水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度控制分析＊

范 潔

（湖南省長(zhǎng)湘高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 前言

隨著公路建設(shè)大力發(fā)展，公路病害也越來越突出，湖南省位于北緯24°39′～30°08′之間，大部分地區(qū)屬中亞熱帶東部濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，湘南、湘東北分別兼有向南亞熱帶和北亞熱帶過渡的特征。境內(nèi)多年平均降水量在1 200 mm～1 700 mm之間，是全國多雨地區(qū)之一，各地降水量大于1 000 mm的保證率在90 %以上；大于1 200 mm的保證率有70 %～80 %，且雨水集中于春夏兩季，占全年降雨總量的70 %。氣候的主要特征為氣候溫暖，四季分明；熱量充足，雨水集中；春溫多變，夏秋多旱；嚴(yán)寒期短，暑熱期長(zhǎng)。由此，公路路面水損害尤為嚴(yán)重，同時(shí)也是影響公路使用壽命的重要因素之一。［1］

降雨期間通過路面孔隙、裂縫、接縫、中央分隔帶滲入的水或高地下水位路段的地下水滯留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，給公路路面的使用帶來非常不利的影響。對(duì)柔性路面而言，其水損壞形式主要包括：卿漿、松散、掉粒、坑槽等，剛性路面水損壞的形式主要為：沖刷、唧泥、斷板、斷角和碎裂等。防治公路路面水損害必須從基層和排水層開始，當(dāng)然材料的選擇也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。［2］

本文以湖南常吉高速公路為依托工程，廣泛調(diào)查其基層水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配組成、承載力及與含水量變化關(guān)系等，總結(jié)得出高速公路基層施工的含水量控制規(guī)律。

2 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度形成原理

水泥穩(wěn)定碎石根據(jù)粗集料和細(xì)集料在混合料中的分布狀態(tài)可以劃分為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)和均勻密實(shí)型結(jié)構(gòu)。通過機(jī)械碾壓作用水泥穩(wěn)定碎石能緊密的嵌擠在一起，并依靠顆粒之間的嵌擠和摩阻作用而形成的內(nèi)摩阻力使其具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。再次，水泥加入集料中并加入一定量的水加以拌和后，水泥中的各個(gè)組分與土中的水分發(fā)生強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng)，同時(shí)從溶液中分解出氫氧化鈣，并形成具有膠結(jié)能力的水化物，這是水泥穩(wěn)定類混合物的強(qiáng)度主要來源。水泥水化后的主要產(chǎn)物是堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和氫氧化鈣，其中前兩種產(chǎn)物是主要的膠結(jié)成分，黏結(jié)、形成強(qiáng)度和體積變化主要由它們來控制，各種水化產(chǎn)物可繼續(xù)硬化并在土中形成水泥石骨架。水泥水化生成的產(chǎn)物，在集料的空隙中相互交織搭接，將集料顆粒包裹連接起來，使其逐漸喪失了原有的塑性等性質(zhì)，并且隨著水化產(chǎn)物的增加，混合料也逐漸堅(jiān)固起來，在這一過程中主要包括3種作用形式：離子交換作用、化學(xué)激發(fā)作用、碳酸化作用。由此，增大了水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

3 水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)

水泥、碎石材料的選擇。

根據(jù)供料情況確定4種規(guī)格石料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，分別為10 mm～30 mm碎石、10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石和石屑，水泥采用強(qiáng)度為32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。通過試驗(yàn)測(cè)定，集料的壓碎值、吸水率等參數(shù)均滿足技術(shù)規(guī)范的要求。礦料篩分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示，級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石篩分結(jié)果

圖1 水泥穩(wěn)定碎石篩分曲線

一般水泥穩(wěn)定碎石基層從功能上來看，可以作為排水基層、抵抗和減緩荷載的用途。水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度影響因素一般為礦料級(jí)配和水泥劑量，骨架密實(shí)型級(jí)配和水泥劑量對(duì)提高水泥穩(wěn)定碎石的抗荷載和抗裂性能有顯著效果，而水泥穩(wěn)定碎石作為排水基層則應(yīng)考慮骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中細(xì)料的壓實(shí)體積小于粗集料形成的空隙體積，且壓實(shí)后混合料存在一定的孔隙［3］，因此在設(shè)計(jì)和施工中需慎重考慮其影響因素，并參照規(guī)范內(nèi)級(jí)配范圍，如表2。

表2 水泥穩(wěn)定碎石規(guī)范要求級(jí)配范圍

4 承載板法測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石基層回彈模量

在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基層的回彈模量是影響結(jié)構(gòu)厚度最敏感的參數(shù)之一，基層回彈模量較小的變化會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度產(chǎn)生較大的影響。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)中，能否選用合乎實(shí)際的基層回彈模量直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)場(chǎng)承載板法是現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范中所推薦的基層回彈模量測(cè)試方法之一，可較為準(zhǔn)確地得出基層的回彈模量，所使用儀器結(jié)構(gòu)及操作比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同含水量基層的回彈模量進(jìn)行測(cè)試，得出含水量與回彈模量的關(guān)系，為路基防排水設(shè)計(jì)與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供直接指導(dǎo)。

4.1 承載板法試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本試驗(yàn)通過彎沉儀測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石在不同含水量情況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈彎沉值，通過計(jì)算求得水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量值。得出在不同含水量情況下，水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量與含水量的關(guān)系，即水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量隨含水量的變化情況。通過分析含水量對(duì)回彈模量的影響的程度來說明基層由于路面滲水而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，并提出防水措施要保證基層含水量控制在一定含水量以下。

