半刚性基层讲座-张宏超

1、2009年年7月月同济大学交通运输工程学院同济大学交通运输工程学院张宏超张宏超 博士博士 副教授副教授半刚性基层（半刚性基层（Bound BaseBound Base）技术背景）技术背景1 1，优点：强度高、造价低；优点：强度高、造价低；1 1。水泥稳定土；水泥稳定土；2 2。水泥、粉煤灰（石灰）稳定土；水泥、粉煤灰（石灰）稳定土；3 3。石灰稳定土；石灰稳定土；2 2，缺点：易开裂、易泛浆；缺点：易开裂、易泛浆；1 1。基层的横向收缩裂缝向上反射，形成路面对应位置的反射裂缝；基层的横向收缩裂缝向上反射，形成路面对应位置的反射裂缝；2 2。面层局部透水造成泛浆，进而导致局部沉陷；面层局部透水造

2、成泛浆，进而导致局部沉陷；3 3，其他类型基层，目前在高等级公路上都不可能取代半刚性基层其他类型基层，目前在高等级公路上都不可能取代半刚性基层1 1。碎石基层碎石基层2 2。ATBATB柔性基层柔性基层3 3。沥青混凝土全厚式路面沥青混凝土全厚式路面4 4。永久式（长寿命）路面永久式（长寿命）路面4 4，目前技术体系不完善目前技术体系不完善1 1。设计与施工中存在缺陷；设计与施工中存在缺陷；2 2。基层开裂特别严重；基层开裂特别严重；路表裂缝或缺陷位置附近存留大量的白路表裂缝或缺陷位置附近存留大量的白色灰浆，基层顶面已经遭到严重的冲刷色灰浆，基层顶面已经遭到严重的冲刷碎石碎石ATB碎石基层碎石

3、基层ATBATB基层基层永久式永久式全厚式全厚式承载力一般承载力一般中等以下交通量中等以下交通量二级以下道路二级以下道路基层约基层约40cm40cm面层面层20cm20cm造价较高造价较高承载力强承载力强重交通重交通高等级道路高等级道路基层约基层约20cm20cm面层较厚面层较厚造价高造价高承载力很强承载力很强重交通重交通高等级道路高等级道路面层约面层约30cm30cm以上以上寿命寿命3030年以上年以上造价很高造价很高承载力超强承载力超强重交通重交通高等级道路高等级道路面层约面层约50cm50cm以上以上寿命寿命5050年以上年以上造价超高造价超高半刚性基层的技术关键半刚性基层的技术关键1

4、1，形成适当地强度形成适当地强度v 足够承受荷载的反复作用（疲劳强度）；足够承受荷载的反复作用（疲劳强度）；v 强度过大（收缩性强、脆性高），必然裂缝；强度过大（收缩性强、脆性高），必然裂缝；v 规范建议的规范建议的7d7d抗压强度范围：抗压强度范围：3 35MPa5MPa；2 2，防止和减少开裂的发生防止和减少开裂的发生v 设计上采用合理级配、控制结合料的剂量；设计上采用合理级配、控制结合料的剂量；v 施工中采用合理的工艺；施工中采用合理的工艺；v 养生湿度与温度控制；养生湿度与温度控制；3 3，提高抗冲刷能力提高抗冲刷能力v 减少游离细集料；减少游离细集料； 强调沥青层的防水；强调沥青层的

5、防水；强度低限的含意强度低限的含意基层基层是沥青路面主要承重层主要承重层要求基层具有足够的刚度，将荷载扩散至土基的承受能力以内；要求基层具有足够的刚度，将荷载扩散至土基的承受能力以内；基层模量基层模量 E E 较较高高基层模量基层模量 E E 较较低低荷载扩散角荷载扩散角较较大大荷载扩散角荷载扩散角 较较小小土基承受的应力水平土基承受的应力水平低低土基承受的应力水平土基承受的应力水平高高疲劳裂缝的形成疲劳裂缝的形成疲劳裂缝的形成疲劳裂缝的形成1. 1. 荷载作用下，基层底部出现拉应力；荷载作用下，基层底部出现拉应力；2. 2. 荷载作用下，基层底部出现拉应力；荷载作用下，基层底部出现拉应力；

