新疆地區(qū)水泥穩(wěn)定砂礫基層的施工技術(shù)

郭海陽，徐獻(xiàn)軍，田國棟

（中交一公局第七工程有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引 言

目前中國絕大多數(shù)高等級公路的路面是半剛性基層瀝青路面。半剛性基層具有強度高、板體性好等優(yōu)點，但同時其剛度大、變形能力差，成型后的基層反射裂縫問題一直是路面施工和后期養(yǎng)護(hù)的難點［1］。新疆由于地處內(nèi)陸干旱地區(qū)，晝夜溫差大，降雨量少，基層施工受干縮和溫縮影響較大，基層裂縫問題尤為突出。新疆地區(qū)基層施工石料以天然砂礫石為主，質(zhì)地堅硬，含泥量較高，采用水泥穩(wěn)定砂礫材料修筑路面基層，與普通水泥穩(wěn)定碎石相比，在混合料配合比設(shè)計和施工工藝方面會有較大不同［2］?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則》（JTG F／T20—2015）對于半剛性基層的強度要求有很大程度提高，例如高速公路、一級公路的7d無側(cè)限抗壓強度由原先的3～5MPa提高到5～7MPa［3］。基層強度要求的提高直接影響到材料的配合比設(shè)計，若盲目加大水泥結(jié)合料的摻量，雖然可以提高強度，但同時會加劇基層的開裂，尤其是在新疆地區(qū)，基層開裂的風(fēng)險極大。因此，如何在保證滿足設(shè)計強度的前提下，通過配合比設(shè)計的優(yōu)化和施工工藝的改善來減少水泥用量就成為解決基層開裂問題的關(guān)鍵［4］。

長期以來，中國水穩(wěn)基層施工多采用集中廠拌法，由于基層材料用量大，為保證出料產(chǎn)量，絕大多數(shù)水穩(wěn)拌合站采用連續(xù)式拌合工藝。采用這種拌合方法的混合料在攪拌倉內(nèi)的攪拌時間只有7～8s，難以將大粒徑的水泥穩(wěn)定類材料攪拌均勻，粗細(xì)集料和水泥在混合料中的分散不均勻，容易出現(xiàn)水泥水化不充分、粗細(xì)集料易離析的問題［5］。后場拌合不均勻的水穩(wěn)材料會對前場攤鋪碾壓造成很大影響，成型后的基層存在較大質(zhì)量隱患。

本文依托新疆G218線吐爾根至阿熱勒托別和連霍高速（G30）新疆境內(nèi)烏魯木齊至奎屯改擴(kuò)建項目路面工程項目，對水穩(wěn)拌合站進(jìn)行改造，在室內(nèi)試驗配合比設(shè)計環(huán)節(jié)采用振動攪拌試驗機進(jìn)行拌合，通過對比普通攪拌和振動攪拌混合料在強度、變異系數(shù)等方面的技術(shù)指標(biāo)，研究拌合工藝對水泥穩(wěn)定砂礫基層施工質(zhì)量的影響。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥采用強度等級為32.5的普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。實驗室粗細(xì)集料采用的是拌合站料倉取樣的水洗天然砂礫石，分為0～5mm、5～10mm、10～15mm和15～20mm四檔，規(guī)格屬于XG3、G11、G9、G5。技術(shù)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，篩分結(jié)果如表2所示。

表1 水泥各項指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 天然砂礫篩分試驗結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計

采用的C－B－1級配如表3所示，根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中標(biāo)準(zhǔn)重型擊實和振動擊實試驗規(guī)程，確定混合料最大干密度和最佳含水量。本文試驗采取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%共5個水泥劑量，測定不同成型方法下的試件最大干密度和最佳含水量（表4），并對比普通攪拌和振動攪拌水泥穩(wěn)定砂礫7d無側(cè)限強度和變異系數(shù)的差別，如圖1、2及表5所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同擊實方法對比

表3 水泥穩(wěn)定砂礫級配

由表4可知，重型擊實法測得的最大干密度要明顯小于振動擊實法，且隨著水泥劑量的增大，最大干密度值增大。重型擊實法測得最佳含水量也比振動擊實法要小。分析其原因為，重型擊實法來源于土工試驗，土顆粒粒徑較小時比較適用于該方法，但水泥穩(wěn)定類粒料顆粒中，粗集料普遍在60%～70%以上，0.075mm以下粉粒只有1%～6%，由于顆粒粒徑大且硬度高，重型擊實試驗往往很難使其達(dá)到密實狀態(tài)［6］。振動擊實法是通過施加激振力，使水泥穩(wěn)定粒料粗細(xì)顆粒不斷改變位置、重新排布后達(dá)到密實狀態(tài)。振動擊實法測得的最大干密度是重型擊實法的1.02～1.03倍，實際施工時，不會出現(xiàn)重型擊實法最大干密度較小、壓實度超百的現(xiàn)象［7］。振動擊實法能夠和現(xiàn)場基層成型施工中振動壓路機相吻合，可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

表4 水泥穩(wěn)定砂礫最大干密度和最佳含水量

圖1 水泥劑量－強度關(guān)系

圖2 水泥劑量－變異系數(shù)關(guān)系

2.2 不同拌合工藝對比

由圖1、2可知，非振動拌合方式水泥穩(wěn)定砂礫的強度要小于振動拌合方式，且隨著水泥劑量的增加，振動拌合相較于非振動拌合，變異系數(shù)降低的趨勢愈加明顯。

