南京路面结构研究.docx
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南京路面结构研究
南京机场高速公路半刚性基层特性研究
黄卫钱国超
【东南大学交通学院 南京210018】【南京机场高速公路管理处 南京211100】
摘 要：
本文较详细地总结了国内外在半刚性基层设计、试验、研究方面的情况，然后
根据足够的强度、良好的抗裂性能原则进行了南京机场高速公路二灰结石基层的配合比
设计，并采用正交试验方法，对配合比设计主要影响因素及干缩、温缩特性进行了全面
的试验研究，结果证明南京机场高速公路二灰结石基层配合比设计是合理的、可靠的，
代表了我省当前高速公路二灰结石基层设计新水平。
关键词：
高速公路 半刚性基层 特性 研究
南京机场高速公路是江苏省交通建设的重点工程，也是我省改革开放的重要窗口工程之一。
机
场高速公路的建成对我省社会、经济和文化的发展将起重大作用。
高速公路建设在我国只有较短的历史，南京机场高速公路是我省继沪宁高速公路后建设的第二
条高速公路。
为了确保工程质量、节约投资、提高经济效益，开展有针对性的路面材料和路面结构
的系统研究工作是十分必要的。
江苏省公路建设过去选用的路面结构，在结构型式、结构组合、筑路材料品种规格、施工设
备、施工工艺等方面均不能适应高速公路建设的需要。
沪宁高速公路及其相关研究工作为今后的高
速公路建设及相关科学研究工作积累了经验。
从总体上看，我国在高速公路建设上的经验还比较缺
乏，加之我国幅员辽阔，不同地区的自然条件差异极大，各地所取得的经验大多是有条件性的。
因
此大多经验并不能直接套用，通过近年的工程实践和科学研究工作还认识到，即使全国统一的规范
和标准，各地也应有分析、有研究地加以利用，完全硬套是很难建设令人满意的工程的。
发达国家
如美国高速公路网络早已建成，并积累了数十年的工程建设经验，但仍然非常重视对新建工程的针
对性科学研究工作。
90年代前后美国开展的公路战略研究计划（SHRP）就是一个很好的例子。
本项目的研究从南京机场高速公路建设的需要和江苏省的实际出发，通过调查研究、广泛收集
资料，充分利用沪宁高速公路等相关研究成果，系统开展室内外试验研究。
选择符合机场高速公路
路面使用功能和服务寿命要求，有充分科学依据及经济合理的路面结构类型、材料、施工工艺、施
工方案等，以指导高速公路全线工程建设，并为今后的高速公路建设积累经验。
1 国内外高速公路建设的研究概况
高速公路研究内容极为丰富和广泛。
美国等西方发达国家，对高速公路的系统研究工作已持
续了半个多世纪，从最著名的50年代和60年代的WASHO和AASHO试验路，到当今最引人瞩目的公路战
略研究计划（SHRP），已有近40年历史。
我国高速公路的建设已有十多年的时间，但与美国许多大规
模研究计划相比，无论是系统性还是深度上都有待于进一步加强。
但是，随着建设项目的不断实施
以及科技攻关等研究工作的开展，也已取得了不少可供工程实践借鉴的研究成果。
1.1 常用高速公路路面结构
1.1.1 国外某些高速公路采用的沥青路面结构
表1摘录了国外某些高速公路路段上采用的沥青路面结构
国外部分高速公路路段上采用的沥青路面结构 表1
国 名
面层及厚度（cm）
基层及厚度（cm）
底基层及厚度（cm）
奥地利
沥青混凝土（2.7+3.0+4.1）
沥青稳定碎石（14+16）
防冻层（30）
比利时
混凝土（4+8）
沥青稳定碎石（16）
底基层
意大利
沥青混凝土（3+7）
沥青稳定碎石（15）
级配砂砾（35）+砂层（30～40）
德国
浇注式沥青混凝土（3.5）+
