強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石底基層在國省道干線公路的應用

余 琦，李佳佳，趙丁鑫，刁俊剛，胡光勝

(1. 中建橋梁有限公司，重慶 402260；2. 中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450004；3. 中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410004；4. 河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450018)

0 引言

在公路路面結構中，基層作為主要的承重層，承擔著面層傳遞下來的壓力，因此其強度、剛度及穩(wěn)定性等路用性能必須滿足要求。半剛性基層由于強度高、剛度大、承載能力強等優(yōu)點，成為當前應用最主要的基層結構，其中水泥穩(wěn)定碎石的路用性能最為突出，但水泥穩(wěn)定碎石基層也存在著水泥用量較大，易開裂，容易引起瀝青面層反射裂縫，加速早期損壞的缺陷[1]。級配對水泥穩(wěn)定碎石的路用性能有著決定性影響，其中骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和耐久性等指標優(yōu)良，能夠很好地滿足基層的使用要求，但仍然存在著優(yōu)化的空間[2]。

調查統計資料顯示，國道310洛三界至三門峽西段南移新建工程的路面設計交通等級為重交通，且超載現象嚴重，因此對路面基層結構的承載能力提出更高要求。強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石路用性能特點能夠較好地滿足工程需求，本文對該類型水泥穩(wěn)定碎石的配合比設計、施工工藝等關鍵環(huán)節(jié)進行應用分析，驗證了強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石用于國省道干線公路底基層的適用性。

1 強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石的特點

在《公路工程路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)和河南省地方標準《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設計與施工技術規(guī)范》(DB41/T 846-2013)中，對常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石和強嵌擠結構水泥穩(wěn)定碎石的級配范圍提出了要求，見表1。

表1 兩種結構水泥穩(wěn)定碎石級配范圍

圖1 兩種結構各篩孔級配中值通過率

從表1、圖1可以看出，與《細則》中的常規(guī)結構水泥穩(wěn)定碎石級配相比：

(1)強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石各篩孔通過率的上下限范圍均有所減小，且范圍更窄，說明從整體上看該類型水泥穩(wěn)定碎石的級配將進一步變粗。

(2)從級配范圍中值通過率來看，強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石19mm的通過率為64%，常規(guī)結構水泥穩(wěn)定碎石的通過率為78.5%，說明強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石混合料中粒徑在19mm以上的粗骨料占比更多。

(3)與常用的水泥穩(wěn)定碎石相比，19～31.5mm粗集料含量增加了13.5%，4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～0.6mm檔集料分別減少了7.0%、3.5%和4.0%，因此呈現出“三少一多”的特點。

2 原材料

2.1 水泥

本項目所用水泥為澠池仰韶水泥有限公司生產的P.O 42.5級緩凝水泥，相關技術指標檢測結果見表2。

表2 水泥相關技術指標

本項目所用水泥的凝結時間、安定性、強度等技術指標的檢測結果滿足規(guī)范要求[3]。

2.2 集料

所用集料由順通石場生產，分為19～37.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四檔，其主要技術指標檢測結果見表3。

表3 集料主要技術指標

本項目所用粗、細集料的針片狀、壓碎值、小于0.075mm的顆粒含量及砂當量等指標的檢測結果滿足有關技術要求。

3 配合比設計

3.1 礦料級配設計

為確定強嵌擠骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石的各檔集料比例，需要對各檔集料的級配組成進行分析，按照規(guī)范要求，對19～37.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四檔集料進行了水洗篩分[4]，結果見表4。

表4 集料篩分結果

根據表4各檔集料篩分結果，結合強嵌擠骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石的級配范圍要求，在兼顧混合料抗裂性、施工和易性、經濟性的前提下，進行了礦料級配組成設計，結果如表5和圖2所示。

表5 礦料合成級配結果

圖2 礦料合成級配曲線

從礦料級配合成結果來看，粒徑在9.5mm以上的集料通過率偏級配范圍上限，4.75mm以下的集料通過率偏級配范圍下限，說明該混合料的級配具有粗集料偏多、細集料偏少的特點。

3.2 擊實試驗

由于強嵌擠骨架密實結構水泥混凝土中粗骨料所占比例大，傳統的重型擊實試驗難以擊實，且易離析，無法獲取準確的試驗結果，因此，強嵌擠骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率宜采用振動擊實法確定[5]。項目技術人員對水泥劑量為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的混合料分別進行了擊實試驗，結果見表6，所用振動擊實儀的工作頻率30Hz，振幅1.3mm，上車系統重量1.2kN，下車系統重量1.8kN。

表6 振動擊實試驗結果

3.3 混合料配合比設計

進行水泥穩(wěn)定碎石的配合比設計時，7d無側限抗壓強度和90d劈裂強度是反映混合料強度的關鍵指標，主要用于確定水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量[6]。根據《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設計與施工技術規(guī)范》(DB41/T864-2013)要求，強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石用于底基層施工時，7d無側限抗壓強度應不小于6.5MPa、劈裂強度不小于0.65MPa。

