半刚性基层沥青路面早期损坏机理及对策
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【摘要】：本文分析了半刚性基层沥青路面作为高等级公路路面结构形式在我国得到广泛采，然而半刚性基层沥青路面早期损坏问题已成为困扰我国公路建的重要问题,本文针对我国半刚性基层沥青路面存在的主要早期损坏形式进行了分析,提出了相应的防治对策。
近年来，我国高速公路沥青路面早期损坏问题已经成为困扰我国公路建设快速发展的重要问题。在已经建成的高速公路中，90％以上的高速公路为沥青路面，10％约为水泥混凝土路面，而在高速公路沥青路面中，几乎100％采用了半刚性基层结构，因此可以说半刚性基层沥青路面已经成为我国高速公路沥青路面的主要结构形式。面对高速公路沥青路面早期损坏问题，如何提高沥青路面的长期使用性能，解决或缓解沥青路面早期损坏是当前高速公路建设的头等大事。
一、国内现有沥青路面主要早期损坏形式
归纳总结表1.1中高速公路沥青路面结构早期损坏的主要类型有：开裂损坏（横向开裂、纵向开裂、网裂等）、水损坏、车辙、坑槽、坑洞、沥青混合料的松散、泛油。从以上汇总的半刚性基层沥青路面结构早期损坏形式来看，半刚性基层沥青路面结构的水损坏、车辙和开裂情况较普遍，几乎涵盖了所有省区，其中，沥青路面结构的开裂包括了多种形式的开裂，有横向开裂，纵向开裂、网裂、龟裂等形式，其中纵横向开裂和龟裂情况较严重。水损坏也包括两种形式的损坏，一种是由于采用的沥青混合料类型透水或压实度不够导致水进入路面结构内而形成水损坏；另一种情况是由于沥青路面表面裂缝较多，导致水进入路面结构内部，形成严重的路面结构的损坏。车辙损坏是一种普遍的早期损坏形式，在每个省区的高速公路上都有发生，一般路段上普遍出现车辙，在上坡路段及弯道车辙更加严重。
二、半刚性基层沥青路面结构早期损坏机理及对策
近年来，我国纵多路面科研机构对半刚性基层沥青路面结构的早期损坏问题进行了系统研究，初步得到半刚性基层沥青路面结构早期损坏的机理。
1、半刚性材料的全寿命过程与水损坏机理及对策
半刚性材料的干缩特性使得半刚性材料在强度形成时就在结构内部形成了微裂缝，这些裂缝会随着交通荷载的重复作用和自然条件的变化而不断扩展，最终碎裂成为碎块。因此，半刚性材料的全寿命过程就是微裂，扩展开裂一直到碎裂。其中，裂缝的扩展直接和交通荷载的大小以及环境的潮湿有关，要有效延长半刚性材料的长期使用寿命，就需要对其承受的交通荷载进行分析，并选择强度和厚度。
由于半刚性材料的开裂，使得半刚性基层沥青路面结构对水的稳定性变的非常敏感，当水通过不同的途径进入半刚性材料内部后，水会软化半刚性材料的细集料并形成泥浆，降低整个路面结构的整体强度，在交通荷载作用下，这些泥浆会从裂缝或空隙大的地方唧出，加剧了路面结构的损坏，因此，开裂是路面结构一种致命的损坏形式。从半刚性基层沥青路面结构的水损坏表现形式看，主要存在两种不同形式的水损坏。
一种是由于半刚性基层强度不足，路面出现较大弯沉，导致沥青面层开裂，当路表水由沥青面层裂缝进入半刚性基层后，由于半刚性基层的软化而造成强度失稳，从而在路面结构表面形成坑槽、网裂和沉陷，沪宁高速公路、贵遵一级公路、贵新高速公路、京珠高速公路粤境南段、广惠高速公路、南京绕城公路等改扩建时对原路面状况的调查，这种类型的水损坏普遍存在。而且以外侧车道为主，车道数越多，外车车道损坏情况越严重。经实地观察，发现道路交通量远远大于原设计阶段预测的交通量，同时发现由于轻型交通主要靠内侧驶，而重型交通主要靠外侧行驶。内外侧车道的实际累计轴载次数是不同的，而且随着车道数的增加，内外侧车道实际累计轴载次数的差别也趋于扩大。因此，在路面设计中不仅应合理的分析道路交通量外，对多车道高速公路还应考虑不同车道的轴载差别。
