高等级公路半刚性基层几个问题的讨论

1.引言
以碎石（砂砾）石屑、砂和水加一定比例水泥拌和而成的半刚性基层（底基层的）在高等级公路的结构设计中占有重要比例，以浙江为例，近十年来，几乎所有的高等级公路路面结构设计中稳定层采用半刚性基层（底基层）结构。半刚性基层（底基层）的普遍采用是其良好的水稳性、必要的强度、适宜的工作性能和方便的施工工艺所决定的。
但是与对面层（水泥混凝土、沥青混凝土）的关注程度相比，人们对基层在设计上的要求及施工质量上的控制不够，例如：人们更关心沥青混合料的集料组成，而不太注重基层的材料质量；在配合比设计上，仅限于在试验时,掺配出满足级配曲线的混合料，而曲线的走向、集料的组成对基层品质的影响不甚明了；追求强度而忽视基层的工作性能；对采用的水泥标号、初终凝时间及熟料组成不够重视；施工的工艺控制状态较差；不重视养生，不注重对施工养生后的基层进行交通管制，缺少相应的防护措施，造成基层的损坏，直接影响其工作性能；特别是在赶工期间，往往为了工期牺牲了基层的质量，从而留下隐患。
另一方面，人们对半刚性基层品质、作用的讨论、认识尚有很大的局限性，面对基层施工中出现的问题没有采取切实可行的方法处理，例如对基层的固有缺陷（如开裂）认识不足，没有采取积极的补救措施。笔者在近些年的工程实践中，对半刚性基层的作用、设计和施工等方面有几点认识和思考，在此提出来讨论。
2.半刚性基层的强度
路面结构中的应力可分为压应力、拉应力和剪应力，从而对应地产生压应变、拉应变和剪应变。半刚性基层顶面面层结构的不同，基层所承受的主应力肯定不一样。现行规范中，对路面面板所受应力完全一致的标准和要求，在设计和施工中会引起较大的歧义，从而直接影响到基层的使用性能，这是我们要引起关注的问题。
2.1水泥混凝土路面的基层强度
水混凝土路面厚度设计理论是将路面结构看成是一个整体的弹性体，这里的关键所在是：在这个弹性体内，面板的模量和基层的模量可以相差很大，这是我们要求基层的强度应控制得较低的基础条件。路面板受到的是反复的动荷载，这种冲击动荷载被传递到基层表面时，基层会将一部分冲击荷载吸收传递，另一部分反弹回面板，当基层强度大时，其弹性模量变大，反弹回面板的冲击荷载变大，从而在面板上叠加了一个较大的反向力，加速面板的疲劳破坏。另一方面，半刚性基层在这一过程中也同样会受到来自面板的叠加荷载的反复冲击，当其结构均匀差、吸收荷载能力不足，而且其固有的抗变形能力不佳，就会导致基层的提前破坏，从而进一步导致面板的早期破坏。水泥混凝土路面施工已经向大型滑模摊铺机组化发展，但摊铺过宽的混凝土路面在强度形成过程中会随着徐变应变的减小消失而增加其内部应力，过宽的摊铺宽度造成约束形成过大，从而在混凝土板内形成较大的内应力，条件成熟时必定要释放，导致面板破坏，基层强度过高在客观上从外部增加了面板的约束，造成面板应力集中，诱导应力释放。
一种观点认为，当面板受动荷载反复作用产生弯拉应变，基层也会受到相应的应力影响，如果基层顶面的计算模量与面板的弹性模量相差太大时，基层抵抗面板的拉应变能力差，会过早破坏。如果单从这一点考虑是成立的，但问题的关键除了叠加反向能力、约束等的不利影响以外，基层的强度过大，必然导致裂缝增加，笔者在329国道（余姚段）一级公路路面基层施工中，就强度和裂缝的关系作了一个统计，分析可知，当基层（底基层）无侧限强度（7-8天）达到3.5Mpa以上时,裂缝开始明显增加,当基层(底基层)无侧限强度(7-8天)达到4.5Mpa以上时，一个月以后基本上出现了每5延m一道通裂缝，当然，裂缝产生的综合原因比较复杂，但基层强度提高会增加基层开裂的趋势是不容置疑的。基层裂缝的增加必然增加了因路面水渗入而发生唧浆的趋势，这同样是造成面板过早破坏的因素之一。