沥青混凝土（8.5）+
砂砾沥青混凝土（18）
贫混凝土（15）
防冻层
德国
沥青混凝土（4+3+5）
沥青碎石（18）
级配砂砾（15）+防冻层
德国
浇注式沥青混凝土（3.5）+
沥青混凝土（3.5+5）
沥青稳定碎石（18）
级配砂砾（15）+防冻层
挪威
沥青混凝土（10）
沥青稳定碎石（10）+
未筛分碎石（50）
砂砾（30）+防冻层（40～90）
阿根廷
沥青混凝土（7.5）
沥青稳定碎石（12.5）+
沥青乳液稳定砂土（10）
防冻层（35）
法国
沥青混凝土（3+4）
沥青稳定碎石（16）+
水泥处治（10～35）
底基层砂（15）
荷兰
沥青混凝土（4+4）
沥青稳定砂砾（12～18）
水泥稳定砂（15～40）
瑞士
沥青混凝土（3+4）
沥青稳定碎石（11）
砂砾（30）+水泥处治砂砾（20）
英国
热压式沥青混凝土（3.8）+
粗粒式沥青混凝土（6.8）+
热压式沥青混凝土（6.3）
贫混凝土（19）
级配砂砾（20）
英国
M4（9.5～21.5）
（路面总厚40～64）
贫混凝土（10～36）
水泥结粒料（10～30）
瑞典
沥青混凝土（5）+
沥青碎石（7.5）
水泥砂砾（18）
西班牙
沥青混凝土（3～5+4～6）
沥青碎石（6～10）+
水泥砂砾（20）
级配砂砾或水泥砂砾（15）
西班牙
沥青混凝土（8）
沥青混凝土（15）
碾压混凝土
水泥结粒料
结合粒处治
结合料处治
德国
（最小12）
水泥结粒料
波兰
中粒沥青混凝土（4）+
粗料沥青混凝土（6）+
沥青矿料混合料（8）
水泥石屑（石拌，27）
水泥石屑（路拌（12）+石屑（5））
意大利
（10～15，中等交通）
（20高速公路）
水泥结粒料
水泥结粒料（20）
18cm沥青面层
水泥稳定粒料18cm+石灰土
1.1.2 我国近期建设的一些高等级公路的沥青路面结构
表2为我国近期建设的一些高等级公路的沥青路面结构。
我国近期建设的一些高等级公路的沥青路面结构 表2
高速公路名称
长度
（km）
路面结构
面层（cm）
基层（cm）
底基层（cm）
广佛
15.7
4中粒式
5粗粒式
25水泥碎石或
31水泥石屑
25～28水泥土
京津塘
142.5
5中粒式
6粗粒式
12沥青碎石
20水泥粒料
（碎石或砾石）
或二灰碎石
25～35石灰土或
水泥土、水泥石灰
土、石灰粉煤灰土
沈大
375
4中粒式
5粗粒式
6沥青碎石
20水泥砂砾
京石
14
4中粒式
8沥青碎石
15二灰砂砾
40石灰土
济青
318
4中粒式
5粗粒式
6粗料式
24二灰粒料
42石灰土
二灰土
沪嘉
20.51
4细粒式
6粗料式
7粗粒式
46二灰碎石
20砂砾
莘松
18.9
2沥青砂
4细粒式
8沥青碎石
44二灰碎石
15砾石砂
沪宁
274
4中粒式
6粗料式
6粗粒式
30二灰碎石
30二灰土
1.1.3 国内外高等级公路路面结构的比较
通过表1和表2所列的路面结构进行比较，国内外高等级公路路面结构的特点可以归纳如下：
（1）中国高等级公路路面结构都采用半刚性基层结构，半刚性基层的类型以石灰粉煤灰稳定粒
料和水泥稳定粒料为主，底基层的材料以石灰土、水泥土、二灰土、二灰等为主要材料。
（2）国外高等级公路的路面结构除了半刚性路面结构以外，柔性路面结构占有相当大的比例，
柔性路面结构的基层大多采用沥青碎石基层，底基层大多采用粒料基层或处治的粒料基层。
（3）国外的半刚性路面其基层一般都采用水泥结粒料基层，极少采用其它类稳定处治基层。
（4）就路面结构总体厚度而言，我国路面结构总厚度与国外的总厚度大体相当，但面层厚度却
