骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石基層施工關鍵技術研究

丁蓬勃， 陳 搏

(1.廣東紫惠高速公路有限公司， 廣東 惠州 516251； 2.廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司， 廣州 510641)

由于半剛性基層其初期造價低、承載力強、剛度大，且具有良好的水穩(wěn)定性和抗凍融性，是中國高等級路面的主要結構形式[1]。隨著南方地區(qū)的廣泛應用，半剛性基層的缺陷逐漸暴露，其修筑初期極容易產(chǎn)生大面積裂縫，破壞了路面結構的整體性，經(jīng)過行車作業(yè)的累加，也容易產(chǎn)生反射裂縫，影響瀝青路面的使用壽命[2]。此外，早期裂縫的存在也會使路表雨水下滲，不可避免透入基層與路基，降低路基強度[3]。

半剛性基層的開裂一直是行業(yè)內(nèi)研究的焦點，其開裂的主要原因是水泥砂漿膠結物的收縮變形，與水泥劑量、細集料用量密切相關[4]。研究表明，減少細集料含量、控制水泥劑量，是有效降低水穩(wěn)混合料收縮性的方式[4-5]。因此，研究人員提出一種骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石設計來取代傳統(tǒng)的懸浮密實型設計，當水泥劑量、養(yǎng)生條件相同時，骨架密實型結構的強度與剛度、抗水損能力均優(yōu)于懸浮密實型結構和骨架空隙結構，且其平均溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)也具有優(yōu)勢[6-7]。近年來在廣東、廣西、湖南地區(qū)均有嘗試。但是，隨著細集料的減少、粗集料增加，也給施工帶來很多難度，主要包括施工離析嚴重、壓實困難、鉆取芯樣完整性合格率較低等問題，嚴重阻礙了骨架密實型結構的大面積推廣應用。

為更好地總結骨架密實型水穩(wěn)碎石的施工應用技術，依托廣東紫惠高速項目，從試驗段實施過程的混合料級配設計、拌和、運輸、攤鋪、碾壓成型、養(yǎng)生等環(huán)節(jié)進行關鍵技術總結提煉，全面比對與評價施工質(zhì)量與實體情況，為大面積的成功施工提供技術支撐，以期為其他類似項目提供參考。

1 試驗段介紹

1.1 工程概況

紫惠高速是廣東省2013—2030年規(guī)劃路網(wǎng)的重點項目，全長77.41 km，雙向六車道，設計時速100 km/h。根據(jù)“強基薄面”路面結構設計思路，采用36 cm基層+20 cm底基層的設計方案，上邊鋪設18 cm瀝青路面，其中基層分2次鋪筑施工。

拌和設備采用WBC-800(振動雙拌缸)拌合樓，攤鋪設備采用徐工RP953e共2臺并機攤鋪。碾壓設備為：26 t徐工XS263單鋼輪壓路機3臺；30 t徐工XP302膠輪壓路機2臺；13 t戴納派克CC622雙鋼輪壓路機1臺。

1.2 原材料

本著就地取材的理念，紫惠高速水穩(wěn)層主要使用沿線較豐富的花崗巖碎石，項目按照4檔(0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm)集料規(guī)格采購。為保證設計的穩(wěn)定性，備料過程增加采樣與篩分試驗頻率，根據(jù)備料批次選取代表性的篩分數(shù)據(jù)作為目標配合比設計的基礎數(shù)據(jù)(表1)。

表1 集料篩分結果 %

集料的主要技術指標見表2。

表2 集料技術指標

水泥采用華潤水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能參數(shù)見表3。

表3 水泥基本參數(shù)

經(jīng)檢驗，各原材料均滿足規(guī)范與設計要求。

2 配合比設計

2.1 目標配合比設計

為了提高半剛性基層的強度與抗裂性能，采用廣東省施工技術指南推薦的設計礦料級配范圍。以原材料篩分試驗結果為基礎，采用分級摻配法，優(yōu)先摻加粗集料搭建混合料的主骨架，然后輔助細集料作為空隙填料，最后使用水泥膠結料進行黏結穩(wěn)定[8]。經(jīng)過試驗調(diào)整，目標配合比級配如表4所示。關鍵篩孔9.5 mm通過率為44.2%，低于中值48%；4.75 mm篩孔通過率為28.3%，略低于中值28.5%。

