骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料配合比設(shè)計及施工技術(shù)探究

謝　銳

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥　230088)

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骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料配合比設(shè)計及施工技術(shù)探究

謝銳

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：該文通過結(jié)合骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料基層的施工實(shí)踐經(jīng)驗，探討了路面工程水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層原材料相關(guān)技術(shù)要求及配合比組成設(shè)計過程，研究了礦料級配科學(xué)的、合理的優(yōu)化，在施工過程當(dāng)中質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，旨在進(jìn)一步推廣骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：骨架密實(shí)；水穩(wěn)混合料；配合比組成設(shè)計；礦料級配；控制要點(diǎn)

0引言

所謂骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料，是粗集料以連續(xù)級配形成相互嵌擠的骨架，集料間以靠攏而不緊密為原則，以水泥及細(xì)集料填充骨架的空隙，有效地提高了混合料間的內(nèi)摩擦角[1]，形成各自發(fā)揮的優(yōu)勢，從而有效地提高了混合料的密實(shí)度和強(qiáng)度，提高了抗裂性能，形成了一種骨架嵌擠密實(shí)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的無機(jī)穩(wěn)定結(jié)合材料。高速公路、一級公路的水穩(wěn)基層應(yīng)采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)型水泥穩(wěn)定碎石混合料。

骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料的特點(diǎn)：① 骨架級配嵌擠能力強(qiáng)，整體強(qiáng)度高、強(qiáng)度隨齡期增長而不斷增長，抗裂性能好、穩(wěn)定性及耐久性優(yōu)[2]。② 采用振動壓實(shí)法進(jìn)行最大干密度和最佳含水率的確定，粗集料不易被擊碎，級配不退化，模擬現(xiàn)場施工壓實(shí)方式。③ 水穩(wěn)混合料中粗集料多，易于形成骨架，具有較高的內(nèi)摩阻力,而且粘聚力強(qiáng)。④ 采用振動壓實(shí)成型方法進(jìn)行配合比的設(shè)計，水泥用量低，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。⑤ 施工工藝與傳統(tǒng)基層施工類似，重視水穩(wěn)混合料基層的壓實(shí)。

1混合料配合比組成設(shè)計

1.1原材料技術(shù)要求

(1) 水泥。水穩(wěn)混合料采用的水泥初凝時間應(yīng)不小于3 h、終凝時間應(yīng)不小于6 h；受外界影響變質(zhì)的水泥不宜采用；不應(yīng)使用早強(qiáng)水泥，早強(qiáng)水泥的水化熱比較大，對溫縮不利；如果采用散裝水泥，水泥應(yīng)入罐7 d后，待安定性合格方可使用；夏季高溫時，散裝水泥入罐溫度不能高于50 ℃，否則應(yīng)采取降溫措施。本項目采用安徽省鳳陽縣中都水泥有限公司生產(chǎn)的P.C32.5級緩凝型普通硅酸鹽水泥，初凝時間為270 min，終凝時間為410 min；3 d抗折強(qiáng)度為3.5 MPa,28 d抗折強(qiáng)度為7.6 MPa；3 d抗壓強(qiáng)度為16.4 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa。

(2) 粗集料。水穩(wěn)混合料中的粗集料，應(yīng)使用硬質(zhì)巖石經(jīng)二級反擊破軋碎生產(chǎn)而成，且應(yīng)進(jìn)行除塵。其碎石應(yīng)具有足夠強(qiáng)度、表面粗糙、潔凈、棱角性好、無風(fēng)化、無雜質(zhì)。壓碎值應(yīng)小于26%，9.5 mm顆粒以上針片狀含量應(yīng)小于15%，4.75 mm顆粒以上針片狀含量應(yīng)小于20%；本項目采用安徽蕭縣丁里鎮(zhèn)孫小林子石料場生產(chǎn)的碎石，壓碎值為19.5%，9.5 mm顆粒以上針片狀含量為8.5%，4.75 mm顆粒以上針片狀含量為10.2%。

(3) 細(xì)集料。水穩(wěn)混合料中的細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，具有一定強(qiáng)度。石屑應(yīng)與粗集料同一塘口碎石加工生產(chǎn)而成，過細(xì)的顆粒應(yīng)篩除，生產(chǎn)過程中應(yīng)具有脈沖布袋式抽吸設(shè)備，確保0.075 mm通過率小于13%，砂當(dāng)量不小于55%。小于0.6 mm的顆粒液限小于28%，塑性指數(shù)小于9。本項目采用的石屑與碎石均為同一廠家、同一塘口生產(chǎn)加工而成，其0.075 mm通過率為11.3%，砂當(dāng)量為62%，小于0.6 mm的顆粒液限為15.7%，塑性指數(shù)為1.8。