3.3.1 7d無側限抗壓強度

根據前文確定的強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石的礦料合成級配及各水泥劑量下的最佳含水率和最大干密度，按照《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設計與施工技術規(guī)范》(DB41/T864-2013)附錄C的要求采用垂直振動成型方法成型150mm(直徑)×150mm(高)的圓柱體試件。試件成型后置于溫度20℃±2℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)生6d，然后浸入20℃±2℃的恒溫水槽中1d，最后進行無側限抗壓強度試驗，結果見表7。

表7 7d無側限抗壓強度試驗結果

3.3.2 劈裂強度

劈裂強度是表征材料路用性能的一個重要指標。強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石的劈裂試驗采用直徑φ150mm、高150mm的振動成型圓柱體試件。試件制備后放置于標準養(yǎng)生室中進行養(yǎng)生，養(yǎng)生齡期最后一天將試件浸于水中24h，使用壓力試驗機按照規(guī)定的要求進行試驗，試驗結果見表8。

表8 劈裂強度試驗結果

從表6、表7可見，水泥劑量為2.5%時，混合料的7d無側限抗壓強度和劈裂強度均不滿足規(guī)范要求；水泥劑量為3.0%時，無側限抗壓強度滿足要求，但劈裂強度不足；水泥劑量為3.5%和4.0%時，7d無側限抗壓強度和劈裂強度均可滿足規(guī)范要求。因此，強嵌擠骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量應不小于3.5%。

水泥劑量的增加有助于提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度，但也會引起水泥穩(wěn)定碎石結構層工程造價增加、干縮溫縮加劇等問題[7]。考慮到施工經濟性和混合料抗裂性，確定強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石配合比設計的水泥劑量為3.5%(表9)。

表9 配合比設計結果

4 施工質量控制及檢驗

2019年6月，根據室內試驗和配合比設計結果，課題組在K14+960～K15+140段鋪筑了強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石底基層試驗段，試驗段長180m，攤鋪寬度11.95m，厚20cm。

4.1 施工工藝

水泥穩(wěn)定碎石底基層施工主要有混合料的拌和、運輸、攤鋪、碾壓及施工質量檢驗等流程。混合料的拌和采用經標定、調試穩(wěn)定的WDB800Q型水穩(wěn)拌和機，按照試驗室確定的配合比設計結果進行生產拌和；拌和后的混合料分前、中、后三次裝入運輸車輛中運輸至施工現場進行攤鋪；攤鋪采用兩臺攤鋪機并聯單幅全斷面攤鋪，雙機聯鋪時，兩機相距5～10m，縱向重疊10cm，其他參數保持一致，攤鋪速度控制在1.5m/min左右，并派專人消除離析現象；混合料攤鋪修整后，在混合料處于最佳含水率時立即采用壓路機緊跟攤鋪機按照“先邊后中、先慢后快”的原則進行碾壓，碾壓機械配置為“三鋼兩膠”，碾壓時重疊1/3～1/2輪寬。具體的碾壓工藝見表10。

表10 碾壓工藝要求

4.2 施工質量檢測

為合理評價強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石底基層的施工效果和質量，對施工過程中的水泥劑量、含水率、強度、壓實度等指標進行了檢測。

(1)采用EDTA滴定法檢測水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量為3.6%，比配合比設計確定的水泥劑量大0.1%，符合施工要求。

(2)采用烘干法對拌和后的混合料含水率進行4次測定，平均含水率為5.35%，比最佳含水率高約1.0%。這是因為施工環(huán)境溫度較高，在混合料運輸、攤鋪過程中必然會散失部分水分，為使混合料碾壓含水率接近最佳含水率，在拌和時會將混合料含水率提高0.5%～1.0%。

(3)按照表7確定的碾壓工藝完成碾壓后，采用灌砂法對壓實度進行了檢測，結果為98.5%>97.0%，滿足規(guī)范要求。

(4)采用振動成型法制作了無側限抗壓強度試件，并按照規(guī)范要求養(yǎng)生后，測定了試件的7d無側限抗壓強度，平均值為7.7MPa，變異系數6.8%，代表值為6.8MPa>6.5MPa，滿足規(guī)范要求。

(5)對養(yǎng)生7d后的底基層結構進行了鉆芯取樣，芯樣完整密實，高度在19.0～20.9cm之間，平均高度20.2cm。

5 結論

(1)與傳統結構的水泥穩(wěn)定碎石相比，強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石的粗骨料比例多，具體表現為“9～31.5mm檔集料增多，4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～0.6mm檔集料降低”、“三少一多”的特點。

(2)根據粗、細集料的級配特點，確定了強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石的最佳配合比組成為：19～37.5mm碎石:9.5～19mm碎石:4.75～9.5mm:0～4.75mm石屑=30:26:14:30。根據7d無側限抗壓強度試驗和劈裂強度試驗結果，綜合考慮混合料的抗裂性能和施工經濟性，確定混合料的最佳水泥用量為3.5%，最大干密度為2.396g/cm3，最佳含水率為4.5%。

(3)通過在國道310洛三界至三門峽西段南移新建工程中進行實踐應用，總結了強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石底基層的施工關鍵，驗證了強嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石底基層應用的合理性。