抗裂型水泥穩(wěn)定碎石在工程中的應(yīng)用研究

江峰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

抗裂型水泥穩(wěn)定碎石在工程中的應(yīng)用研究

江峰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場檢測手段對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石配合設(shè)計(jì)方法、施工控制要點(diǎn)及使用效果進(jìn)行研究。基于振動成型與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，對不同4.75 mm通過率水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行研究，并綜合考慮抗裂及強(qiáng)度要求建議4.75 mm通過率宜控制在26%～30%。最終采用3.5%水泥用量，最佳含水量為5.0%，4.75 mm通過率為30%的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石鋪筑基層，效果良好。

定道路工程；瀝青路面；水泥穩(wěn)碎石

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層是我國應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式之一，由于水泥穩(wěn)定類材料極易出現(xiàn)干縮和溫縮裂縫，故基層開裂引起的反射裂縫是瀝青路面最常見的病害形式之一。因此對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的研究具有重要意義，國內(nèi)在這方面也進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成果。琚曉輝通過現(xiàn)場調(diào)研與檢測分析瀝青路面裂縫病害，并對水泥穩(wěn)定碎石材料組成、配合比設(shè)計(jì)、路用性能及施工工藝進(jìn)行研究；查旭東基于兩級干搗試驗(yàn)、i法和CBR試驗(yàn)確定骨架密實(shí)型級配，并根據(jù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度確定合理的水泥用量；蔣應(yīng)軍從級配、試驗(yàn)手段及現(xiàn)場質(zhì)量控制等方面對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行研究，結(jié)果表明振動成型方法確定的最大干密度是重型擊實(shí)的1.02～1.04倍，含水量小0.5%～2.0%，混合料具有更好的抗裂性能；王鵬飛提出了基于正交設(shè)計(jì)的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明該方法確定的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石具有更好的力學(xué)及抗裂性能；邱耀平將骨架抗裂型水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用于吳江市政道路中，并取得良好效果。

本文以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，重點(diǎn)研究4.75 mm通過率對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，通過振動成型方法確定最佳含水量與最大干密度，并將抗裂型水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用于實(shí)體工程中，為以后的工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況

以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行研究。該路段拖掛車、集裝箱等運(yùn)輸車輛比重較高，路段平均為33%。路基寬度28.0 m，具體布置為：28.0 m=2×（1.5 m土路肩+3.75 m硬路肩+7.5 m行車道+0.5 m路緣帶+1.5/2 m中分帶）。雙向四車道，原路面為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)類型，4 cm的LH-20-Ⅰ中粒式瀝青混凝土+6 cm的LH-30-Ⅱ粗粒式瀝青混凝土+25 cm的二灰碎石+30 cm的12%灰土+30 cm8%灰土，其下為土基。1998年建成通車至今，在車輛荷載及環(huán)境作用下，原路面已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫、坑槽、車轍等病害，急劇降低路面服務(wù)水平。因此為改善瀝青路面的行車舒適性，決定對該路段進(jìn)行大中修。

對該段路面進(jìn)行了彎沉檢測（每20 m間隔進(jìn)行檢測），對其進(jìn)行整理分析，并按照路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度PSSI進(jìn)行評價(jià)。按照交通量測算，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道累計(jì)當(dāng)量軸次計(jì)算為2.04×107（次/車道），設(shè)計(jì)彎沉為20.6(0.01 mm)計(jì)算，根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ H20－2007）路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，整理路面強(qiáng)度系數(shù)（PSSI）結(jié)果見表1。

從表1可以看出，該路段各檢測段落的代表彎沉均超過設(shè)計(jì)彎沉，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果全部在中及以下，評價(jià)結(jié)果為差的為44.4%，這說明路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)不能夠滿足如今的交通荷載要求。且現(xiàn)場鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)基層二灰碎石及底基層二灰土存在松散狀況，見圖1。

表1 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果

圖1 原路面芯樣

綜上所述，基層材料厚度及強(qiáng)度不足，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度不能夠滿足重交通荷載要求，原路面在重載及環(huán)境作用下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。因此，決定重建全厚度路面結(jié)構(gòu)，采用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石鋪筑基層，提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 配合比設(shè)計(jì)

材料組成及結(jié)構(gòu)決定水泥穩(wěn)定碎石路用性能，其中水泥劑量、礦料級配及密實(shí)度是關(guān)鍵影響因素。因此，本文主要從級配設(shè)計(jì)、最佳含水量及最大干密度確定方法出發(fā)，設(shè)計(jì)并研究抗裂型水泥穩(wěn)定碎石。

2.1 級配設(shè)計(jì)

礦料級配是保證水泥穩(wěn)定碎石具有良好骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，研究表明關(guān)鍵篩孔通過率對水泥穩(wěn)定碎石性能影響較大，尤其是4.75 mm篩孔。若4.75 mm通過率過高則粗骨料含量過低，強(qiáng)度不足；若4.75 mm通過率過低則細(xì)料不足，混合料空隙過大，疲勞性能不足。因此，分別控制4.75 mm通過率24%、26%與30%，級配曲線見圖2。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配曲線圖