1.2混合料配合比組成設(shè)計

水穩(wěn)混合料配合比設(shè)計要求：采用骨架密實(shí)型，集料最大粒徑不大于31.5 mm，大于4.75 mm的含量不低于70%；采用靜壓法成型的試件，7 d浸水抗壓強(qiáng)度代表值為3.0～4.0 MPa；以振動壓實(shí)法確定的最大干密度和相應(yīng)最佳含水率作為施工過程中的壓實(shí)質(zhì)量控制；確定水穩(wěn)混合料的延遲時間及其對強(qiáng)度的影響；水穩(wěn)混合料抗凍性的探索；設(shè)計組成應(yīng)方便施工，即粗細(xì)集料離析少，施工和易性好。

(1) 礦料級配的合成設(shè)計。骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料的綜合路用性能受礦料級配影響很大，尤其是抗裂、抗凍及抗沖刷等性能。在配合比相關(guān)級配的組合過程中，應(yīng)對其進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化，最大粒徑過大或整體級配越粗，混合料表面就越容易離析；整體級配越細(xì)，其干燥收縮也就越大，且破壞主要在早期發(fā)生；細(xì)集料含量越多，水穩(wěn)混合料的干密度及強(qiáng)度越大，但是抗沖刷性和抗裂性能越差；0.075 mm以下粉料含量越多，水穩(wěn)混合料的抗裂效果越差。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對原材料及礦料級配的控制，盡可能的減少細(xì)集料用量；在減少含泥量的同時，應(yīng)該嚴(yán)格限制細(xì)料及粉料用量。實(shí)踐表明，優(yōu)化水穩(wěn)混合料的級配可以明顯增加水穩(wěn)混合料的密度、強(qiáng)度和耐久性，減少水泥用量，提高抗裂性和抗沖刷性能，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本[3]。

結(jié)合濟(jì)祁高速公路永城至利辛安徽段水穩(wěn)混合料基層施工實(shí)踐經(jīng)驗，要求組成混合料的級配應(yīng)符合表1所示規(guī)定的范圍。按五種碎石規(guī)格備料，取工地實(shí)際使用的碎石，分別對其水洗篩分，按碎石顆粒計算確定各礦料的比例組成。在混合料的合成級配擬合過程中，4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm的通過率應(yīng)接近礦料級配范圍的下限；在優(yōu)化礦料合成級配中，4.75 mm的通過率將起著非常重要的作用，其通過率為22%～30%時為最佳，不應(yīng)大于30%，因為4.75 mm以上顆粒是構(gòu)成骨架的主要部分[4]；9.5 mm通過率為50%左右時，混合料將呈現(xiàn)出良好的級配形態(tài)，并且表面不容易離析；2.36 mm的通過率為20%左右較為適宜；0.6 mm以下含量越少越好；石屑中小于0.075 mm的部分粉塵應(yīng)嚴(yán)格限制，不應(yīng)大于13%，否則會影響抗裂效果。各檔碎石摻配比例及合成級配結(jié)果，如表1所列。

表1　骨架密實(shí)型水穩(wěn)基層礦料級配范圍、摻配比例及合成級配設(shè)計結(jié)果

經(jīng)設(shè)計確定礦料的標(biāo)準(zhǔn)級配在施工過程中不得隨意更改。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)跟蹤檢測，嚴(yán)格控制進(jìn)場材料質(zhì)量及混合料的級配，如遇材料發(fā)生變化并經(jīng)檢測礦料級配或混合料的性能指標(biāo)不符合設(shè)計要求時，應(yīng)及時調(diào)整，使其質(zhì)量符合要求并保持相對穩(wěn)定，必要時重新進(jìn)行水穩(wěn)混合料配合比的組成設(shè)計。

(2) 最大干密度和最佳含水率確定。按表1計算的各種材料的組成比例，分別按3.0%、3.4%、3.8%、4.2%、4.6%五種水泥劑量，配置間隔為1%的5種不同含水率的水穩(wěn)混合料，靜置浸潤后，按文獻(xiàn)[6]規(guī)定，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)及振動壓實(shí)試驗，確定其最大干密度和最佳含水率，其試驗結(jié)果如表2所列。使用振動壓實(shí)儀成型水穩(wěn)混合料試件時，其振動壓實(shí)時間為120 s，振動頻率為30 Hz，振幅為1.4 mm[5]。從表2試驗結(jié)果可以看出，振動壓實(shí)法所取得最大干密度大于重型擊實(shí)試驗結(jié)果很多，最佳含水量小于重型擊實(shí)試驗結(jié)果，兩者其最大干密度試驗結(jié)果的比值在1.01～1.03之間。這說明采用振動壓實(shí)法確定的最大干密度和相應(yīng)的最佳含水率作為施工現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量的控制是科學(xué)合理的，符合配合比設(shè)計要求及骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料的特點(diǎn)。