要抵御重车的冲击荷载，按刚性路面的结构理论是要进一步增加面板的弯拉强度，同时降低其抗压强度，这很难实践，所以更好的解决办法是增加面板厚度，使水泥混凝土路面的抗变形能力提高，基层主要受压应力及在面板的切缝处受剪，增加其品质的均匀性，降低强度，形成缓冲稳定层是最为关键的，同时通过在横缝处设置传力杆，可减少切缝处面板的剪应力对基层的破坏。这是我们今后在水泥混凝土路面基层的设计施工中，必须认真思考并付诸实践的问题。
2.2沥青混凝土路面基层的强度
有资料显示，通过对半刚性基层顶用不同厚度的沥青层的弯沉对比检测结果分析，证明沥青层面仅起功能性作用，而其厚度对半刚性基层路面的承载能力影响不大，即半刚性基层提供了几乎全部的承载能力，则此可见，沥青路面在行车的冲击荷载作用下，半刚性基层底面会产生弯拉应力，从而造成弯拉疲劳破坏；半刚性基层由于有一定的板体性和整体性，抵抗行车压应力的能力足够，基本上不会产生压缩变形。
显然，由于沥青路面的特点，基层的强度和厚度是保证沥青凝凝土路面耐久性的关键所在，我国目前的沥青路面设计方法就是以行车荷载作用下表面产生的垂直回弹弯沉确定基层的强度和厚度，现行规范中的基层无侧限强度已有要求，所以，沥青结构层中基层的设计主要是厚度设计，提高基层的强度对沥青路面来讲，是有益的，但同样的问题是随着强度的提高，基层开裂的趋势加大，这又对沥青路面更不利，因此，在适宜的强度下合理的厚度既经济，又是我们追求的目标。
3.半刚性基层的裂缝
半刚性基层在我国的实践时间不足30年，在其充分表现出优点的同时，它的明显固有缺陷也一直伴随其间，其中最主要的就是我们一再提到的开裂问题。
半刚性基层的开裂成因机理比较复杂，干燥收缩、温度收缩对于水泥为胶凝材料的基层而言应该是主导因素，塑性收缩发生在施工过程中和施工完成之后一段时间，由于半刚性基层混合料的密度较低，空隙率较大，再加上含水量较少，及容易在高温施工中发生蒸发速率大于泌水速率的现象，塑性收缩因此发生，但其表现的状况应与水泥混凝土的塑性收缩相异。
基层裂缝一般以横裂为主，随着时间的推移，这类裂缝都会通裂，当横较密集时（例如每5m一道），还会伴随出现纵向裂缝，这与成板理论有关；一般基层的宽度在11m左右，当出现每5m一道的横裂缝后，这块基层板就变成了横向的狭长板，长宽比失当，在这个狭长板的中间附近就会继续开裂出纵缝。许多人对于出现纵缝深表忧虑，认为路基有质量问题或基层有严重的施工质量问题，当然出现纵裂缝要警惕路面问题，但一定比例的纵向裂缝只是由于横缝导致的长宽比例失当诱发新的裂缝之故。
3.1材料对半刚性基层裂缝的影响
a、水泥早强水泥是施工单位愿意采用的，因为规范是按7天无侧限强度来描述基层施工质量的，但对于基层的品质而言，早强水泥在前期提供了过高过快的强度发展指标，使基层过早的塑化，同样的由于基层施工的宽度、厚度、长度都达到了一个很极端的状态,内部应力过大，这也是导致开裂的因素之一；水泥的用量增加除了使强度增加而贡献裂缝之外，过多的水泥也会增加化学收缩、自生收缩发生的趋势；水泥的初终凝时间更为重要，使这也有两面性：初终凝时间不够，会直接影响基层的施工质量，毕竟基层施工需要一定的工作时间才能完成摊铺碾压，但时间过长，水分散逸，水化热不能充分进行，未充分水化的水泥则成了开裂的诱因。