2.2 最佳含水量及水泥用量的確定

研究表明，與重型擊實(shí)方法相比，振動成型方法更符合現(xiàn)場碾壓工藝，且振動成型得到的最大干密度約為重型擊實(shí)的1.02～1.04倍，最佳含水量也略低于重型擊實(shí)試驗(yàn)方法，更有利于防治水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮與溫縮開裂。因此本文選用振動成型方法確定抗裂型水泥穩(wěn)定碎石最佳含水量與最大干密度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，分別采用3.5%、3.8%、4.0%水泥用量，分別通過振動成型方法確定不同級配下的最佳含水量與最大干密度，見圖3。

圖3 不同級配最佳含水量柱狀圖

從圖3可以看出，隨著4.75 mm通過率及水泥用量的增大，水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量呈增大趨勢。這主要是因?yàn)?.75 mm通過率增大，混合料中細(xì)集料含量增加，細(xì)集料吸水能力較強(qiáng)；而水泥是一種水硬性材料，水化反應(yīng)需要消耗大量水分，因此最佳含水量呈增大趨勢，見圖4。

從圖4可以看出，隨著4.75 mm通過率及水泥用量的增大，水泥穩(wěn)定碎石的最大干密呈增大趨勢。這主要是因?yàn)?.75 mm通過率增大及水泥用量的增加，混合料中細(xì)集料含量增加，能更有效填充水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部空隙，混合料密實(shí)度更高。

2.3 最佳水泥用量的確定

根據(jù)振動成型試驗(yàn)確定的最佳含水量及最大干密度試驗(yàn)結(jié)果，拌制水泥穩(wěn)定碎石混合料，采用靜壓法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)6 d，浸水1 d后取出，測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每組成型6個(gè)試件，計(jì)算各組試件的強(qiáng)度代表值，結(jié)果見表2，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化柱狀圖見圖5。

1.4 效果評定標(biāo)準(zhǔn) ①參照WHO關(guān)于疼痛的分級標(biāo)準(zhǔn)，將疼痛分Ⅲ級，I級(輕度疼痛):雖有疼痛但仍可忍受并能正常生活，睡眠不受干擾;Ⅱ級;疼痛明顯，不能忍受，需鎮(zhèn)痛藥物，睡眠受干擾;Ⅲ級:疼痛劇烈，不能忍受，需要鎮(zhèn)痛藥物，睡眠受干擾，可伴有神經(jīng)功能紊亂［2］。②出血情況:“陰性”無明顯活動性出血;“+”少量出血，出血量小于5 mL，經(jīng)干棉球壓迫后可止血;“++”出血量較多，多于5 mL，需用麻黃素棉片短暫壓迫止血［3］。

圖4 不同級配最大干密度柱狀圖

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱狀圖

從表2與圖5可以看出，隨著4.75 mm通過率及水泥用量的增大，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢。這主要是因?yàn)榛旌狭厦芗?xì)集料與填料含量增加，密實(shí)度增大；其次，水泥作為水硬性材料，其含量越高強(qiáng)度越大。當(dāng)4.75 mm通過率在26%～30%之間時(shí)，水泥用量僅為3.5%條件下7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均超過3.5 MPa，能夠滿足高等級路面基層強(qiáng)度要求。

研究表明，水泥穩(wěn)定碎石水泥含量過高或強(qiáng)度過大以及導(dǎo)致裂縫病害，因此結(jié)合上述研究成果，推薦采用3.5%水泥用量，并嚴(yán)格控制4.75 mm通過率在26%～30%的水泥穩(wěn)定碎石作為抗裂基層使用。

3 實(shí)體工程應(yīng)用

通過實(shí)體工程對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層的施工工藝進(jìn)行總結(jié)，指出施工控制要點(diǎn)，并對施工效果進(jìn)行檢測與評價(jià)。

3.1 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

原材料及混合料質(zhì)量、施工控制質(zhì)量是影響抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能的關(guān)鍵。

（1）原材料質(zhì)量控制

原材料的質(zhì)量及穩(wěn)定性將直接影響水泥穩(wěn)定碎石的性能。應(yīng)選擇壓碎值小、吸水率低、粉塵含量低的碎石作為骨料。整個(gè)施工過程盡量采用同一料場石料，保證材質(zhì)的穩(wěn)定性；進(jìn)料口應(yīng)通過高壓噴霧灑水來降低空氣中粉塵的懸浮，并對拌合樓堆料場石料進(jìn)行覆蓋，防止粉塵污染；定期檢查各檔料離析狀況，尤其是4#料的粉塵含量及砂當(dāng)量。