表4 目標配合比合成級配 %

為了更加貼近實際的碾壓工況，采用振動成型法確認水穩(wěn)混合料最大干密度與最佳含水率[9]。混合料在5種水泥劑量下的最大干密度與最佳含水率如表5所示。

表5 混合料級配指標

對5種不同水泥劑量下成型的試件，養(yǎng)護6 d浸泡1 d后進行無側限抗壓強度試驗，結果如表6所示。

表6 無側限抗壓強度試驗結果

配合比在5.0%水泥劑量與5.5%水泥劑量下成型的7 d無側限抗壓強度均能滿足設計要求。綜合設計要求與工程經(jīng)濟性，初定5.0%水泥劑量為目標劑量。

2.2 生產(chǎn)配合比設計

根據(jù)目標配合比確定的比例對拌和樓設備皮帶稱量系統(tǒng)進行標定，確定合理的皮帶轉(zhuǎn)速、冷料倉下料比例等參數(shù)，實現(xiàn)達到設計目標配比設計的目的。

按照目標配合比比例進行上料，在拌和樓設備生產(chǎn)過程中在皮帶上截取一段進行取樣篩分，結果如表7所示。

表7 生產(chǎn)配合比混合料篩分結果

從篩分結果來看，生產(chǎn)級配與目標級配較匹配，說明設定的拌和樓參數(shù)滿足水穩(wěn)混合料生產(chǎn)需求。

2.3 容許延遲時間

按照配合比比例進行上料，摻入5.5%的水泥(設計5.0%基礎上增加0.5%)，按照立刻成型、3 h成型、4 h成型與5 h成型試件，進行無側限抗壓強度試驗，結果如表8所示。

表8 容許延遲時間試驗結果

從實驗結果來看，當延遲時間在4 h以內(nèi)時，無側限抗壓強度還能滿足設計強度標準；當延遲時間大于4 h，經(jīng)試驗，5 h的無側限抗壓強度衰減較快，不滿足設計強度。因此要求混合料最遲攤鋪至碾壓終了的施工時間不應大于4 h。從水穩(wěn)混合料出料至現(xiàn)場攤鋪碾壓完成，如果超過4 h，則應對該路段進行處理，以防養(yǎng)生后強度不足。

3 施工過程關鍵控制要點

3.1 施工準備

水泥穩(wěn)定碎石基層施工前，應妥善驗收下承層，下承層表面要求平整、堅實且具有規(guī)定的路拱，平整度、壓實度、高程、寬度與橫坡等需符合相關對應。如果下承層為底基層，出現(xiàn)裂縫，應根據(jù)是橫向裂縫還是縱向裂縫、橫向裂縫間距與寬度、縱向裂縫長度采取合適的裂縫處治措施，減少下承層裂縫對上部結構層的影響。

為確保上下兩結構層層間聯(lián)結良好，下承層清理結束后應封閉交通，在上部結構層施工前1～2 h，適當灑水潤濕并灑布水泥凈漿(水∶水泥=2∶1)，水泥凈漿灑布長度范圍一般為攤鋪機前30～40 m(圖1)。

圖1 水泥凈漿灑布

3.2 水穩(wěn)混合料的拌和

根據(jù)拌和樓的設備性能，在生產(chǎn)配合比設計過程確定好各上料口與料倉開口尺寸、皮帶的轉(zhuǎn)速、皮帶稱重傳感器精度，并在施工過程定期進行靜態(tài)與動態(tài)標定，保證各檔材料的摻配穩(wěn)定性。

項目采用的振動雙拌缸設備，分兩次加水攪拌，一級拌缸加50%用水，充分攪拌打散粗細集料；二級拌缸加入水泥粉和剩余50%用水。整個拌和過程設備均應啟動振動電機。

水穩(wěn)層施工前，拌和站的料倉備料應達到現(xiàn)有產(chǎn)能的5～7 d產(chǎn)量需求。每天開工前需要檢測各料倉集料的含水率，動態(tài)計算與調(diào)整實際施工用水量。此外，還需要根據(jù)每天施工的氣溫、現(xiàn)場風速來適當增加用水量，本項目一般在0～1%范圍調(diào)整。