比国外的薄，我国把沥青碎石一并计入沥青面层厚度，而国外则把沥青碎石作为沥青稳定类基层或
作为面层与基层的联贯层。
沥青碎石层的厚度通常在15～20cm，有时达到30cm以上。
上述的比较主要是针对结构而言的，事实上在材料基本要求、材料组成设计、路基路面结构排
水设计、设计指导思想等诸多方面，我国高速公路的设计与发达国家尤其是美国还有显著差异。
1.2 高速公路的基层
国外高速公路的基层分柔性基层和半刚性基层，半刚性基层实质上都使用水泥稳定粒料。
我国
已建的高速公路基层均为半刚性基层，常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料，江苏省已建
高等级公路基层都是石灰粉煤灰粒料，因此这里就这二类基层的基本特性进行分析。
1.2.1 强度
表3是各类半刚性基层的抗弯拉强度，表中Sb是小梁三分点加载得到的抗弯拉强度，表中Sl是
由圆柱形试件通过劈裂试验（间接拉伸）得到的劈裂强度。
由表3可知：
（1）水泥砂砾28和90d龄期的抗弯拉强度和劈裂强度分别为0.84～0.90MPa和大致为1.2～
1.4MPa。
（2）石灰粉煤灰砂砾90d龄期的间接抗拉强度为0.36～0.45MPa，明显低于水泥砂砾28d龄期的间
接抗拉强度。
二灰基层材料强度比较 单位：
Mpa 表3
龄期（d）
混合料
28
90
180
Sb
Sl
Sb
Sl
Sb
Sl
3％水泥砂砾
0.24
4.2％水泥砂砾
0.80
0.39
1.05
0.45
1.23
0.59
5％水泥砂砾
0.30～0.40
6％水泥砂砾
0.84
0.46～0.76
6％水泥中碎石土
0.90
0.42
8％水泥土
0.29
0.09～0.12
0.52
0.15
10％水泥土
0.40
0.16～0.21
0.63
0.19～0.21
12％水泥土
0.60
0.20～0.21
7∶63∶30
石灰土碎石
0.55
11％石灰土
0.30
0.17
0.63
0.23
14％石灰土
0.24
0.12
0.31～0.5
0.19～0.34
4:
16:
80～3:
12:
85
石灰粉煤灰矿渣
-
0.64
1.50～1.72
0.53～0.74
6∶24∶70
石灰粉煤灰矿渣
-
0.58
2.00
0.70
4∶8∶88
石灰粉煤灰砂砾
0.19
0.89
0.45
0.56
5∶15∶80
石灰粉煤灰砂砾
0.81～0.96
0.36～0.45
1.08～1.17
0.62～0.68
10∶30∶60
石灰粉煤灰碎石
0.44
0.32
-
0.73
11∶22∶67
石灰粉煤灰土
0.21
0.12
0.25
1∶4∶5
石灰粉煤灰土
0.38～0.46
0.20
0.79～1.22
0.37
1.24
0.67
单位：
Mpa 二灰碎石和水泥稳定粒料的抗压强度比较 表4
龄期
（d）
5％水泥结碎石
石灰粉煤灰碎石（3∶17∶80）
试件数
Ｒ
试件数
Ｒ
7
4
4.5
0.141
3.1
4.27
3
0.61
0.06
9.8
0.51
28
5
5.932
0.3905
6.6
5.29
3
2.34
0.08
3.0
2.21
90
6
7.83
0.37
4.7
7.22
6
7.33
0.41
9.5
3.66
180
4
8.93
0.389
4.4
8.29
6
6.40
13.8
4.95
4.95
单位：
Mpa 二灰碎石和水泥稳定粒料的劈裂强度比较 表5
龄期
（d）
5％水泥结碎石
石灰粉煤灰碎石（3∶17∶80）
试件数
σ
试件数
σ
90
5
0.825
0.08
9.7
0.69