另一种形式是由于半刚性基层材料强度过高，不可避免的在沥青路面表面形成反射裂缝，水沿着裂缝进入路面结构内部，造成水损坏。针对这种情况，需合理控制基层材料强度，如适当减少水稳类基层的水泥用量等。
2、半刚性基层沥青路面结构的开裂破坏机理
根据现行《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006，半刚性基层沥青路面结构设计指标为路面表面弯沉，同时辅以底基层弯拉应力验算。按照现行规范的设计模式，半刚性基层沥青路面结构的主要破坏形式应该是弯沉破坏和底基层的弯拉应力破坏。
实际上，在目前我国半刚性基层沥青路面结构的早期损坏形式中，结构的疲劳损坏还有其他表现形式。图2-1为经过足尺路面加速加载试验和路况调查得到的半刚性基层沥青路面结构破坏模式。
在交通荷载作用下，半刚性基层沥青路面结构的破坏分为两个阶段。
第一阶段：在交通荷载重复作用下，沥青层会产生车辙变形，沥青层厚度变薄，同时，沥青层与半刚性基层间的接触状态会由于施工质量的好坏而发生改变，由连续状态变为滑动状态，基层和底基层的层间界面也会发生变化，并在各层间产生磨蚀作用。而半刚性基层由于承受的荷载应力较大，微裂缝的扩展进一步成为较大的开裂，导致路面结构的整体强度降低。
第二阶段，在交通荷载作用下，沥青层会产生剪切疲劳开裂，半刚性基层的开裂进一步扩展，最终形成碎块，随之底基层发生开裂，直到路面结构完全发生结构性破坏。
因此，路面设计和施工中，加强层间粘结是非常重要的。
半刚性基层沥青路面结构的车辙也是一种必然现象，因为无论从沥青层承受的正应力还是剪应力分析看，车辙都是必然产生的。
近年来，国内半刚性基层沥青路面结构的车辙损坏问题非常突出。
沥青路面结构的车辙主要由三部分组成，一是在交通荷载作用下，沥青层进一步被压密，产生一定的塑性变形；二是在交通荷载作用下，因沥青层承受不了较大的剪应力而发生剪切变形；三是路面结构各层的累计变形叠加在一起形成车辙。
近年来，利用大量扩建项目实施的时机对原有道路路面进行调查并对调查结果进行理论分析，证明半刚性基层沥青路面结构的车辙实际上是一种必然产生的病害。图2-2和2-3证明了这种论断的正确性。
图2-2为路面结构的正应力分析图。从图中可以看到，在交通荷载作用下，荷载在路面结构内形成应力分布，沿路面结构深度方向应力越来越小，表面压应力最大，从理论上证明了沥青层压密车辙的产生是一种必然结果，因此施工时必须达到规范要求的压实度才能减少车辙的产生。
图2-3为半刚性基层结构内剪应力分布图。从图中可以看到，在交通荷载作用下，路面结构内的剪应力沿深度方向的分布与正压力不同，其最大值在4～7cm范围内较大，这个深度正好是中面层的位置，当沥青混合料的抗剪能力小于剪应力时，剪切变形必然发生。因此，要提高半刚性基层沥青路面结构的抗剪能力，中面层的抗剪能力是非常必要的。在路面设计中应选择抗剪能力较好的中面层材料。
三、结束语
路面工程作为公路的重要组成部分，路面质量的好坏直接影响公路使用寿命和运营成本。通过对半刚性基层沥青路面结构早期损坏的分析，有利于避免半刚性基层沥青路面早期损坏的发生。对于延长我国沥青路面使用寿命，减少后期管养成本有着重大的现实意义。
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