基于振動(dòng)成型技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石在城市道路基層中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊磊　周西棚　韓永強(qiáng)

摘要：結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)比研究水泥穩(wěn)定碎石基層振動(dòng)壓實(shí)與傳統(tǒng)重型擊實(shí)兩種配合比設(shè)計(jì)方法，得出如下結(jié)論：使用振動(dòng)成型方法更能準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)場(chǎng)施工的碾壓過(guò)程，得到的混合料有較低的最佳含水率、較高的最大干密度和強(qiáng)度；工程實(shí)踐表明，使用振動(dòng)成型方法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)，能有效加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程中壓實(shí)質(zhì)量的控制，減少基層收縮裂縫的產(chǎn)生，有利于延長(zhǎng)道路使用壽命。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)成型技術(shù)；水泥穩(wěn)定碎石；道路基層

中圖分類號(hào)：U416.214文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2016）09-06-02

引言

半剛性基層以其較高的抗壓強(qiáng)度、剛度、較好的整體性、原材料來(lái)源廣、工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)廣泛地被我國(guó)道路建設(shè)所采用，水泥穩(wěn)定碎石作為一種主要的半剛性基層材料，早期強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性好、整體性強(qiáng)，因此在我國(guó)近二十多年的道路建設(shè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

在大面積使用過(guò)程中，參建各單位及規(guī)范均以水泥穩(wěn)定基層的強(qiáng)度及壓實(shí)度作為主控標(biāo)準(zhǔn)，雖然也明確提出了水泥用量的具體要求，但在施工過(guò)程中為保障基層強(qiáng)度，往往水泥用量偏大造成普遍性的干縮裂縫。為此在實(shí)踐中也采取了如摻加粉煤灰、人工切縫等措施，但均未較好的解決干縮裂縫反射至瀝青面層，影響路面結(jié)構(gòu)使用壽命和通行質(zhì)量的問(wèn)題。

同時(shí)伴隨著我國(guó)筑路機(jī)械設(shè)備技術(shù)水平及壓實(shí)功率的提高，20t～30t的振動(dòng)壓路機(jī)在施工中得到普遍運(yùn)用。原規(guī)范是以當(dāng)時(shí)的施工工藝為標(biāo)準(zhǔn)制定的，就目前的施工水平來(lái)說(shuō)，極易出現(xiàn)壓實(shí)度超100%現(xiàn)象，反映原實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重型擊實(shí)法所測(cè)得的水泥穩(wěn)定碎石最大干密度值較實(shí)際值偏小。在此背景下，更能模擬現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)機(jī)理的振動(dòng)成型配合比試驗(yàn)方法逐漸進(jìn)入大家的視線。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用振動(dòng)成型進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)，更符合現(xiàn)場(chǎng)的碾壓工藝，其強(qiáng)度提高主要依靠于壓實(shí)度提高而非水泥用量，可有效減少水泥用量，從而很大程度上減緩裂縫的產(chǎn)生，延長(zhǎng)道路的使用壽命。

1.原材料

1.1水泥

在水泥穩(wěn)定碎石混合料中，水泥是主要的穩(wěn)定劑和膠結(jié)材料，水泥的性能直接影響基層的使用性能，因此在施工中對(duì)每批進(jìn)場(chǎng)的水泥都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)，不合格產(chǎn)品堅(jiān)決不能使用。本次試驗(yàn)采用緩凝型的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用水泥的細(xì)度、初終凝時(shí)間、體積安定性及強(qiáng)度均滿足使用要求。

1.2集料

碎石最大粒徑不得超過(guò)31.5mm，按照不同的粒徑范圍進(jìn)場(chǎng)，分類堆放，堆放場(chǎng)地須硬化，并設(shè)置遮雨防塵設(shè)施。按照規(guī)范要求對(duì)集料進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，各項(xiàng)物理指標(biāo)均滿足要求。

2.配合比設(shè)計(jì)

使用同樣的礦料級(jí)配，分別采用重型擊實(shí)成型和振動(dòng)成型兩種方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，對(duì)比分析兩種成型方法對(duì)混合料性能的影響。