6、= f(F, Ei,i, hi) i=0，1,2,3.1， 抗拉抗拉，裂缝裂缝 = f(F, Ei,i, hi) i=0，1,2,3.按照层状弹性体系假设计算按照层状弹性体系假设计算: :第一强度理论：第一强度理论：按照层状弹性体系假设计算按照层状弹性体系假设计算: :材料疲劳理论：材料疲劳理论： 抗拉抗拉，裂缝裂缝抗拉= aN-b抗拉N N1e61e71e8模量模量E E、抗拉强度、抗拉强度抗拉抗拉、7d7d抗压强度抗压强度抗压抗压 抗拉抗拉E 抗拉抗拉抗拉抗拉 抗压抗压E 抗压抗压抗压抗压模量：模量：抗拉、抗压、回弹（切线、割线、动态抗拉、抗压、回弹（切线、割线、动态）E 抗拉抗拉 E 抗

7、压抗压强度：强度： 抗拉抗拉 4.75mm 4.75mm ）细集料（细集料（0.0750.0754.75mm4.75mm）：共同构成主体混合料的主体结构，粗细集料比例的不同形成悬浮、骨架共同构成主体混合料的主体结构，粗细集料比例的不同形成悬浮、骨架密实或骨架架构；密实或骨架架构；粉料：（通过粉料：（通过0.075mm0.075mm）：）：填充作用，使空隙率适中；填充作用，使空隙率适中；当当0.075mm0.075mm以下颗粒含量多时：以下颗粒含量多时：1 1，会直接导致基层半刚性体干缩应变系数偏大，产生裂缝的机率变大；，会直接导致基层半刚性体干缩应变系数偏大，产生裂缝的机率变大；2 2，另外也

8、会导致强度的降低；，另外也会导致强度的降低；0.075mm0.075mm以下颗粒含量适中时：以下颗粒含量适中时：1 1，适中的细集料存在可以增加混和料的强度；，适中的细集料存在可以增加混和料的强度；2 2，通过压实使颗粒间紧密接触，适当的减少空隙；，通过压实使颗粒间紧密接触，适当的减少空隙；3 3，使水泥硬化时混合料能够有效的胶结在一起，形成强度；，使水泥硬化时混合料能够有效的胶结在一起，形成强度；细料的比表面积细料的比表面积相同重量或体积的集料，相同重量或体积的集料，颗粒越细，表面积越大，颗粒越细，表面积越大，需要水泥浆裹覆的面积越需要水泥浆裹覆的面积越大；大；水泥的用量有限的情况下水泥的用

9、量有限的情况下，过多的细集料，意味着，过多的细集料，意味着颗粒间的粘结下降；颗粒间的粘结下降；应该严格控制细集料的用应该严格控制细集料的用量，也就是级配中量，也就是级配中4.75mm4.75mm和和0.075mm0.075mm的通过量；的通过量；81平米66平米1.5平米812平米640.375平米6424平米细集料含量与干缩的关系细集料含量与干缩的关系细集料含量高，含水量高细集料含量高，含水量高施工养生期间失水量大，干缩量大施工养生期间失水量大，干缩量大细集料含量少，含水量少细集料含量少，含水量少施工养生期间失水量小，干缩量小施工养生期间失水量小，干缩量小最佳含水量最佳含水量最佳含水量最佳含