(3) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)及振動壓實(shí)法取得的最大干密度與最佳含水率，分別計算、配置、成型混合料試件，測其高度與質(zhì)量后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生(溫度20 ℃±2 ℃、濕度95%以上，恒溫保濕養(yǎng)生6 d，浸水1 d)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，其試驗結(jié)果如表2所列?？梢钥闯觯駝訅簩?shí)試驗結(jié)果大于重型擊實(shí)結(jié)果，其7 d抗壓強(qiáng)度代表值結(jié)果比在1.92～2.03之間。根據(jù)設(shè)計要求，采用靜壓法成型試件其7 d抗壓強(qiáng)度的代表值為3.0～4.0 MPa，在滿足基層各項力學(xué)指標(biāo)的前提下，盡量減少水泥用量，以達(dá)抗裂性能要求。實(shí)際上按照振動壓實(shí)法成型的混合料試件在水泥劑量為3%時，都已經(jīng)高于設(shè)計強(qiáng)度要求了，但是考慮到在大面積施工過程中，原材料波動偏大，水穩(wěn)拌和樓、現(xiàn)場攤鋪精度欠穩(wěn)定，且為冬季施工等綜合因素，在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合施工技術(shù)規(guī)范及配合比設(shè)計要求，最終確定水泥劑量為3.8%，最大干密度為2.410 g/cm3,最佳含水率為4.8%。

表2　振動壓實(shí)與重型擊實(shí)法各項試驗技術(shù)指標(biāo)結(jié)果

(4) 耐久性。采用凍融循環(huán)試驗確定適宜的水泥穩(wěn)定碎石材料，探索骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料在潮濕冰凍條件下的使用性能[6]，并對其抗凍性進(jìn)行評價。將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至28 d，飽水后，放入-18 ℃冰柜中，凍結(jié)16 h后，取出再放入20 ℃恒溫水槽中融化8 h，如此反復(fù)經(jīng)過5個凍融循環(huán)后，在飽水狀態(tài)下，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗[7]。按靜壓法成型的混合料試件，測得凍融循環(huán)后的飽水抗壓強(qiáng)度為5.6 MPa，未凍融循環(huán)經(jīng)飽水后28 d抗壓強(qiáng)度為6.9 MPa，其抗凍強(qiáng)度損失為81.16%；按振動壓實(shí)法成型的混合料試件，凍融循環(huán)后的飽水抗壓強(qiáng)度值為6.4 MPa，未凍融循環(huán)經(jīng)飽水后28 d抗壓強(qiáng)度為7.8 MPa，其抗凍強(qiáng)度損失為82.05%。由此可表明在多次凍融循環(huán)反復(fù)作用下，水穩(wěn)混合料具有良好的抗凍性，不影響其基層的使用強(qiáng)度。

(5) 混合料的延遲時間。由于水泥穩(wěn)定碎石混合料，從加水拌和到碾壓終了的時間對其強(qiáng)度和所能達(dá)到的干密度有較明顯的影響，延遲時間愈長，混合料的干密度和強(qiáng)度損失愈大[8]。為確定現(xiàn)場施工水穩(wěn)混合料的延遲時間，進(jìn)行了延遲時間的強(qiáng)度試驗。水泥劑量為3.8%時，分別通過2 h、4 h、6 h采用靜壓法成型的水穩(wěn)混合料試件，測定其7 d的強(qiáng)度代表值分別依次為3.2 MPa 、3.0 MPa 、2.9 MPa，由此表明6 h強(qiáng)度不能滿足設(shè)計規(guī)定強(qiáng)度要求。水穩(wěn)混合料基層在施工過程中，應(yīng)充分考慮并預(yù)防可能發(fā)生的一切不利因素(如運(yùn)距、車輛及設(shè)備故障等)，從現(xiàn)場拌和到碾壓終了的時間應(yīng)控制在4h以內(nèi),不得超過6 h，以確保工程實(shí)體質(zhì)量。