建筑建材裝飾

2.1礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

要保證水泥穩(wěn)定碎石基層的使用性能，首先應(yīng)在集料級(jí)配上予以保證，目前主要的三種混合料結(jié)構(gòu)類型分為懸浮密實(shí)型、骨架空隙型和骨架密實(shí)型，水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能主要是由原材料的性能和混合料的結(jié)構(gòu)所決定的，根據(jù)莫爾一庫(kù)倫強(qiáng)度理論，混合料的強(qiáng)度取決于兩個(gè)方面：水泥膠體在集料之間形成的粘結(jié)力和集料之間相互嵌擠形成的內(nèi)摩阻力，在基層破壞后期，水泥水化形成的粘結(jié)網(wǎng)基本破壞殆盡，集料問(wèn)的嵌擠力起到主要的作用，因此，集料的級(jí)配類型是保證混合料性能的主要因素。骨架-密實(shí)型混合料有粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)，又有細(xì)集料填充空隙，保證混合料的密實(shí)度，相對(duì)于其它兩種結(jié)構(gòu)類型，骨架一密實(shí)型結(jié)構(gòu)能夠提供最好的路用性能，因此選擇骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)作為本文的級(jí)配類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2確定最佳含水率與最大干密度

分別采用重型擊實(shí)法和振動(dòng)壓實(shí)成型法制作試件，測(cè)定不同水泥用量下的最大干密度和最佳含水率，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用振動(dòng)壓實(shí)成型的試件最大干密度和最佳含水量分別為2.401g/cm³，4.38%（3%水泥含量），2.478g/cm³，5.04%（4%水泥含量），而重型擊實(shí)成型的試件最大干密度和最佳含水量分別為2.331g/cm³，4.52%（3%水泥含量），2.358g/cm³，5.16%（4%水泥含量）。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)成型試件最大干密度偏大大而最佳含水率偏小，在水泥劑量為3.0%時(shí)，最大干密度的增大量和最佳含水率的減小量分別為3.0%和3.1%（相對(duì)于重型擊實(shí)方法計(jì)算），在4.0%的水泥劑量下，這一數(shù)據(jù)分別為5.1%和23%。

2.3強(qiáng)度試驗(yàn)

養(yǎng)生后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用傳統(tǒng)重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度代表值分別達(dá)到4.05Mpa（3%水泥劑量）、4.51Mpa（4%水泥劑量），而采用振動(dòng)成型法的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度代表值分別達(dá)到4.93Mpa（3%水泥劑量）、5.86Mpa（4%水泥劑量）。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的水泥劑量下，振動(dòng)壓實(shí)成型的試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比重型擊實(shí)成型的試件明顯增高，在3%和4%的水泥劑量下相對(duì)傳統(tǒng)重型擊實(shí)成型方法強(qiáng)度增量分別達(dá)到21.7%和29.9%。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，使用振動(dòng)壓實(shí)成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水率有所減低，但最大干密度有了提高，并且7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有了顯著的提高。究其原因，混合料在振動(dòng)壓實(shí)的過(guò)程中，其中的各類粒料有微小的位移，以找到最合適的位置，形成較為穩(wěn)固的嵌擠結(jié)構(gòu)，振動(dòng)成型的優(yōu)越性不僅僅是密度的提高，而且能夠發(fā)揮對(duì)混合料級(jí)配結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用，使混合料的結(jié)構(gòu)效應(yīng)得到最大程度的發(fā)揮，從而提高混合料的強(qiáng)度和耐久性。

3.工程應(yīng)用

3.1工程概況

試驗(yàn)依托工程為鄭州某條快速路，規(guī)劃道路紅線寬度50m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置形式為3.5m人行道+1.5m邊綠化帶+3.5m非機(jī).動(dòng)車道+20m機(jī)非分隔帶1+11m機(jī)動(dòng)車道+7m中央分隔帶+11m機(jī)動(dòng)車道+2.0m機(jī)非分隔帶+3.5m非機(jī)動(dòng)車道+1.5m邊綠化帶+3.5m人行道；機(jī)動(dòng)車道路面結(jié)構(gòu)總厚度為70cm，自上而下依次為：4cmAC-13C瀝青混凝土+5cmAC-16C瀝青混凝土+7cmAC-25C瀝青混凝土+18cm4%水泥穩(wěn)定碎石+18cm3%水泥穩(wěn)定碎石+18cm水泥石灰土，其中水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層采用振動(dòng)壓實(shí)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