10、水量收缩裂缝的位移法力学解释收缩裂缝的位移法力学解释水泥稳定碎石水泥稳定碎石水泥混凝土水泥混凝土收缩变形量收缩变形量a2收缩变形量收缩变形量a1水泥剂量低、强度低、收缩性小水泥剂量低、强度低、收缩性小刚度刚度小小E1=10002000MPa刚度刚度大大E2=1000040000MPa水泥剂量高、强度高、收缩性大水泥剂量高、强度高、收缩性大f=a1E1F=a2E2Ff抗拉强度必然裂缝必然裂缝抗冲刷问题抗冲刷问题v 路面的裂缝路面的裂缝v 路面上局部空隙过大处路面上局部空隙过大处v 都会造成透水都会造成透水路表的裂缝或缺陷部位存留大量的白色路表的裂缝或缺陷部位存留大量的白色灰浆，基层顶面已经遭到严

11、重的冲刷灰浆，基层顶面已经遭到严重的冲刷“稳定稳定”的含义的含义1 1，集料、水泥（或其他结合料）共同构成，与水泥混凝土无异；，集料、水泥（或其他结合料）共同构成，与水泥混凝土无异；2 2，水泥的剂量远低于混凝土和贫水泥混凝土的标准；，水泥的剂量远低于混凝土和贫水泥混凝土的标准；3 3，材料的结构不同于混凝土，空隙率大，因此具备了变形吸收能力；，材料的结构不同于混凝土，空隙率大，因此具备了变形吸收能力；4 4，相对，相对“疏松疏松”，部分材料只是稳定在材料里面，析出的可能性很大，部分材料只是稳定在材料里面，析出的可能性很大；局部放大图局部放大图结合料（水泥等）实际上并不结合料（水泥等）实际上并

12、不能能“稳定稳定”所有的颗粒所有的颗粒水的冲刷作用使细集料流失水的冲刷作用使细集料流失基层随着细集料的流失而发生基层随着细集料的流失而发生不可恢复的衰变；不可恢复的衰变；基层材料要求基层材料要求试验室配比设计、材料生产控制试验室配比设计、材料生产控制承载力要求承载力要求抗裂要求抗裂要求1. 强度强度3 35MPa5MPa2. . 控制水泥剂量控制水泥剂量4.54.53. 依靠集料形成骨架提供强度；依靠集料形成骨架提供强度；4. 控制细料和粉料含量控制细料和粉料含量降低水泥剂量，降低水化反应影响；同时降低了刚度过大造成的收缩裂缝；3. 降低细料和粉料含量，降低基层的失水率4. 含水量不能过大含水

13、量不能过大抗冲刷要求抗冲刷要求v 细料细料4.75mm4.75mm通过率通过率: 30: 304040v 粉料粉料0.075mm0.075mm通过率通过率: 0: 05 5小结小结1 1，7 7天抗压强度范围：天抗压强度范围：3 35MPa5MPa2 2，强度低限，强度低限3MPa3MPa，保证路面有足够的整体强度；，保证路面有足够的整体强度；3 3，强度高限，强度高限5MPa5MPa ，保证基层不至于开裂，减缓沥青层的，保证基层不至于开裂，减缓沥青层的“压力压力”；1 1，在原材料试验室配比设计时应该严格执行强度标准，按中偏下控制；，在原材料试验室配比设计时应该严格执行强度标准，按中偏下控制

14、；2 2，满足强度标准的情况下，尽量少添加水泥；，满足强度标准的情况下，尽量少添加水泥；3 3；材料配比尽量少用细料和粉料，形成骨架嵌挤结构；材料配比尽量少用细料和粉料，形成骨架嵌挤结构；向集料要强度，向集料的级配要强度，少向水泥要强度！向集料要强度，向集料的级配要强度，少向水泥要强度！v 为减少基层裂缝，必须做到三个限制：为减少基层裂缝，必须做到三个限制： 在满足设计强度的基础上限制水泥剂量； 在减少含泥量的同时，限制细集料、粉料用量； 根据施工对气候条件限制含水量；v 具体要求水泥剂量：具体要求水泥剂量： 基层不大于4.5（具体按试验确定） 含水量根据天气及气温状况控制在最佳含水量的0+2