7
0.41
0.04
10.4
0.34
180
5
0.91
0.092
10.21
0.76
5
0.61
0.04
6.6
0.54
表4和表5是东南大学交通学院的试验结果。
从试验结果可见，二类基层都有较好的强度，都可
以作为高速公路的基层，但水泥结碎石的早期强度要比二灰碎石的早期强度高得多，特别是28d以
前的强度，早期强度对施工进度安排及施工季节气温等具有重要意义。
应该予以强调指出的是，二
灰碎石的后期强度（＞90d）增长数据是由实验室标准养护得到的。
在实际工程中，由于受到施工、
开放交通、自然条件、特别是成型季节等的影响，后期强度的增加将受到影响，在不少情况下可能
达不到人们基于实验数据而预期的强度。
应该指出，基层的疲劳破坏是路面破坏的重要原因之一。
过去这方面的研究工作开展得很少，
基层材料的疲劳特性应该成为高速公路基层选型的重要依据之一。
1.2.2 半刚性基层材料的干缩系数。
表6是几种半刚性材料干缩试验得到的干缩系数。
根据“七五”攻关等许多研究结果，对于稳定粒料土（中粒土和粗料土），三类半刚性材料的收
缩性大小的次序为，石灰稳定类＞石灰粉煤灰稳定类＞水泥稳定类。
例如，砂砾含量均为55％的石灰土
半刚性基层干缩特性 表6
材料名称
干缩系数（×10-6）％
1/2最大失水量
最大失水量
石灰土
680～930
420～484
水泥土
386～545
304～384
石灰土粒料
104～122
二灰粒料（悬浮式）
23
109
二灰粒料（密实式）
13.5～15.5
55～65
水泥粒料
5.3～8
41～83
砂砾和二灰砂砾（7d龄期）的最大干缩系数分别为301.8×10-6和112.3×10-6，风干状态时的平均
干缩系数分别为121.5×10-6和50.2×10-6。
砂砾含量均为75％时（28d龄期），石灰土砂砾和二灰砂砾
的最大干缩系数分别为244.2×10-6和122.4×10-6，以及风干状态的干缩系数分别为104.7×10-6和
51.4×10-6。
剂量为5％、6％、7％的水泥砂砾（7d龄期）风干状态时的最大干缩应变分别为145×10-
6，179×10-6和299×10-6，以及相应的平均干缩系数分别为41×10-6、61×10-6和83×10-6。
众多的研究还表明，水泥砂砾的干缩性稍优于密实式二灰砂砾的干缩性，明显优于悬浮式二灰
砂砾的干缩性。
1.2.3 半刚性基层材料的温缩特性
表7是半刚性基层材料自由状态下的温缩试验结果，其中封闭最大温缩系数是最佳含水量下的
试验结果。
半刚性基层材料的温缩特性 表7
材料名称
干缩应变
（×10-6）
温缩应变
（×10-6）
平均温缩系数
（×10-6）
最大混合收缩系数
（×10-6）
封闭最大温缩系数
（×10-6）
石灰土
35.50
石灰粉煤灰
159.6
1680.4
24.01
31.05
17.20
二灰砂砾
112.0
1508.0
2154
17.70
24.83
石灰土砂砾
92.9
2258.1
32.26
34.70
19.98
水泥砂砾
56.5
1411.5
20.16
23.32
16.89
许多试验结果表明，三种稳定粒料的温缩性大小依次排列为（-20°C）：
石灰土砂砾（16.7×10-6）＞悬浮式石灰粉煤灰粒料（15.3×10-6）＞密实式石灰粉煤灰粒料
（11.4×10-6）和水泥砂砾（5％和7％水泥剂量，10×10-6～15×10-6）。
1.2.4 二灰碎石与水泥处治级配碎石的经济比较
对于高速公路，基层的施工都必须采用机械摊铺，因此二灰碎石基层与水泥处治级配碎石基层
