橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層施工工藝研究

伍 川 姜維強(qiáng) 劉思拓 王朝輝 王國(guó)成 馬鎮(zhèn)東 周曉蕾

(1.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司 成都 610000；2.中鐵北京工程局集團(tuán)第一工程有限公司 西安 710199； 3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710064)

水泥穩(wěn)定基層憑借其強(qiáng)度高、荷載擴(kuò)散能力優(yōu)良且取材容易等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到了廣泛研究與應(yīng)用。但在氣候溫差大、土壤鹽漬化嚴(yán)重的南疆地區(qū)，由于水泥穩(wěn)定基層剛度過(guò)大，變形能力差，導(dǎo)致拱脹破壞病害頻發(fā)[1-3]。目前，常用的防治措施有設(shè)置脹縫、雙層連續(xù)攤鋪等。上述方法雖能在一定程度上緩解路面拱脹現(xiàn)象，但作用有限。而橡膠顆粒水泥穩(wěn)定基層材料具有較高韌性，可有效提高路面耐久性，是鋪筑公路基層的優(yōu)質(zhì)材料。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于橡膠改性水泥穩(wěn)定基材料及其橡膠水泥穩(wěn)定基層的研究主要集中在性能影響因素、改進(jìn)機(jī)理、工藝優(yōu)化等方面。針對(duì)橡膠水泥穩(wěn)定基層材料性能影響因素，孫鵬飛等[4]利用3因素3水平正交法分析了水泥劑量、橡膠粒徑，以及摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響；呂松濤等[5]研究了橡膠顆粒摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、最大劈裂與彎拉應(yīng)變及動(dòng)態(tài)模量的影響；關(guān)于改進(jìn)機(jī)理方面，王軍龍等[6]基于SEM圖像分析技術(shù)揭示了橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的改善機(jī)理；郝迎軍等[7]通過(guò)圓環(huán)實(shí)驗(yàn)研究橡膠顆粒水泥基材料抗裂性能，發(fā)現(xiàn)摻入橡膠集料降低了材料的彈性模量，提高了抗裂性能；在工藝優(yōu)化方面，陳振偉等[8-9]采用不同方式對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行表面預(yù)處理，顯著提高了橡膠顆粒與水泥材料的黏結(jié)力。由此可知，雖然橡膠顆粒水泥穩(wěn)定材料緩解拱脹開(kāi)裂能力優(yōu)良，但橡膠顆粒彈性大，基層施工質(zhì)量難以保障，且現(xiàn)有研究?jī)H停留于室內(nèi)試驗(yàn)，傳統(tǒng)基層施工工藝無(wú)法適用于橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層。

基于此，本文依托若羌至民豐高速工程，基于室內(nèi)試驗(yàn)，開(kāi)展橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫材料組成設(shè)計(jì)，針對(duì)橡膠顆粒水泥穩(wěn)定基層材料特點(diǎn)，明確橡膠顆粒水泥穩(wěn)定基層施工工藝，鋪筑橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層試驗(yàn)段，評(píng)價(jià)橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層施工質(zhì)量，分析橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層防拱脹開(kāi)裂機(jī)理，以期為橡膠顆粒水泥穩(wěn)定基層進(jìn)一步推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)段概況

試驗(yàn)段位于若羌至民豐高速公路項(xiàng)目SG2標(biāo)段，標(biāo)段所在區(qū)域地形平坦開(kāi)闊，屬?zèng)_積平原和風(fēng)積沙漠地貌。通過(guò)氣象調(diào)查得該區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)烈，干燥少雨，晝夜溫差大，沿線年平均蒸發(fā)量2 879.9 mm，極端最高氣溫42.7 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃。試驗(yàn)段總長(zhǎng)度為200 m，設(shè)計(jì)厚度為33 cm，頂面寬度為12 m，為明確橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層施工質(zhì)量，選取緊鄰試驗(yàn)段200 m原路面作對(duì)比，原路面采用普通水泥穩(wěn)定砂礫基層材料，且與試驗(yàn)段等厚。

2 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料組成設(shè)計(jì)

2.1 原材料與技術(shù)指標(biāo)

橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料主要原材料包括橡膠顆粒、水泥、集料、水。橡膠顆粒選用廢舊輪胎內(nèi)胎加工后的優(yōu)質(zhì)顆粒；水泥為42.5普通硅酸鹽水泥；集料由20～25、10～20、5～10 mm 3檔卵石及0～5 mm機(jī)制砂組成；拌和用水從當(dāng)?shù)亻_(kāi)采，經(jīng)檢測(cè)質(zhì)量合格。橡膠顆粒技術(shù)指標(biāo)和粗集料技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 橡膠顆粒技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

2.2 材料組成設(shè)計(jì)

通過(guò)NaOH溶液對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行了表面處理，以提高其與水泥及石料間的黏結(jié)性。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定采用集料質(zhì)量1%的橡膠顆粒等體積替代0～5 mm機(jī)制砂制備橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料，水泥劑量采用集料質(zhì)量的4.5%，具體配合比見(jiàn)表3，試驗(yàn)段基層材料礦料合成級(jí)配見(jiàn)圖1。