15、范围内。配比设计配比设计水泥稳定碎石水泥稳定碎石级配级配 ：有何作用？：有何作用？集料：粗细集料集料：粗细集料水：最佳含水量？水：最佳含水量？水泥：水泥： 指标？剂量？指标？剂量？最大干密度，最佳含水量最大干密度，最佳含水量水泥的要求水泥的要求v 普通硅酸盐缓凝水泥普通硅酸盐缓凝水泥v 禁止使用快硬水泥、早强水泥以及其他受外界影响而变质的水泥。禁止使用快硬水泥、早强水泥以及其他受外界影响而变质的水泥。v 路面基层宜采用路面基层宜采用32.532.5级缓凝水泥，级缓凝水泥，3 3天抗压强度达天抗压强度达161620MPa20MPa；水泥；水泥各龄期强度、安定性等应达到相应指标要求；各龄期强度、安

16、定性等应达到相应指标要求；v 要求水泥初凝时间要求水泥初凝时间4 4小时小时以上，终凝时间不小于以上，终凝时间不小于6 6小时小时，每，每300300吨检验吨检验一次。一次。v 如采用散装水泥，在水泥进场入罐时，要了解其出炉天数。刚出炉如采用散装水泥，在水泥进场入罐时，要了解其出炉天数。刚出炉的水泥，要停放的水泥，要停放7 7天，且安定性合格后才能使用。夏季高温作业时，天，且安定性合格后才能使用。夏季高温作业时，散装水泥入罐温度不能高于散装水泥入罐温度不能高于5050，高于这个温度，若必须使用时，应，高于这个温度，若必须使用时，应采用降温措施。采用降温措施。集料集料v 压碎值应不大于压碎值应不

17、大于28%28%；v 针片状含量不大于针片状含量不大于15%15%；（游标卡尺法）；（游标卡尺法）v 密度大于密度大于2.5t/m32.5t/m3；v 坚固性不大于坚固性不大于12%12%；v 碎石中小于碎石中小于0.6mm0.6mm的颗粒，的颗粒，液限液限小于小于28%28%，塑性塑性指数指数9 9；v 粒径粒径4.75mm4.75mm以下集料应进行砂当量试验，要求以下集料应进行砂当量试验，要求砂当量砂当量不小于不小于5050，砂当量试验主要是测定集料中的粘性土或杂质含量，以评定，砂当量试验主要是测定集料中的粘性土或杂质含量，以评定集料的洁净程度。检测频率为集料的洁净程度。检测频率为1 1次

18、次/1000/1000吨吨 ；v 基层建议水泥剂量：基层建议水泥剂量： 按3.0、3.5、4.0、4.5、5.0五种比例进行试验 ;v 重型击实法：重型击实法： 确定各组混合料的最佳含水量和最大干密度 v 强度测试每组试样个数的偏差系数：强度测试每组试样个数的偏差系数： 一般要求6个（偏差系数小于10%） 9个（偏差系数小于10%-15%） 个（偏差系数小于15%-20%）施工注意事项施工注意事项1原材料控制原材料控制2水泥稳定碎石的生产水泥稳定碎石的生产3运输与摊铺运输与摊铺4碾压碾压5现场检测现场检测6养生养生7应急处理预案应急处理预案原材料控制v 水泥水泥3 3天抗压强度的要求为天抗压强

19、度的要求为161620MPa20MPa，初凝时间为，初凝时间为4h4h，终凝时间为，终凝时间为6h6h。检测频率为。检测频率为1 1次次/300/300吨；吨；v 基层用碎石压碎值要求为基层用碎石压碎值要求为28%28%，针片状含量要求为，针片状含量要求为 15%15%，针片状，针片状含量采用游标卡尺法测定。含量采用游标卡尺法测定。v 细集料砂当量的要求为细集料砂当量的要求为5050，砂当量试验主要是测定集料中的粘性土，砂当量试验主要是测定集料中的粘性土或杂质含量，以评定集料的洁净程度。检测频率为或杂质含量，以评定集料的洁净程度。检测频率为1 1次次/1000/1000吨。吨。 v 原材料的存