（2）混合料質(zhì)量控制

級配、含水量、水泥含量及粉塵含量是抗裂型水泥穩(wěn)定碎石混合料質(zhì)量的控制要點(diǎn)。通過對石料加熱冷凝的方式，在可控范圍內(nèi)優(yōu)化配合比及含水量。施工過程中應(yīng)制定完整的復(fù)查方案，保證各項(xiàng)控制指標(biāo)與拌和樓計(jì)量系統(tǒng)指標(biāo)相對應(yīng)。其中26.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm作為關(guān)鍵篩孔，通過率誤差范圍控制在±6%、±4%、±4%、±2%；相對于最佳含水量，碾壓前含水量宜控制在0～1.5%；水泥劑量控制范圍為±0.5%；粉塵含量控制范圍宜為4%～6%。

（3）施工質(zhì)量控制

壓實(shí)度是影響抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能的關(guān)鍵指標(biāo)，壓實(shí)度不足極易引起開裂、凍融破壞等病害，因此必須采用有效的碾壓組合方式及控制指標(biāo)。攤鋪前應(yīng)將下承層適當(dāng)灑水濕潤，攤鋪速度宜控制在1～1.5 m/min；每臺攤鋪機(jī)后面，應(yīng)緊跟雙鋼輪或單鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，一次碾壓長度一般為50 m～80 m；壓實(shí)時(shí)，可以先穩(wěn)壓（遍數(shù)適中，壓實(shí)度達(dá)到90%）→開始輕振動碾壓→再重振動碾壓→最后膠輪穩(wěn)壓，壓至無輪跡為止；碾壓速度為：第1～2遍為1.5～1.7 km/h，以后各遍應(yīng)為1.8～2.2 km/h；壓實(shí)度指標(biāo)采用振動成型標(biāo)準(zhǔn)，均值不得小于98%，極值不低于96%。碾壓成型后應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

3.2 施工質(zhì)量檢測與評價(jià)

采用3.5%水泥用量，最佳含水量為5.0%，4.75 mm通過率為30%的水泥穩(wěn)定碎石鋪筑該路段的基層，鋪筑厚度為40 cm，施工時(shí)分兩層鋪筑。水泥穩(wěn)定碎石拌和過程中嚴(yán)格控制水泥用量、最佳含水量及關(guān)鍵篩孔通過率；現(xiàn)場施工過程中嚴(yán)格控制攤鋪速度、攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)等技術(shù)參數(shù)。施工結(jié)束及時(shí)采用土工布進(jìn)行覆蓋，并灑水保持基層表面濕潤，養(yǎng)生7 d后進(jìn)行現(xiàn)場鉆芯，評價(jià)其壓實(shí)度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并進(jìn)行彎沉檢測，結(jié)果見表3。

表3 檢測評價(jià)結(jié)果

從表5可以看出，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層施工質(zhì)量易于控制，壓實(shí)度及現(xiàn)場鉆取芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都能夠滿足設(shè)計(jì)要求；7 d養(yǎng)生期后，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場鉆取芯樣僅底部存在極少量碎石剝落，表面致密性良好，芯樣見圖6。

圖6 現(xiàn)場鉆取芯樣

綜上所述，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層現(xiàn)場鋪筑效果良好，材料強(qiáng)度及路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場檢測手段對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石配合設(shè)計(jì)方法、施工控制要點(diǎn)及使用效果進(jìn)行研究。原路面檢測評價(jià)表明，基層材料厚度及強(qiáng)度不足是路面嚴(yán)重?fù)p壞的原因。分別取4.75 mm通過率為24%、26%與30%進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著水泥用量及4.75 mm通過率的增大，水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量、最大干密度及強(qiáng)度均呈增大趨勢，最終綜合考慮抗裂及強(qiáng)度要求建議4.75 mm通過率宜控制在26%～30%?；谡駝映尚头椒ù_定采用3.5%水泥用量，最佳含水量為5.0%，4.75 mm通過率為30%的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石鋪筑基層。指出原材料及混合料質(zhì)量、施工質(zhì)量的控制要點(diǎn)，嚴(yán)格控制級配、含水量、水泥含量、粉塵含量及攤鋪碾壓工藝，最終鋪筑效果良好。

[1]琚曉輝.水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能應(yīng)用技術(shù)研究[D].河南鄭州:鄭州大學(xué),2007.

[2]查旭東,曹艷霞,劉國才.抗裂型水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(1):1-6.

[3]王鵬飛,郭忠印,陳崇駒.基于正交法的水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)及抗裂性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2007(5):616-621.

[4]蔣應(yīng)軍.基于振動法設(shè)計(jì)的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用研究[J].公路,2008(12):36-41.

[5]邱耀平.骨架抗裂型水泥穩(wěn)定碎石在吳江市政工程的首次應(yīng)用[J].城市道橋與防洪,2011(7):281-285.

U415

A

1009-7716（2016）12-0160-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.047

2016-09-12

江峰(1982-)，男，上海人，工程師，從事道路交通工程設(shè)計(jì)和研究工作。