目前，尚未见更多水泥对裂缝影响的研究资料、报告，现行规范中提及了水泥用量的研究结果（水泥用量超过6%时开裂明显）被大家所认同，但事实上也不尽然，329国道（余姚段）一级公路基层施工中对水泥使用量的统计结果表明，当水泥的用量达到5%以上时，基层开裂出现高峰，这当然与不同水泥的品质有关系。另一个值得提及的问题是；现行规范又要求施工中的水泥用量不得低于其设计用量的下置信值，这为坚持水泥用量需高的人士提供了依据，浙江某工地的基层施工中，由于监理方坚持按下置信度控制水泥的最低用量，在Cv值较大的情况下，为了保证下置信值，水泥用量一度在6.5%--7.0%之间，造成基层裂缝严重，这是必须引起关注的。
b、石屑石屑在基层配合比设计中占有重要位置，但一般用在基层的石屑的质量令人担扰，0.075mm以下的比例很难保证在5%--7%以下；含泥量也偏大，这与石场的加工工艺有关，雨天采石加工也是个问题。在实际施工中，如果不采用0.075mm以下的石屑，施工中发现混合料的板结性不好，发糟，没粘性，碾压成型的基层表面松散，但裂缝调查发现基层裂缝很少。根据网上公布在京珠南高速公路施工中，某标段采用0.30mm碎石加砂掺配成满足规范要求的混合料施工基层，施工后一个月开始出现横裂缝，后来有一段基层采用0.3mm碎石加石屑施工，养生期间已开始出现近10m间隔一道的横裂缝，半月后，裂缝达到4.5延米一道，筛分结果得知0.075mm以下的粉料达到了8.7%。
通常人们认为采用石屑可以减少裂缝，采用河砂会增加裂缝，但实际情况表明细集料中对裂缝产生其主要作用的是0.075mm左右的材料，这与其有较大的线型膨胀系数有关，由于这类细料比表面积大，遇水膨胀，失水后收缩变形大，是造成裂缝的关键之一。
因此，采用较粗的石屑有利于改善基层的抗裂性。
3.2配合比曲线对裂缝的影响
基层的配合比设计中存在的主要问题是许多施工单位仅仅满足于在实验室里掺配出符合级配曲线的基层混合料，至于曲线的走向、形状很少有人去认真推敲。
我们在对329国道复线新建工程（余姚段）一级公路基层施工的实际配合比筛分记录对应的基层裂缝现场调查结果的分析中发现：
混合料的曲线光滑连续，对于减轻裂缝有益；
当粗集料（10mm以上）比例60%-65%以上时，裂缝有所降低（8延米一道）；
不同施工时间的混合料的曲线变异越小，裂缝减少；
可见注重混合料曲线的特点，采取有效的措施在施工中控制好混合料级配，是减少裂缝的途径之一。
3.3混合料拌和对裂缝的影响
由于稳定土厂拌均采用连续式的拌和设备，形成了先天性的不足：计量系统的误差较大，特别是水泥的计量精确；搅拌缸长度不够，通常的200-300吨/小时的厂拌搅拌缸长度不足2m，搅拌时间不够，混合料均匀性差；含水量的控制误差偏大，由于施工中的各类问题，不可能保证长时间的稳定的连续拌和出料，断断续续出料过程造成了配合比的误差大。在这样的条件下生产出来的稳定土材料由于较大的背离了设计配合比曲线，对于质量影响是很大的。
尽快淘汰较旧的厂拌设备，采用计量精度更高、产量在400吨/小时以上的拌和设备，也是改善抗裂性的保证。
3.4养生
养生对强度的增长有明显的益处，目前基层采用的养生方法通常是薄膜覆盖，但确实存在一些问题，我们在试验中发现，薄膜覆盖到第三天时，基层中的水分基本上丧失了（虽然掀开薄膜时看起来基层表面还是湿润的），一部分与水泥进行了水化反应，一部分被下承层吸附，还有一部分在空隙中散失，这时的强度尚未完全形成，所以覆盖薄膜养生效果在三天前作用最大；单纯洒水养生的效果较差，特别是天气炎热时，洒水养生很难达到要求。
互相弥补的方法是在前三天采用薄膜覆盖方式，第四天开始起膜洒水直到养生期结束。
比较理想的养生方法是采用可透气保水的土工材料进行覆盖并用水车保水，我们进行的一段实验效果极好，整个养生期覆盖的土工材料始终保持湿润，由于基层在养生期得到了良好保水，基层的质量稳定，裂缝在一段时间内很少发生，但这种养生的成本太高，在实际施工中，可以用吸水性较好的麻袋或废布材料代替，效果比较好。