20、放与堆放原材料的存放与堆放混合料生产v 水稳混合料通常的检测项目为水泥掺量、含水量、级配、水稳混合料通常的检测项目为水泥掺量、含水量、级配、7 7天无侧限天无侧限强度。强度。 v 4.75mm4.75mm筛孔通过率为筛孔通过率为30%30%40%40%，0.075mm0.075mm筛孔通过率为筛孔通过率为0 05%5%。其中，。其中，4.75mm4.75mm筛孔通过率应接近中值，级配曲线最好为筛孔通过率应接近中值，级配曲线最好为 S S 型型。 v 基层水泥用量，应采用基层水泥用量，应采用EDTAEDTA实测法检测和总量控制检测相结合，通过实测法检测和总量控制检测相结合，通过每天水泥用量、集料

21、用量和实际施工工程量的对比，计算水泥用量检每天水泥用量、集料用量和实际施工工程量的对比，计算水泥用量检测的准确性、一致性。测的准确性、一致性。v 在混合料含水量测定时，一般采用烘干法，当快速测定时，一般采用在混合料含水量测定时，一般采用烘干法，当快速测定时，一般采用酒精燃烧法，通常测定的含水量比混合料的实际含水量要酒精燃烧法，通常测定的含水量比混合料的实际含水量要偏小偏小。v 含水量调整要及时；含水量调整要及时； 运输与摊铺v 摊铺机摊铺速度为摊铺机摊铺速度为1m/min1m/min左右，禁止摊铺机停机待料，并保持一前一左右，禁止摊铺机停机待料，并保持一前一后速度一致、摊铺厚度一致、后速度一致

22、、摊铺厚度一致、 松铺系数一致、路拱坡度一致、摊铺松铺系数一致、路拱坡度一致、摊铺平整度一致、振动频率一致，保证纵向接缝的平整。平整度一致、振动频率一致，保证纵向接缝的平整。 v 水稳基层的碾压应水稳基层的碾压应重叠重叠1/21/2轮宽轮宽，且必须在水泥初凝前及试验确定的，且必须在水泥初凝前及试验确定的 延迟时间内完成，并一次碾压达到压实度要求，从外观来看，应没有延迟时间内完成，并一次碾压达到压实度要求，从外观来看，应没有明显轮迹印。明显轮迹印。碾压组合碾压遍数碾压遍数方式方式碾压速度碾压速度振动振动频率频率振幅振幅激振力激振力或压强或压强初压初压二遍（静压）二遍（静压）1.5-1.6km/h

23、1.5-1.6km/h0 00 0复压复压一遍一遍( (低频高振低频高振) )1.9-2.1km/h1.9-2.1km/h29HZ29HZ2.1mm2.1mm330KN330KN两遍两遍（静压）（静压）2.6-2.8km/h2.6-2.8km/h0 00 0一遍一遍（高频低振）（高频低振）2.1-2.2km/h2.1-2.2km/h32 HZ32 HZ1.2mm1.2mm240KN240KN终压终压无轮迹无轮迹3.2-3.5km/h3.2-3.5km/h（180180240240）KPaKPa现场检测v 在水稳基层施工前，要对底基层的外形进行检查，检查的项目有高在水稳基层施工前，要对底基层的外

24、形进行检查，检查的项目有高 程程、中线偏位、宽度、横坡度、平整度等方面。、中线偏位、宽度、横坡度、平整度等方面。 v 水稳基层现场检测项目有：几何尺寸、压实度、平整度、厚度、外观。水稳基层现场检测项目有：几何尺寸、压实度、平整度、厚度、外观。v 基层平整度对面层厚度及平整度控制非常重要，因此，应在基层施工过基层平整度对面层厚度及平整度控制非常重要，因此，应在基层施工过程中加强高程和松铺系数控制，保证基层平整度达到要求；对基层平整程中加强高程和松铺系数控制，保证基层平整度达到要求；对基层平整度质量要求为平整、无起伏，数值上要求度质量要求为平整、无起伏，数值上要求8mm8mm，检查方法为用三米直，