準備足夠數(shù)量(2～3臺)裝載機上料，對機手交底減少兜底鏟料，上料口安排工人及時清理結團細集料堵塞問題。

每天施工結束后應及時清理混合料出料口，避免硬化后堵孔。

3.3 水穩(wěn)混合料的裝載與運輸

為了減少裝料離析，拌和樓的下料口應加設擋板，降低皮帶混合料的沖擊動量。料車接料過程應按照 “前-后-中、前后補”方式多次裝料，同時每次接料的料堆不宜超過1.5 m高度。拌和樓控制室應設置廣播或者拉拔，以保持與料車司機的聯(lián)系，方便下達指令。運輸車輛數(shù)量需要根據(jù)施工點的距離、攤鋪速度、拌和樓產(chǎn)能等計算匹配。料車裝料前需將車廂清理干凈，裝料后使用篷布完整覆蓋料堆，減少水分蒸發(fā)。料車從出發(fā)到卸料需要記錄時間，如果不能在試驗確定的容許延遲時間內(nèi)施工，則堅決廢棄。

3.4 水穩(wěn)混合料的攤鋪

攤鋪前，在路幅邊緣預先打好高程控制線支架，根據(jù)松鋪系數(shù)調(diào)整掛線高度。對掛線鋼絲，需檢查其拉伸強度，支架間隔控制在10 m以內(nèi)，鋼絲線不能有明顯撓曲變形。

現(xiàn)場采用兩臺徐工攤鋪設備并機作業(yè)，前后間距控制在10 m以內(nèi)，搭接部寬度為30 cm左右。

待每臺攤鋪機前的料車達到2輛以上時，方可開始施工，攤鋪速度控制在1.5～2 m/min，攤鋪過程勻速連續(xù)。由于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石整體偏粗，攤鋪機在施工過程應控制收斗頻率，尤其是避免料斗混合料較少、粗集料匯集的狀態(tài)，建議收半斗，刮料器暫停，待下一輛料車混合料喂料后，方可繼續(xù)出料鋪筑。

攤鋪機邊部鋼模處宜專人提前布料，長度為1～2 m，攤鋪后專人補灑水泥漿，水灰比2∶1?；鶎舆叢坎捎眯⌒驼駝訅郝窓C或雙鋼輪增加碾壓遍數(shù)壓實，以防止基層碾壓過程中邊部塌邊，保證邊部的壓實度。

3.5 碾壓工藝控制

碾壓過程應遵循“輕重、慢快、低側到高側”的原則，緊跟慢壓。對于單驅(qū)動壓路機，應將驅(qū)動輪前置，減少反向作用力產(chǎn)生的推移與開裂。

水穩(wěn)基層的碾壓設備主要包括單鋼輪壓路機、雙鋼輪壓路機、膠輪(輪胎)壓路機，不同設備的壓實功不同，通常根據(jù)混合料特性進行合理組合與調(diào)整碾壓遍數(shù)。

鋼輪壓路機主要通過自身重量與振動時的激振力提供豎向壓實能量，而膠輪壓路機可以通過輪胎的滾動變形對表層材料產(chǎn)生交變剪切作用(即搓揉)，使得表層材料產(chǎn)生一定的滑移與嵌擠。

由于輪子接觸面的作用力有所區(qū)別，碾壓過程相鄰的輪跡帶保證重合至少1/3，且必須在混合料延遲時間內(nèi)完成碾壓成型。碾壓現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 碾壓現(xiàn)場

3.6 養(yǎng)生與交通管制

碾壓成型后，經(jīng)現(xiàn)場灌砂法檢測壓實度合格，表面沒有明顯的碾壓輪印，則立即開始養(yǎng)生。采用一布一膜或保濕養(yǎng)生膜覆蓋養(yǎng)生，兩幅搭接處低壓高，搭接寬度20 cm以上；覆蓋土工布后應以砂等重物壓邊，保證露天環(huán)境下不會被大風掀開。夏季高溫季節(jié)施工后養(yǎng)生至少7 d，冬季低溫狀態(tài)施工后養(yǎng)生至少10 d；養(yǎng)生期間保證補水充足，水穩(wěn)層必須處于濕潤的養(yǎng)生環(huán)境。

