石灰粉煤灰碎石这种类型，由于配比复杂和施工工序繁琐， 在工程实践中应用相对较少。但是随着工程实践的深入，在配比中逐渐减少了粉 煤灰和水泥的用量，其路用性能得到一定的改善，在最近的工程实践中也有一定 的应用。同时随着公路建设投入的增加和交通流量的迅速增长，在半刚性基层沥 青路面结构中，沥青面层和半刚性基层的厚度都在增加，并取得了较好的使用效 果。 表2 1 济宁地区重点工程上层路面结构形式一览表 竣工沥青面层 基层 工程名称 时间厚度( c m ) 厚度及类型 设计配比 济微线微山段 1 9 9 96 1 6 c m 水泥粉煤灰碎石 5 ：5 ：9 0 济鱼线一期 1 9 9 971 6 c m 水泥石灰粉煤灰碎石5 ：2 l ：7 0 ：4 岚济线济宁至邹城段 1 9 9 98 1 8 c m 水泥粉煤灰碎石 6 ：1 3 ：8 l 肥梁线梁山段 2 0 0 05 1 8 c m 水泥石灰粉煤灰碎石 4 ：1 9 ：7 3 ： 4 济微线山拖北段 2 0 0 06 5 1 6 c m 水泥粉煤灰碎石 5 5 ：9 5 ：8 5 岚济线二期 2 0 0 08 1 8 c m 水泥粉煤灰碎石 5 ：8 ：8 7 1 0 4 国道微山段 2 0 0 16 1 6 c m 水泥粉煤灰碎石 5 ：5 ：9 0 1 0 5 国道金乡西环段 2 0 0 11 0 1 8 c m 水泥粉煤灰碎石 5 ：1 0 ：8 5 蒙馆线汶上东段 2 0 0 26 1 6 c m 水泥碎石 5 ：9 5 1 0 5 国道金乡南段 2 0 0 27 1 6 c m 水泥碎石 4 5 ：9 5 5 济鱼线二期 2 0 0 2 5 51 6 c m 水泥粉煤灰碎石5 ：6 ：8 9 1 0 5 国道济宁段 2 0 0 21 0 1 8 c m 水泥粉煤灰碎石 5 ：8 ：8 7 1 0 4 国道邹城绕城线 2 0 0 3 1 01 8 c m 水泥石灰粉煤灰碎石 3 ：5 ：1 5 ：7 7 3 2 7 国道曲阜北环线 2 0 0 3 1 01 8 c m 水泥碎石 5 ：9 5 3 2 7 国道曲阜至充州 2 0 0 4 1 02