2水穩(wěn)混合料施工技術(shù)要求

骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料的施工應(yīng)采用流水作業(yè)法，混合料的拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓及養(yǎng)生各工序間應(yīng)緊密銜接。特別要注意縮短混合料從加水拌和到完成碾壓終了的時間不超過4 h。水穩(wěn)混合料基層施工最低氣溫應(yīng)在5 ℃以上；雨季施工時，應(yīng)勿使水泥和混合料遭受雨淋，降雨時應(yīng)停止施工，對已經(jīng)攤鋪的水穩(wěn)混合料應(yīng)盡快碾壓密實(shí)成型。

2.1水穩(wěn)混合料的拌和

水穩(wěn)混合料的拌和應(yīng)均勻一致，無明顯粗細(xì)集料離析現(xiàn)象。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制混合料的含水量，含水量過大，容易產(chǎn)生干縮裂縫及“彈簧”現(xiàn)象；含水量過小，則混合料不容易被碾壓密實(shí)[9]；因此，混合料每天攪拌前，應(yīng)先認(rèn)真檢查各種集料的含水量，計算施工過程中的水份損失及當(dāng)天的施工配合比，混合料的含水量應(yīng)比最佳含水量略高0.5%～1%。每天開始攪拌后，應(yīng)認(rèn)真檢查混合料的級配和水泥劑量是否符合配合比設(shè)計要求，是否均勻穩(wěn)定。正式生產(chǎn)后，應(yīng)隨時在線檢查配合比、含水量的變化，如有改變，應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。高溫季節(jié)施工，混合料的含水量應(yīng)根據(jù)溫度氣候條件的變化及時調(diào)整。拌和樓控制系統(tǒng)要逐盤自動計量和打印水泥及各礦料的用量，并定期對拌和稱量設(shè)備進(jìn)行校核。

2.2水穩(wěn)混合料的運(yùn)輸

水穩(wěn)混合料的運(yùn)輸車輛應(yīng)采用大噸位自卸車，用篷布全部覆蓋，以減少含水量損失，其數(shù)量應(yīng)滿足拌和樓出料和攤鋪需要，且略有富余，不得加高廂板，槽邦。裝料前應(yīng)認(rèn)真檢查其性能是否良好，車廂是否清洗干凈。運(yùn)輸車輛必須均勻裝載混合料，從拌和機(jī)向運(yùn)料車上放料時，每卸一斗混合料，汽車應(yīng)前后移動，分三次裝料[10]，以減少混合料的離析。混合料運(yùn)至現(xiàn)場，應(yīng)一次性將混合料緩慢卸入攤鋪機(jī)中，盡快攤鋪、碾壓成型，減少停頓。如果運(yùn)輸車輛中途出現(xiàn)故障，必須以最短時間排除，以確保水穩(wěn)混合料在初凝時間內(nèi)攤鋪壓實(shí)，否則必須予以廢棄。

2.3水穩(wěn)混合料的攤鋪

水穩(wěn)混合料的攤鋪是基層施工過程中的重要環(huán)節(jié)。本項目采用兩臺攤鋪機(jī)梯隊作業(yè)施工攤鋪，一次性碾壓密實(shí)。為確保路面的平整度和厚度滿足規(guī)范及設(shè)計要求，攤鋪機(jī)兩側(cè)以走鋼絲形式作為引導(dǎo)高程控制方式，收料斗兩側(cè)應(yīng)固定擋皮，防止混合料豎向和橫向離析及漏料現(xiàn)象。攤鋪前應(yīng)先檢查攤鋪機(jī)的各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，攤鋪機(jī)應(yīng)調(diào)整至最佳的工作狀態(tài)，其螺旋布料器應(yīng)有2/3埋入混合料中，調(diào)整好傳感器臂與鋼絲的控制線，嚴(yán)格控制水穩(wěn)基層厚度和標(biāo)高。攤鋪機(jī)的攤鋪應(yīng)緩慢、連續(xù)、均勻不間斷的攤鋪，攤鋪速度控制在2.5 m/min左右予以調(diào)整，禁止攤鋪機(jī)停機(jī)待料現(xiàn)象。沒有壓實(shí)的水穩(wěn)混合料，施工人員不得進(jìn)入踩踏。兩臺攤鋪機(jī)的速度、松鋪系數(shù)、路拱橫坡度、平整度及振動頻率等均應(yīng)保持一致，其接縫應(yīng)平整、密實(shí)。在攤鋪機(jī)的后面應(yīng)設(shè)專人消除混合料的離析現(xiàn)象，鏟除局部的粗集料“窩”并采用新拌水穩(wěn)混合料填補(bǔ)。

