[01132320]骨架密实型半刚性基层材料设计和施工控制成套技术研究

1、课题来源与背景 半刚性基层沥青路面是我国公路和城市道路的主要结构形式。半刚性基层材料具有价格优势及强度高、刚度大、板体性好等性能优势。但是,半刚性基层也存在温缩、干缩开裂的缺点,由此引发沥青路面的反射裂缝病害。虽然可采用加厚沥青面层、设置应力吸收层（膜）、设置柔性过渡层等防治措施,但上述措施造价均较高,所以从工程经济角度考虑,减少半刚性基层自身的收缩量和延缓收缩速度是减少半刚性沥青路面出现反射裂缝较为有效的技术措施。骨架密实型半刚性基层材料具有温缩和干缩性能好,可减少反射裂缝的优点,但是到目前为止还没有在材料设计方法、材料设计控制指标以及施工检测控制方法上形成共识。骨架密实型半刚性沥青路面结构设计方面,特别是在设计参数（如抗压回弹模量、劈裂强度等）的选取上,现行国家行业规范不具指导性。尽管规范规定宜通过试验手段来获取设计参数,但是由于半刚性基层材料试验强度大、周期长等问题,设计单位不管是骨架密实型还是悬浮密实型半刚性基层材料,大都根据公路沥青路面设计规范规定的范围来选取,不通过试验结合各地现场材料配比等来确定,因此路面结构的设计结果与实际状况有较大的差异,这可能导致产生两个不利的结果：一是设计的路面结构层太厚,不经济;二是设计的路面结构层厚度太薄,不安全。因而有必要对骨架密实型水泥稳定碎石、二灰稳定碎石等半刚性基层材料设计方法、结构设计参数及施工控制成套技术开展研究。 2、技术原理及性能指标 本项目首次通过旋转压实法控制混合集料的体积参数,建立数学嵌挤模型指导逐级填充试验方案,提出了骨架密实型半刚性基层的级配设计方法;根据集料体积参数、混合集料旋转压实后体积参数和胶结料水化后体积参数的试验结果,提出了骨架密实型半刚性基层材料设计的体积控制指标及其控制范围;通过大量室内试验,回归分析建立了骨架密实型半刚性材料（水泥稳定碎石和二灰稳定碎石）抗压回弹模量、劈裂强度等设计参数与龄期的关系式,统计分析推荐了骨架密实型半刚性基层材料设计参数的取值范围,提出了骨架密实结构水泥稳定碎石和二灰稳定碎石最大干密度和最佳含水量的理论计算公式;利用传递矩阵法推导了骨架密实型半刚性基层单层抗压回弹模量反算的解析解,并开发了反算程序,采用该程序可以实现以FWD施工现场的测量结果反算骨架密实型半刚性基层单层的抗压回弹模量,并结合本课题建立的骨架密实型半刚性基层材料抗压回弹模量与龄期的关系,可以及时了解施工质量与材料结构设计参数的符合情况,该程序可以应用于骨架密实型半刚性基层材料现场施工控制中,解决了以往利用FWD进行施工质量控制仅能反映半刚性基层与路基的整体质量,无法反映半刚性基层质量的难题;通过层状弹性体系理论,研究了我国常用的半刚性沥青路面结构,根据半刚性沥青路面设计指标的要求,提出了骨架密实型半刚性材料设计参数的取值范围,实现了材料设计结构化。 3、技术的创造性与先进性 （1）首次通过旋转压实法控制混合集料的体积参数,建立数学嵌挤模型指导逐级填充试验方案,提出了骨架密实型半刚性基层的级配设计方法;根据各集料体积参数、混合集料旋转压实后体积参数和胶结料水化后体积参数的试验结果,提出了骨架密实型半刚性基层材料设计的体积控制指标及其控制范围。 （2）基于层状弹性体系理论,采用解析方法,首次提出并推导了传递矩阵法反算骨架密实型半刚性基层单层抗压回弹模量理论计算公式,编制了反算程序,完成了室外试验采用FWD 对骨架密实型半刚性基层测试结果反算单层半刚性基层的抗压回弹模量,实现了骨架密实型半刚性基层施工质量与设计符合情况的快速有效反映与评价。研究成果可用于施工现场对该材料的施工控制。 （3）大量室内外试验提出了骨架密实型半刚性基层材料设计参数的取值范围,弥补了规范的不足。并建立了最大干密度和最佳含水量的理论计算公式,解决了传统试验方法精度低、强度大、耗时长的难题。 （4）通过层状弹性体系理论,研究了我国常用的半刚性沥青路面结构,根据半刚性沥青路面设计指标的要求,提出了骨架密实型半刚性材料设计参数的取值范围,实现了材料设计结构化。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目研究成果于2011年11月经业内专家鉴定,认为本项目研究成果工程实用性强,应用前景广阔,具有显著的经济和社会效益,总体达到了国际先进水平。具体鉴定结论如下：针对半刚性基层集料级配设计存在的问题,依据嵌挤填充理论,利用旋转压实法,提出了骨架密实型半刚性基层材料的级配设计理论与方法,并确定了骨架密实型水泥稳定碎石和二灰稳定碎石的路面结构设计指标与参数,实现了材料设计与结构设计的统一,提高了路面结构设计的可靠性。针对利用弯沉指标进行质量评价存在的问题,开发了高精度的FWD 模量反算程序,可以快速有效地反映与评价半刚性基层的施工质量。通过在高速公路与市政道路的成功应用,表明该成果对半刚性基层设计与施工具有重要的指导意义。