3.5气候和结构的影响
太阳的长时间照射使裸露在自然环境下的基层容易开裂，值得注意的是在反复下雨天晴的变化中，基层裂缝更会快速发展，当雨水停留在未施工完毕的中央分隔带或沿裂缝渗到基层下面路基结构中后，被水侵害的路基就会直接影响到基层质量，产生裂缝。
329国道复线新建工程（余姚段）一级公路的一段基层在施工一段时间后，出现了纵横向裂缝密集现象，经分析是该段为一个纵曲线的凹变坡点处，雨季当中，大量路面水无法排出沿中央分隔带汇聚在凹纵曲线处渗透到路基中，原本施工质量得到保证的路基受水的影响膨胀变软，基层（底基层）随之发生破坏。
有人为了证明基层出现开裂不是路基的质量问题时，采用的裂缝处开挖断面，观察土基是否也发生了裂缝，这实际上毫无意义，无论是何种情况下，半刚性基层（底基层）发生开裂时想在土基上找到对应的裂缝都是徒劳的甚至有点愚蠢，除非基层被拉裂达几公分，因为路基的受压变形一般较，足以填补引不均匀沉降形成的结构缝隙，在基层上表现出来的裂缝，在路基上很难观察到。
4.透层和下封层（防水层）
沥青砼结构层与水泥稳定碎石半刚性基层的结合质量，是影响沥青砼路面使用寿命的重要因素之一，若两者之间结合质量不好，通车后易发生月牙形推挤裂纹，在荷载及雨水的作用下，造成路面破坏。有专家认为，透层油渗入到基层一定深度，会改善基层的抗水冲刷能力，减少渗透水对基层的破坏。因此，透层及下封层作为粘结沥青砼与半刚性基层的重要结构层是必不可少的；而透层材料能否渗入半刚性基层表面一定深度，增强基层的整体性并形成粘结介面最为关键。
目前，浙江省已推广高渗透力乳化沥青为透层油，这一新技术的开发利用，对于基层十分重要，完成基层施工需开放交通的段落，采用可渗透到基层10mm深的透层油能很好地保护基层不受破坏。
施工实践表明，洒布透层油开放交通一月以上的基层表面基本未受到损坏，这对于混凝土路面具有决定性意义，基层的平整度和细部的坑槽对面板的约束影响很大，许多基层在施工后由于开放交通出现局部破损、松散，在此基础上进行面板施工必然造成约束过大，不利于面板的徐变松弛过程的发生，从而使路面板的应力无法释放。
多年的施工实践表明，无论是水泥混凝土、沥青混凝土的半刚性基层表面都应在洒布透层油的基础上增加一层沥青下封层（防水层）。许多路面的破坏都是因为路面水渗入基层导致唧浆，当洗刨机洗切基层后，在未洗刨的基层断面结构中，可清晰地看到渗入基层的水分像泉水一样在断面渗出，说明渗到基层的水量相当大，沥青路面的起拱、唧浆、网裂都与此有很大关系。防止路面水渗入基层是提高沥青路面耐久性的根本问题。
水泥混凝土路面结构中在基层洒布透层油的基础上增加一层防水沥青封层更其独到的作用，这层防水层实际上起到了增加面板和基层之间滑动的趋势，这是我们一直追求的理想结构；另外，水泥面板切缝的防水问题一直是比较困难的，基层表面的防水层作为最后一部分就是因裂缝使水渗入基层，导致基层破坏进而导致面板板底掏空所致。
5.结语
水泥混凝土路面基层和沥青混凝土路面基层的品质指标不能没有差别，前者应该向缓冲稳定层方向发展。
半刚性基层的缺陷是存在裂缝，大量的调查显示，大多数的高等级公路基层存在每5m-10m发生一道横裂缝现象，有时会伴有纵裂，这种现象可以减少但无法避免，防止基层裂缝反射到沥青面层及防止因裂缝导致过早的水破坏发生使我们应注意的要点。
透层的采用可增强基层的抗水冲刷能力，使基层和沥青面层的结合更牢固，可以最大限度的保护基层开放加通后的质量。下封层（防水层）对于封闭基层裂缝有明显作用，而对于防止路面水渗入基层更是有显著功效。两者应该在浙江地区路面结构设计中予以考虑。