2.4水穩(wěn)混合料碾壓

水穩(wěn)混合料的壓實(shí)是基層質(zhì)量的重要保證，應(yīng)合理選擇壓路機(jī)組合方式和碾壓步驟，嚴(yán)格遵循碾壓程序及施工工藝，做到穩(wěn)壓充分，振動不起浪、不推移。壓路機(jī)要緊跟攤鋪機(jī)的后面，一次性碾壓長度控制在40～60 m之間，輪跡應(yīng)重疊1/2輪寬，每層最大壓實(shí)厚度不大于20 cm。碾壓段落應(yīng)井然有序、界線分明，確保不漏壓。在碾壓過程中，按照穩(wěn)壓→弱振動碾壓→強(qiáng)振動碾壓→膠輪穩(wěn)壓的順序進(jìn)行。在初壓時，壓路機(jī)應(yīng)做到同進(jìn)同退；換擋宜在碾壓好的路段上，且應(yīng)平順，不應(yīng)拉動水穩(wěn)混合料。在碾壓過程中，要重視膠輪壓路機(jī)對水穩(wěn)混合料的搓揉和橫向碾壓的嵌擠作用，可顯著增加成型后水穩(wěn)基層的密實(shí)性和密水性。碾壓應(yīng)在水泥初凝之前完成，直至混合料表面無明顯輪跡為止。終壓結(jié)束后，應(yīng)立即檢測壓實(shí)度，對于不合格的測點(diǎn)應(yīng)立即進(jìn)行復(fù)壓，直到全部測點(diǎn)符合要求為止。

2.5養(yǎng)生及交通管制

水穩(wěn)混合料基層碾壓成型后應(yīng)立即開始養(yǎng)生。采用雙層透水無紡?fù)凉げ急耩B(yǎng)生，用人工覆蓋在碾壓完成的層面上，2 h后用灑水車灑水，再用塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生。養(yǎng)生期間應(yīng)定期灑水，在7 d內(nèi)應(yīng)保持水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層處于濕潤狀態(tài)，在28 d內(nèi)應(yīng)進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，以滿足強(qiáng)度持續(xù)增長的需要。灑水車養(yǎng)生時，其噴頭應(yīng)做成噴霧式，不得采用高壓式噴管，以免破壞水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層；每天灑水的次數(shù)視溫度氣候而定，整個養(yǎng)生期間應(yīng)始終保持水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層表面濕潤狀態(tài)，不應(yīng)過濕或忽干忽濕。養(yǎng)生期一般應(yīng)不少于7 d，灑水車在另一側(cè)車道上行駛，工人手持水帶灑水養(yǎng)生。不得用濕黏土，塑料編制物覆蓋。養(yǎng)生結(jié)束后或者進(jìn)入下一道工序施工時方可移走覆蓋物，且必須將其覆蓋物清除干凈。在養(yǎng)生期間應(yīng)該封閉交通，以避免車輛荷載對路面水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生破壞。

3水穩(wěn)混合料的質(zhì)量控制

水泥劑量的測定應(yīng)在拌和機(jī)拌和后取樣，并在10 min內(nèi)進(jìn)行滴定試驗；水泥用量的檢測除用滴定法外，還必須進(jìn)行總量控制校核，每天記錄施工實(shí)際水泥用量、集料用量及實(shí)際工程量，計算校核水泥劑量檢測的準(zhǔn)確性。水穩(wěn)混合料的級配篩分除在拌和機(jī)皮帶上取花白料進(jìn)行篩分試驗外，還可以抽取水穩(wěn)混合料，配合水泥劑量，采用水洗篩分或燃燒法測定。水穩(wěn)混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢驗應(yīng)在拌和場按規(guī)定方法取樣制備試件。壓實(shí)度檢查應(yīng)在終壓結(jié)束后立即進(jìn)行，對于小于規(guī)定值的測點(diǎn)應(yīng)立即進(jìn)行處理，直到全部測點(diǎn)符合規(guī)定要求為止。

4結(jié)束語

本文通過結(jié)合施工實(shí)踐經(jīng)驗，對骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料的配合比組成設(shè)計及施工過程作了相關(guān)分析論述，從而獲得了一整套較為完整的技術(shù)方案，以供借鑒和參考。本項目在實(shí)施過程中，通過對施工過程中的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效監(jiān)控，有效地提高路面水穩(wěn)混合料基層的強(qiáng)度和路面使用性能，取得了良好的效果。

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收稿日期：2016-03-10；修改日期：2016-03-22

作者簡介：謝銳(1978-)，男，安徽淮北人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司工程師．

中圖分類號：U414.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0266-04