表3 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定基層材料配合比

圖1 試驗(yàn)段礦料合成級(jí)配

試驗(yàn)段基層材料加入的2～4 mm橡膠顆粒與被替換0～5 mm機(jī)制砂粒徑相似、體積相等，從整體上使試驗(yàn)段基層材料顆粒粒徑組成與原路面基本保持一致，保障了基層強(qiáng)度不因級(jí)配變化產(chǎn)生較大衰減，且基層材料的部分0～5 mm機(jī)制砂被橡膠顆粒等體積替換，使試驗(yàn)段礦料級(jí)配較原路面略微偏粗，級(jí)配骨架特征更加顯著，基層材料膨脹系數(shù)降低，進(jìn)而提高了基層材料的防拱脹能力。

2.3 性能指標(biāo)

通過(guò)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定了橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料的最佳含水率及最大干密度，并基于擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果采用靜壓法成型直徑×高度為150 mm×150 mm的圓柱形試件，養(yǎng)生7 d后測(cè)定了其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并與普通水泥穩(wěn)定砂礫基層材料進(jìn)行對(duì)比，橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層各性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料性能指標(biāo)

由表4可知，橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.5 MPa，符合規(guī)范JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)中3～5 MPa要求，可滿足高速公路基層承載能力需求。橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料的最佳含水率及最大干密度分別為4.6%、2.409 g/cm3，較未摻加橡膠顆粒的普通水泥穩(wěn)定砂礫基層材料分別上升0.4%、下降0.011 g/cm3。其原因是經(jīng)過(guò)處理后的橡膠顆粒吸水能力較強(qiáng)，密度比石料小，替換石料后造成基層材料最佳含水率上升、最大干密度下降。

3 施工工藝與質(zhì)量檢測(cè)

為保證試驗(yàn)段施工質(zhì)量，基于橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有水泥穩(wěn)定砂礫基層施工工藝進(jìn)行調(diào)整，并增加了預(yù)拌和交互式碾壓工藝，以保障橡膠顆粒均勻分布及其碾壓效率。

3.1 預(yù)拌

為保障橡膠顆粒在基層材料中分布均勻并解決因橡膠顆粒密度小導(dǎo)致拌和站皮帶秤無(wú)法感量其重量的問(wèn)題，將橡膠顆粒與機(jī)制砂提前預(yù)拌，具體流程為：拆分橡膠顆粒并檢查是否受潮，受潮顆粒及時(shí)更換避免影響橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層含水率；與0～5 mm機(jī)制砂混合：待橡膠顆粒裝滿裝載機(jī)后，采用裝載機(jī)將橡膠顆粒均勻撒布于機(jī)制砂上，并杜絕橡膠顆粒撒布在機(jī)制砂范圍外；裝載機(jī)拌和：采用裝載機(jī)將機(jī)制砂與橡膠顆粒拌和，拌和過(guò)程中應(yīng)從多個(gè)方向進(jìn)行拌和，并視情況增加拌和次數(shù)，以保證橡膠顆粒均勻分布于機(jī)制砂中；待預(yù)拌完成后，對(duì)拌和均勻性進(jìn)行檢查，保證橡膠顆粒均勻分布在混合料中。使用預(yù)拌工藝摻入橡膠顆粒前后0～5 mm機(jī)制砂見(jiàn)圖2。

圖2 0～5 mm機(jī)制砂摻入橡膠顆粒前后對(duì)比

預(yù)拌工藝將0～5 mm機(jī)制砂與橡膠顆粒按預(yù)定比例提前混合，并使用裝載機(jī)將橡膠顆粒撒布于機(jī)制砂上進(jìn)行多方向、多次拌和。該工藝簡(jiǎn)單易行，有效合理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒在基層材料中均勻分布，保障了橡膠顆粒應(yīng)用于基層的工程質(zhì)量。

3.2 拌和與運(yùn)輸

橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料采用廠拌法進(jìn)行生產(chǎn)。拌和站型號(hào)為WCB800，每小時(shí)出料800 t，共設(shè)6個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)。其中預(yù)拌后的橡膠顆粒機(jī)制砂混合料采用備用倉(cāng)儲(chǔ)存。

向儲(chǔ)料倉(cāng)加料時(shí)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確，避免空倉(cāng)，以免所生產(chǎn)混合料配合比錯(cuò)誤；各粒徑集料經(jīng)皮帶秤按預(yù)定配合比稱重后，以一定流速匯集于輸送皮帶上進(jìn)行預(yù)混。生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)指定專人將灑落集料重新加于皮帶上，最大程度減小配合比誤差；下料時(shí)由前往后裝入自卸運(yùn)輸車；為防止水分損失和粉塵污染，運(yùn)輸車覆蓋篷布直到準(zhǔn)備卸料前打開(kāi)，從裝車到運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)不超過(guò)2 h。