的施工方法是一致的，造价的不同主要在于水泥和石灰的价格不同及用量的不同，一般对于水泥处
治级配碎石，水泥用量不超过5％～6％，而二灰结石石灰用量约5％～6％，按水泥和石灰的单价分
别为330元/t和110元/t，石料单价按80元/m3（设粉煤灰与石料同价），则二灰碎石与水泥处治级
配碎石的单价比约为1∶1.2。
如考虑到水泥处治级配碎石强度约比二灰碎石大50％，以及再考虑路面结构厚度，按等效折
算，则前者的经济性要优于后者。
1.2.5 两类基层的选择
根据水泥稳定碎石和二灰碎石的材料特性和已有的工程实践，这两种基层都可以作为高等级公
路路面的基层。
课题组曾建议采用水泥稳定碎石基层，其理由是：
①水泥稳定碎石早期强度高，对
保证工期有利；②水泥稳定碎石基层疲劳特性较好，路面长期性能好；③江苏省已建高等级公路路
面基层只有二灰碎石一种形式，从技术积累角度不利，加之有些地区粉煤灰资源开始减少，价格上
扬，原来价廉的优点开始丧失。
建设部门为此专门召开了专家咨询会，部分专家认为江苏省缺乏水泥稳定粒料的工程实践，仍
采用二灰碎石为宜，加之与会专家对二类基层的认识不尽相同，无法取得统一认识，指挥部门仍然
选择了江苏省惯用的二灰碎石基层。
2 二灰碎石合理级配研究
2.1 问题的提出
半刚性基层沥青路面已成为我国高等级公路沥青路面主要形式。
常用的半刚性基层有水泥稳定
粒料土类、石灰稳定粒料土类和石灰、粉煤灰稳定粒料土类。
这类基层具有耐久性好、强度高、造
价低等许多优点，但在其上修建的沥青路面往往建成通车1～2年后相继出现裂缝，裂缝通常被认为
是半刚性基层沥青路面主要缺陷之一。
初期产生的裂缝对行车无明显影响，但随着表面雨水或雪水
的浸入，在大量行车荷载反复作用下，会导致路面强度明显降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加
宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，加速沥青路面的破坏，影响沥青路面的使用性能。
裂缝在我国各个地区的沥青路面上十分普遍，不单在北方冰冻地区有，在南方非冰冻地区也
有，只是裂缝的轻重程度不同。
裂缝在开放交通后的第一个冬季就可能发生，在以后的其他季节还
会继续增加。
我国新建的几条高速公路均存在不同程度的裂缝问题。
沪嘉高速公路1988年通车后，
1992年裂缝即达300条，1993年每隔12～30m一条，1994年达12～15m一条，目前全线已有1千多条横
向裂缝。
莘松高速公路1990年12月竣工后，经过三年的通车使用也出现横向裂缝，有些裂缝间距在
12～15m左右。
沈大高速公路14个月裂缝平均增加21.4％。
济青高速公路也出现裂缝。
沥青路面上产生裂缝，在其他国家，例如美国、加拿大、英国、法国、日本、澳大利亚以及非
洲一些国家，也是很普遍的现象。
随着江苏省高等级公路的修建，特别是沪宁高速公路及宁连、宁通一级公路的兴建，材料要求
和施工逐步规范，二灰稳定碎石表现出了良好的强度和稳定性。
然而在江苏省采用现行部颁规范的
二灰碎石配合比设计暴露出来的粒料偏细、细料含量过多、收缩性较大等问题也日益突出。
因此，
研究二灰碎石基层材料的合理组成、裂缝机理及防治措施，成为江苏省公路建设中的一个迫切需要
研究的课题，也是机场高速公路重点研究的课题。
2.2 国内外研究概况
半刚性路面的裂缝有荷载引起的结构性破坏裂缝，有沥青面层的温度收缩裂缝，还有由半刚性
基层的温缩裂缝或干缩裂缝引起沥青面层产生的反射裂缝。
保证半刚性路面不发生荷载性破坏裂缝
可从路面结构设计上考虑，如保证基层有足够的厚度，有坚固的底基层、垫层和路基，控制半刚性