25、检查方法为用三米直尺连续量尺连续量1010尺，每尺取最大间隙。尺，每尺取最大间隙。v 水稳碎石基层的完整性是衡量施工质量、成型情况的重要指标，通过钻水稳碎石基层的完整性是衡量施工质量、成型情况的重要指标，通过钻出的芯样还可以看出基层厚度和级配。出的芯样还可以看出基层厚度和级配。养生养生获得强度的最后一关获得强度的最后一关v 每一段碾压完成以后应立即开始养生，并同时进行压实度检查。每一段碾压完成以后应立即开始养生，并同时进行压实度检查。v 通常应养生通常应养生7d7d，待其达到一定强度后再开始下一道工序。但在连续施工时，待其达到一定强度后再开始下一道工序。但在连续施工时，情况另行规定。情况另行规

26、定。v 保持养生期间的最佳含水量是非常重要的，才能获得最好的强度；保持养生期间的最佳含水量是非常重要的，才能获得最好的强度；v 如果夏季水分蒸发旺盛，碾压完后表面有干燥发白的现象，直接补水效果不如果夏季水分蒸发旺盛，碾压完后表面有干燥发白的现象，直接补水效果不佳，等到第二天揭开覆盖膜，喷雾补水后重新覆盖密封好；佳，等到第二天揭开覆盖膜，喷雾补水后重新覆盖密封好；v 养生方法：养生方法： 必须采用薄膜全面覆盖密封养护，当气温较低时，在塑料薄膜上加盖土工布养护，并采取措施确保7天内塑料薄膜下基层处于湿润状态。在上一层路面结构施工时方可移走覆盖物，养生期间应定期洒水。养生结束后，必须将覆盖物清除干净

27、。 饱水土工布的方法，要不断的洒水；v 用洒水车洒水时，洒水车的喷头要用喷雾式，不得用高压式喷管，以免破坏用洒水车洒水时，洒水车的喷头要用喷雾式，不得用高压式喷管，以免破坏基层结构，洒水次数应视气候而定，整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石基层结构，洒水次数应视气候而定，整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石层表面湿润。层表面湿润。v 在养生期间应封闭交通，禁止车辆通行。在养生期间应封闭交通，禁止车辆通行。v 喷洒沥青前，应扫除基层表面的松散颗粒和尘土。如表面过分干燥喷洒沥青前，应扫除基层表面的松散颗粒和尘土。如表面过分干燥，应先喷洒少量水，再喷洒改性乳化沥青；，应先喷洒少量水，再喷洒改性乳化沥青；

28、v 喷洒透层油的最佳时间段为：春季养生喷洒透层油的最佳时间段为：春季养生101015d15d后，夏季养生后，夏季养生7d7d后，后，下午下午4 4点钟后打开薄膜，第二天早上洒布；点钟后打开薄膜，第二天早上洒布；v 石屑不宜洒布太多，以不沾轮为准；石屑不宜洒布太多，以不沾轮为准；洒油洒油双层连续摊铺可行性1 1，混合料初凝时间允许延误时间，为两层连续作业提供了时间窗口；混合料初凝时间允许延误时间，为两层连续作业提供了时间窗口；2 2，关键工序摊铺速度；关键工序摊铺速度；水泥稳定碎石作业主要受限于摊铺速度，因此可以根据摊铺速度来控制混合料的生产。3 3，力学分析表明，上基层的压实影响有限；力学分析表明，上基层的压实影响有限；对于水泥稳定碎石材料，采用有限元计算和试验方法分析了上层碾压对下层的影响；有限元计算模型有限元计算模型变形云图变形云图应力云图应力云图对基层连续作业的理论与试验分析对基层连续作业的理论与试验分析压路机碾压下的路面内应力模拟压路机碾压下的路