4 施工質(zhì)量檢測與評價

4.1 級配穩(wěn)定性分析

在拌和生產(chǎn)過程中，對皮帶上某一段(后場)、攤鋪機后(前場)水泥穩(wěn)定碎石混合料取樣8份進行篩分試驗，并與設計的生產(chǎn)配合比進行比較。比對結果表明：4.75 mm篩孔以上的通過率偏差為-2.2%～+3.9%，0.075 mm篩孔通過率偏差為-1.6%～+2.3%，混合料變異性較小，說明生產(chǎn)過程中的拌和樓生產(chǎn)穩(wěn)定性良好。

4.2 水泥劑量檢測分析

在試驗段方案拌和生產(chǎn)過程中，對水泥穩(wěn)定碎石混合料取樣進行EDTA滴定試驗檢測水泥劑量。測試結果如表9所示，水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)過程中的劑量較穩(wěn)定，結果允許偏差在設計值的±0.5%范圍內(nèi)。

表9 前后場水泥劑量滴定測試 %

4.3 不同碾壓工藝對壓實度的影響

為了研究壓實功對骨架密實型水穩(wěn)混合料壓實度的影響，施工過程采用了4種碾壓工藝方案，具體如表10所示。

表10 碾壓方案

由不同碾壓組合下的基層壓實度指標對比可得(圖3)，方案3的壓實度最高，方案1壓實度最小，方案2與方案4壓實度接近，結合各方案的具體組合分析：

圖3 不同碾壓工藝的壓實度變化

1)相同碾壓遍數(shù)下，膠輪放第一遍初壓的壓實度最大，為100.5%；膠輪放第二遍碾壓的壓實度為99.8%；膠輪放復壓階段最后環(huán)節(jié)的壓實度最小，為99.3%。說明提前上膠輪進行搓揉，可以有效提高水穩(wěn)層的壓實質(zhì)量，提升幅度約1.2%。

2)相同碾壓順序，改變單鋼輪振壓遍數(shù)(方案2與方案4)，發(fā)現(xiàn)大噸位單鋼輪振壓4遍與振壓6遍的壓實度變化不大，現(xiàn)場觀測過壓會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，該規(guī)律與骨架密實型水穩(wěn)混合料振動成型試驗的反彈現(xiàn)象較為一致，說明該階段水穩(wěn)混合料已經(jīng)達到密實狀態(tài)。

4.4 芯樣質(zhì)量評價

對施工現(xiàn)場鉆取的13顆芯樣，分別進行厚度、完整性、強度分析，以評價施工的水穩(wěn)結構層質(zhì)量。

4.4.1 厚度分析

根據(jù)基層施工細則(JTG/T F20—2015)對高速公路基層厚度值的規(guī)定，厚度代表值變化≥-8 mm(即不小于172 mm)，單個芯樣厚度值變化≥-10 mm(即不小于170 mm)。根據(jù)芯樣的厚度檢測結果，芯樣厚度最小值為168 mm，最大值為 190 mm，單個芯樣厚度合格率為92.3%。根據(jù)規(guī)范計算的厚度均值下置信限值為179.5 mm，芯樣厚度代表值滿足要求。針對單點芯樣厚度不合格的問題，建議加強攤鋪設備初始壓實度的控制(建議≥85%)，并調(diào)整松鋪系數(shù)，改善攤鋪均勻性，以保證基層結構單點厚度與代表值的雙重控制標準滿足設計要求。

4.4.2 芯樣骨架分析

從試驗段芯樣側面可以直觀看出(圖4)，10～20 mm與20～30 mm粗集料形成較完整的主骨架，粗集料與粗集料之間接觸緊密，每個粗集料均與周圍粗集料共同產(chǎn)生3個及以上的接觸點，骨架穩(wěn)定性較好，且整體較為密實。