基层和底基层底面弯拉应力等等。
对裂缝问题研究可以从三个方面入手：
第一是针对基层材料本
身，第二是针对半刚性基层和沥青面层之间设置的隔离裂缝中间层或应力吸收中间层，第三是针对
沥青面层。
本课题主要对前一个方面进行研究。
国外，对半刚性基层材料路用性能有一定的研究。
1964年，A.Herzog、R.Bock研究了影响二灰
稳定土强度的一些因素。
1976年，R.S.Andres研究了影响石灰、粉煤灰碎石混合料耐久性的因
素。
1988年，B.R.A.Akofo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。
1988年，Bapkal，Gokhan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
两者之间的关系，用短期、高温养护条件下的实测值来预测设计值，而对二灰碎石半刚性基层研究
较少。
国外高等级公路的路面结构除了半刚性路面结构以外，柔性路面占有较大比例。
纵观当今世界
对半刚性基层的研究，可以发现国外大部分局限于水泥稳定基层的范围。
对二灰碎石半刚性基层很
少使用。
而且对半刚性基层及其裂缝的研究远没有对一般沥青路面裂缝研究那么深入和广泛。
国外对半刚性基层沥青路面裂缝的研究，无论室内试验或试验路研究，还是理论研究，都与一
般的沥青罩面裂缝研究相类似，以减少反射裂缝为中心；防治措施也基本一致，如采用土工织物与
土工网等。
这些措施在许多国家得到研究和应用，结论不尽一致，但认为或多或少有一定效果。
长期以来，国外认为采用半刚性基层可以提高沥青面层抗疲劳破坏能力，普遍认为这种结构中
沥青面层的裂缝是由半刚性基层引起的反射裂缝。
壳牌沥青路面设计方法在概括各国的观点和使用
经验时指出，水泥底基层上沥青路面面层厚度取决于允许产生裂缝的程度，常变化在15～25cm之
间。
在日本，用水泥和特殊沥青乳剂综合稳定使水泥与沥青混合以防水分的蒸发。
而沥青乳剂中的
水分则供给水泥硬化，使收缩系数随沥青乳剂量的增加而减少。
前苏联水泥稳定砂砾基层的研究结
果表明，掺加粉煤灰可以减少路面裂缝。
美国、法国、德国、荷兰、瑞士、比利时、西班牙、南非
等国家都对半刚性基层路面裂缝进行大量的研究。
许多国家还建立了半刚性路面的设计方法，有典
型结构设计方法，也有理论分析设计方法。
在德、法、英、比利时、西班牙、奥地利等国家，采用
典型结构法，并通过适当增加面层的厚度等措施来减少反射裂缝。
在第十八届世界道路会议上，有近二十个国家介绍了各自使用半刚性基层的经验和减轻半刚性
基层沥青路面反射裂缝的措施。
概括起来如下：
（1）半刚性基层预切缝：
德国1986年新设计规范规定，当沥青罩面的厚度小于或等于140mm，不
管基层厚度多大，只要基层抗压强度超过12MPa，基层必须预先切纵缝和横缝。
（2）预制微裂纹：
在基层中制造微裂纹的目的是降低其收缩性，同时水硬性结合料稳定基层内
的均匀细裂缝网有好的传荷能力，对该层的永久承载力有利。
（3）中间层；俄罗斯在140～100mm厚的沥青混凝土下设置乳化沥青处理集料防裂中间层或集料
中间层。
（4）提高沥青面层厚度，选择模量低的沥青混凝土和提高沥青混凝土抗剪疲劳强度等措施以减
少半刚性路面裂缝。
（5）设置应力消解层：
如英国采用高抗拉强度的聚合物网作为半刚性基层与沥青层的中间层以
延缓裂缝向上传播。
有些国家使用土工织物或橡胶沥青中间层以减少
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