4.2 水泥穩(wěn)定碎石基層回彈模量與含水量的關(guān)系

承載板試驗(yàn)是一種測(cè)試路基土承載能力的經(jīng)典方法。該試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)反力梁下千斤頂?shù)膲毫?，將不同大小的荷載施加到剛性承載板上，承載板下土基的變形則由梁式彎沉儀讀出。試驗(yàn)中通過逐級(jí)加載、卸載的方式，測(cè)出每級(jí)荷載下相應(yīng)的土基回彈變形值，經(jīng)過計(jì)算求得土基回彈模量。

常吉高速公路基層分為上基層 18 cm水泥穩(wěn)定碎石（6 MPa）、下基層17 cm水泥穩(wěn)定碎石（5 MPa）和底基層18 cm水泥穩(wěn)定碎石（3 MPa）。通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定上基層水泥穩(wěn)定碎石的最優(yōu)含水量為5.2 %，水泥摻量為6 %，且在最優(yōu)含水量情況下的回彈模量值為2 750 MPa，基層填料密實(shí)度大于98 %，填料密度為2.40 g/mm3～2.42 g/mm3。為確定水泥穩(wěn)定碎石基層含水量與其回彈模量之間的關(guān)系，在常德至吉首高速公路進(jìn)行了承載板試驗(yàn)。根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得出水泥穩(wěn)定碎石含水量與回彈模量之間的關(guān)系，見表3和圖2。

由圖2中可以看出，水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量值是隨著含水量的增大而減小的，且在圖中可以發(fā)現(xiàn)曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)拐點(diǎn)分別為最優(yōu)含水量±0.5 %，即含水量為4.7 %和5.7 %，其中4.8 %為低極限含水量，5.6 %為高極限含水量。并從圖2中可以看出在3.4 %～4.7 %和5.7 %～7.2 %兩個(gè)含水量變化區(qū)域中回彈模量變化比較小，同時(shí)水泥穩(wěn)定碎石在含水量為5.7 %～7.2 %之間時(shí)回彈模量的變化率相對(duì)于含水量為 3.4 %～4.7 %之間時(shí)更加趨于平緩，這說明在高含水量的情況下，回彈模量將趨于定值?？梢灶A(yù)見在低含水量情況下，回彈模量也會(huì)趨于定值。

表3 水泥穩(wěn)定碎石（6 MPa）基層含水量與回彈模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 水泥穩(wěn)定碎石（6MPa）基層含水量與回彈模量關(guān)系圖

一般情況下，基層的攤鋪是在最優(yōu)含水量情況下施工，因?yàn)橹挥性谧顑?yōu)含水量情況下，基層在碾壓時(shí)才能達(dá)到最大密實(shí)度。然而，此時(shí)基層的回彈模量處于一個(gè)并不是很高的狀態(tài)，隨著水分蒸發(fā)，水泥逐漸硬化，基層的回彈模量逐漸增大，因此回彈模量應(yīng)隨著含水量的變小而逐漸增大。因此，在控制基層的含水量時(shí)，應(yīng)該采取措施，使基層中的含水量（以本試驗(yàn)成果為例）控制在4.7 %以下，這樣才能使基層的強(qiáng)度損失的速度不至于過快，反之，當(dāng)從面層上滲入到基層的水量使基層的含水量超過4.7 %時(shí)，基層的模量值將會(huì)損失很快，尤其是當(dāng)含水量超過碾壓時(shí)的最優(yōu)含水量時(shí)，基層的強(qiáng)度將會(huì)減小很大程度，從而使基層的承重功能不能得到發(fā)揮。如果基層處于過濕狀態(tài)的時(shí)間過長(zhǎng)，在不同的荷載作用下，路面面層受力處于不均勻狀態(tài)，進(jìn)而造成路面面層的水損害，路面受損勢(shì)必使更多的水滲入到基層，這樣會(huì)更進(jìn)一步造成基層的強(qiáng)度損失，會(huì)導(dǎo)致路面的循環(huán)破損以致路面完全破壞。

綜合來看，基層的強(qiáng)度減小最快的區(qū)域?yàn)樽顑?yōu)含水量附近，路基含水量太高影響路基強(qiáng)度，而路基含水量過低則影響水泥的水化和水解反應(yīng)過程，因此保障路基的含水量低于碾壓時(shí)的含水量的15 %左右，可有效保證基層的強(qiáng)度受含水量影響不大。

5 結(jié)論

從上述分析可以得出路面的面層設(shè)計(jì)和路面內(nèi)部的防排水設(shè)施應(yīng)盡量保證少量的水滲入到基層，中央分隔帶的防排水措施及防排水的施工應(yīng)該保證其防水的質(zhì)量。如果在防排水設(shè)施最不利的情況下工作，盡量使少量水存留于基層中，水分的存留量不能使基層的含水量的增量過大，并且不能高于低極限含水量，基層含水量的控制應(yīng)在最優(yōu)含水量以下15 %的范圍，才能保證基層強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)也對(duì)防排水的設(shè)計(jì)以及路面養(yǎng)護(hù)具有指導(dǎo)意義。

1 苗英豪、王秉綱、李 超、戈普塔. 中國公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2008.28（1）：26～31

2 蔣 甫、應(yīng)榮華、秦仁杰. 昌樟高速公路水損害調(diào)查分析與處治措施. 公路，2006.12（12）：200～204

3 楊若沖、梁錫三、賴用滿. 瀝青路面水損害典型原因與對(duì)策.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008.36（6）：749～753