圖4 水穩(wěn)芯樣

4.4.3 芯樣的完整性分析

根據(jù)《廣東省高速公路工程質(zhì)量安全綜合檢查實施細則》對水穩(wěn)基層芯樣完整性的評定標準，芯樣上部或下部有2 cm以上不能成型為不合格。根據(jù)試驗段芯樣情況分析，13顆芯樣中，12顆芯樣均能維持較完整的狀態(tài)，其中至少5顆芯樣邊角輪廓分明，完整性較好。個別芯樣存在局部的崩角現(xiàn)象，主要為頂部與底部的水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)聚強度不足，導致鉆芯過程的界面扭剪與拉拔破壞，分析原因與運輸車輛車廂內(nèi)尾料直接傾卸在下承層工作面上有一定關系。傾卸的尾料未經(jīng)過攤鋪機二次拌和、夯實熨平，與直接攤鋪在上面的水穩(wěn)混合料黏結強度、整體性不強，取芯時易導致底部發(fā)生崩角甚至爛根、斷裂的情況。建議設置尾料傾倒處，并安排裝載車對堆積的尾料進行集中清理。另一方面在底基層養(yǎng)生期間宜加強交通管制，防止重載車輛對底基層表面跑散，并在下承層準備工作時做好水泥凈漿灑布均勻性與灑布量控制，加強下基層與底基層的黏結處理。

4.4.4 不同碾壓工藝對芯樣完整性的影響

結合廣東省質(zhì)量評定標準與工程項目經(jīng)驗，把水穩(wěn)基層的芯樣完整性評價標準進一步細化為：①芯樣邊角輪廓分明，完整性較好，評為“優(yōu)良”；②兩端部松散控制在2 cm范圍內(nèi)，評為“合格”；③兩端部超過2 cm松散，評為“不合格”。

統(tǒng)計不同碾壓工藝下的骨架密實型水穩(wěn)層結構完整性，如表11所示。不同碾壓工藝段落，鉆取的芯樣狀態(tài)差別較大，其中方案3段落芯樣的完整性水平最高，方案4略優(yōu)于方案2，方案1路段芯樣合格率100%，但是均達不到優(yōu)良水平。因此，對于骨架密實型水穩(wěn)基層，提前使用膠輪進行搓揉碾壓，有助于提高結構層的完整性，減少后期開放交通后產(chǎn)生的表層碎石過度跑散問題，同時增強水穩(wěn)結構的抗沖刷性能。

表11 不同碾壓方案的芯樣完整性評定 %

4.4.5 無側限抗壓強度

對鉆取的水穩(wěn)芯樣進行無側限抗壓強度試驗，以評價其承載能力，試驗結果顯示(表12)，養(yǎng)生7 d的水穩(wěn)層芯樣抗壓強度均超過10 MPa，遠高于設計4.5 MPa要求，采用骨架密實型水穩(wěn)結構具有優(yōu)良的力學性能。

表12 芯樣抗壓強度

4.5 開裂情況跟蹤

通過跟蹤觀測，該路段養(yǎng)生結束，揭開養(yǎng)生土工布后，未見明顯開裂現(xiàn)象。開放交通10 d左右，則出現(xiàn)橫向裂縫，間距約70～80 m一道，相比傳統(tǒng)的密實懸浮型水穩(wěn)基層，其開裂較少，整體性良好，較適用于南方多雨區(qū)重載交通路段。

5 結論

1)根據(jù)依托工程的實踐研究，采用骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料級配設計半剛性基層，可以有效提高基層的承載能力和抗裂性能，尤其適用于廣東等南方多雨區(qū)重載路面。

2)推薦使用分級摻配法設計具有優(yōu)良骨架與密實性的目標礦料級配，并基于振動成型法確認最佳水泥劑量下的混合料最大干密度與最佳含水率指標，同時通過不同時間下的抗壓強度試驗確定合理的施工窗口期。

3)對施工過程的拌和、運輸、攤鋪、碾壓、養(yǎng)生等過程關鍵技術控制，可以顯著提升粗型水穩(wěn)混合料的施工質(zhì)量。

4)提前使用膠輪進行搓揉碾壓，可以有效改善骨架密實型混合料的表面提漿效果，相比鋼輪初壓，更有利于提高水穩(wěn)層的完整性，增強表面抗沖刷與抗跑散性能，是一種適用于骨架密實型水穩(wěn)混合料、性價比較高的施工工藝。