宏觀上的技術(shù)指標(biāo)說明，振動拌合對于水泥穩(wěn)定砂礫基層的技術(shù)性能具有良好的增強作用。究其原因是：在拌合的過程中，通過軸振動帶動攪拌臂和攪拌葉片釋放高頻激振力，物料包裹攪拌軸，激振力完全被物料所吸收，促使了微小水顆粒、水泥和細(xì)集料在整個混合料體系中的分散［8］；高頻激振力使水泥顆粒處于顫振狀態(tài)，可以打破水泥顆粒團(tuán)粒，使其充分水化；同時激振力使得集料顆粒運動速度增大，增加了顆粒之間的有效碰撞次數(shù)，增強骨料與水泥水化物之間的界面黏結(jié)強度［9］。

表5 水泥穩(wěn)定砂礫無側(cè)限抗壓強度和變異系數(shù)

水泥穩(wěn)定材料中，水泥顆粒粒徑為3～80μm，粉煤灰顆粒粒徑為45μm，水滴最小直徑為20μm，當(dāng)這些微小粒徑的顆粒性材料在混合料中均勻彌散分布，才能實現(xiàn)微觀上的均勻。傳統(tǒng)拌合技術(shù)由于攪拌機理方面存在缺陷，很難實現(xiàn)微觀均勻［10］。同配比情況下，將傳統(tǒng)拌合和振動拌合水穩(wěn)材料在掃描電鏡下放大2 000倍（圖3），兩者的區(qū)別非常明顯［11］。傳統(tǒng)拌合水穩(wěn)材料中，細(xì)小松散的CSH（水化硅酸鈣）凝膠顆粒散落于骨料表面而沒有強力黏附，粗細(xì)骨料和水化產(chǎn)物界面明顯，期間的過渡相結(jié)構(gòu)疏松；而振動拌合水穩(wěn)材料水泥水化充分，粗細(xì)骨料和水化產(chǎn)物渾然一體，微小顆粒材料均勻彌散，整體結(jié)構(gòu)致密均勻［12］。

圖3 2 000倍掃描電鏡照片

對于新疆地區(qū)典型的水泥穩(wěn)定砂礫來說，由于料源的限制，大部分骨料采用未經(jīng)破碎的天然砂礫石，顆粒形狀不規(guī)整，硬度高，含泥量大，普通連續(xù)式攪拌工藝難以保證物料的拌合均勻性［13］。振動拌合技術(shù)通過對機械設(shè)備的改進(jìn)，在保證拌合均勻性的同時，可以縮短拌合時間，提高施工后場的生產(chǎn)效率，特別適用于規(guī)模化施工作業(yè)、需要大方量物料的工程［14］。

3 試驗路鋪筑

本項目依托工程為新疆G218線吐爾根至阿熱勒托別項目，路線全長29.3km。路面結(jié)構(gòu)形式為：5cm厚中粒式SBS改進(jìn)性瀝青混凝土（AC－16C SBS改進(jìn)性瀝青）上面層、7cm厚粗粒式瀝青混凝土（AC－25F）下面層、1cm改性乳化瀝青下封層，38 cm水泥穩(wěn)定砂礫基層（5%）、20cm級配砂礫底基層。根據(jù)前期研究確定的配合比設(shè)計方案，鋪筑了100m水泥穩(wěn)定砂礫基層試驗段。

水泥穩(wěn)定砂礫拌合階段控制含水量為5.5%，水泥劑量采用5%。在從拌合站運輸?shù)綌備佔鳂I(yè)面的過程中，必須用篷布覆蓋水穩(wěn)料，并嚴(yán)格控制物料中轉(zhuǎn)時間，以防在運輸中水分蒸發(fā)損失。到達(dá)施工現(xiàn)場后立即測定含水量，保證碾壓含水率控制在最佳含水率范圍以內(nèi)。攤鋪全程采用攤鋪機操作，配合人工整平，攤鋪寬度為19.95m，采用3臺攤鋪機梯隊作業(yè)連鋪施工。采用組合式碾壓工藝：18t振動壓路機靜壓1遍，弱振1遍，強振2遍，再弱振1遍，最后26t膠輪壓路機收面。采用土工布覆蓋灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生期不少于7d?，F(xiàn)場檢測壓實度均在98%以上，芯樣完整度較好。

4 結(jié) 語

通過室內(nèi)試驗對比分析了重型擊實和振動擊實配合比設(shè)計方法對水泥穩(wěn)定砂礫最大干密度和最佳含水率的影響；對比分析了非振動拌合和振動拌合工藝對水泥穩(wěn)定砂礫強度和變異系數(shù)的影響；最后現(xiàn)場鋪筑試驗段，取得了良好的效果，并得到以下結(jié)論。

（1）不同水泥劑量下，振動擊實法測得的最大干密度是重型擊實法的1.02～1.03倍，最佳含水量也有所增大。

（2）不同水泥劑量下，非振動拌合水泥穩(wěn)定砂礫的強度要小于振動拌合，且變異系數(shù)大于振動拌合方式。

（3）振動擊實法和振動拌合工藝相結(jié)合的施工技術(shù)，對于水泥穩(wěn)定砂礫的施工質(zhì)量有很好的改善效果。