3.2施工質(zhì)量檢查

養(yǎng)生期結(jié)束后，取芯檢查基層厚度、壓實(shí)度、強(qiáng)度等，若出現(xiàn)不合格點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行處理。

鉆孔取芯檢查基層底基層水泥穩(wěn)定碎石的壓實(shí)度及強(qiáng)度，鉆取芯樣50個(gè)，基層、底基層水泥穩(wěn)定碎石芯樣壓實(shí)度全部合格，強(qiáng)度指標(biāo)均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。對(duì)比配合比設(shè)計(jì)時(shí)混合料最大干密度，發(fā)現(xiàn)無(wú)論基層還是底基層都出現(xiàn)了相當(dāng)一部分芯樣干密度超過(guò)重型擊實(shí)確定的混合料最大干密度，即出現(xiàn)所謂壓實(shí)度“超百”現(xiàn)象，而使用振動(dòng)成型確定混合料最大干密度基本無(wú)壓實(shí)度超百現(xiàn)象，實(shí)際工程實(shí)踐說(shuō)明，使用振動(dòng)成型進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)和施工有利于提高工程的施工質(zhì)量。

3.3工程效果

從施工過(guò)程中看，基層、底基層材料在攤鋪、碾壓過(guò)程中未出現(xiàn)明顯的材料離析現(xiàn)象，養(yǎng)生7天后取出的芯樣密實(shí)、完整，骨架結(jié)構(gòu)完好，壓實(shí)度全部滿足設(shè)計(jì)要求，并且未出現(xiàn)壓實(shí)度超百的現(xiàn)象，芯樣的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；但是鋪筑試驗(yàn)段時(shí)發(fā)現(xiàn)底基層攤鋪碾壓完成之后表面有松散現(xiàn)象，后對(duì)底基層水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量進(jìn)行調(diào)整，由3%提升至3.5%后，表面松散剝落現(xiàn)象完全消除，正式施工時(shí)均采取3.5%的水泥劑量。

基于振動(dòng)成型方法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層于2013年10月12日全部鋪筑完成，鋪筑瀝青混合料面層之前，基層頂面未出現(xiàn)收縮裂縫，但是觀察同期施工的采用重型擊實(shí)方法設(shè)計(jì)的道路基層出現(xiàn)了少許收縮裂縫。該條道路于2013年底通車，次年6月份對(duì)其進(jìn)行裂縫調(diào)查，在路段全長(zhǎng)上僅有4條裂縫，而采用重型擊實(shí)方法設(shè)計(jì)的道路在通車半年后出現(xiàn)了較多的反射裂縫，且裂縫之間距離較短。結(jié)果表明，采用振動(dòng)成型方法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)，能夠有效的控制施工過(guò)程中的壓實(shí)質(zhì)量，大大減少了基層裂縫的產(chǎn)生，對(duì)解決瀝青路面反射裂縫問(wèn)題具有積極的意義。

4.結(jié)論

（1）使用振動(dòng)成型進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石基層配合比設(shè)計(jì)，能更好的模擬現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝，兩種方法的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在3.0%和4.0%的水泥劑量下，使用振動(dòng)成型確定的混合料最大干密度分別比使用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法增加3.0%和5.1%，最佳含水率減小3.1%和2.3%。

（2）振動(dòng)成型能優(yōu)化混合料內(nèi)部的級(jí)配結(jié)構(gòu)，增加集料之間的嵌擠力，從而提高混合料的強(qiáng)度，在3.0%和4.0%的水泥劑量下，采用振動(dòng)成型法比采用重型擊實(shí)法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了28.9%和38.5%。

（3）工程實(shí)踐表明，使用振動(dòng)成型方法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)，能有效加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程中壓實(shí)質(zhì)量的控制，減少基層收縮裂縫的產(chǎn)生，有利于延長(zhǎng)道路使用壽命，適宜大范圍推廣使用。

（4）較常規(guī)重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)成型水泥穩(wěn)定碎石基層配合比設(shè)計(jì)對(duì)施工組織和工藝提出了更加細(xì)致的要求，而市政道路中存在較多管線檢查井、收水井等構(gòu)筑物，大型碾壓機(jī)械設(shè)備難以到達(dá)，對(duì)該部分處理需進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際工程情況進(jìn)行研究試驗(yàn)。