3.3 攤鋪、碾壓與養(yǎng)生

《細(xì)則》認(rèn)為采用大厚度攤鋪工藝，可減少結(jié)構(gòu)層數(shù)量，改善基層與鄰近結(jié)構(gòu)層結(jié)合狀態(tài)，提高路面結(jié)構(gòu)整體性，且實(shí)踐表明，現(xiàn)場(chǎng)配備的RP1855T攤鋪機(jī)、BOMAG BW260-40 26 t單鋼輪壓路機(jī)、PR300C-8 30 t膠輪壓路機(jī)能夠滿足大厚度攤鋪工藝要求。因此，試驗(yàn)段采用大厚度攤鋪工藝，一次攤鋪完成33 cm厚的橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層。

為保障碾壓效率，攤鋪時(shí)應(yīng)設(shè)專人在攤鋪機(jī)后消除橡膠顆粒堆積部位，并用新料填補(bǔ)；由于橡膠顆粒具有高彈性，將其摻入水泥穩(wěn)定基層中會(huì)影響碾壓效果，故采用交互式碾壓工藝，在雙鋼輪壓路機(jī)靜壓1遍后，使用單鋼輪壓路機(jī)、重型膠輪壓路機(jī)交互碾壓，分別振動(dòng)壓實(shí)4遍、靜壓3遍，在單鋼輪壓路機(jī)正弦式交變壓力與膠輪壓路機(jī)揉搓交替作用下，達(dá)到最佳壓實(shí)效果，保證壓實(shí)度符合要求。交互式碾壓工藝見(jiàn)表5。碾壓結(jié)束，檢測(cè)壓實(shí)度符合要求，立即覆蓋薄膜養(yǎng)生。攤鋪、碾壓與養(yǎng)生流程見(jiàn)圖3。

表5 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定基層碾壓工藝

圖3 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層攤鋪、碾壓與養(yǎng)生流程示意

3.4 施工質(zhì)量檢測(cè)

為確保橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料在采用預(yù)拌及交互式碾壓工藝后，其工程適用性優(yōu)良，檢驗(yàn)試驗(yàn)段工程質(zhì)量，基于現(xiàn)行規(guī)范質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)，針對(duì)橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層特點(diǎn)，優(yōu)選施工質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

3.4.1施工質(zhì)量指標(biāo)確定

現(xiàn)行《細(xì)則》規(guī)定水泥穩(wěn)定材料的施工質(zhì)量檢測(cè)主要指標(biāo)包括壓實(shí)度、強(qiáng)度、顆粒級(jí)配組成、水泥劑量等指標(biāo)，考慮到橡膠顆粒的摻加并不會(huì)影響基層的級(jí)配組成及水泥劑量，但會(huì)降低材料壓實(shí)度與強(qiáng)度，因此，本文重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)段的壓實(shí)度及強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)。此外，本文在試驗(yàn)段及原路面內(nèi)部埋設(shè)了應(yīng)變傳感器，以明確橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層使用效果，主要施工質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表6。

3.4.2檢測(cè)結(jié)果分析

1) 壓實(shí)度與7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層壓實(shí)度為98.04%，低于普通水泥穩(wěn)定砂礫基層，這進(jìn)一步證明了橡膠顆粒的摻入增加了水泥穩(wěn)定砂礫基層材料彈性，對(duì)壓實(shí)效果具有一定影響，但也符合規(guī)范《細(xì)則》中不小于98%的要求，在后續(xù)研究及推廣應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步研究碾壓遍數(shù)對(duì)橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層材料壓實(shí)度的影響規(guī)律；經(jīng)7 d薄膜覆蓋養(yǎng)生后，進(jìn)行鉆芯取樣，并檢測(cè)抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)段基層芯樣的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，符合規(guī)范《細(xì)則》中3～5 MPa要求。

此外，為進(jìn)一步明確試驗(yàn)段與原路面芯樣差異，分別在試驗(yàn)段及原路面各鉆取1個(gè)芯樣，原路面與試驗(yàn)段芯樣對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 原路面與試驗(yàn)段芯樣對(duì)比

由圖4可知，試驗(yàn)段基層芯樣中，高彈性橡膠顆粒均勻分布且填充在骨料間，可吸收骨料間因高溫、結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹、鹽脹應(yīng)力，進(jìn)而緩解干旱荒漠區(qū)公路基層拱脹變形。而普通水泥穩(wěn)定砂礫基層芯樣較試驗(yàn)段基層芯樣更密實(shí)，但其剛度過(guò)大，易在干旱荒漠區(qū)產(chǎn)生拱脹變形開(kāi)裂。此外，試驗(yàn)段通車后，骨料間橡膠顆粒可有效疏解車輛荷載，對(duì)提高高速公路基層耐久性也具有重要意義。

2) 應(yīng)變監(jiān)測(cè)及機(jī)理分析?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，鋪筑完成10個(gè)月范圍內(nèi)，橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層、普通水泥穩(wěn)定砂礫基層應(yīng)變差值分別為157.3×10-6、194.1×10-6，橡膠顆粒的摻加有效降低了水泥穩(wěn)定砂礫變形，應(yīng)變值降幅達(dá)19%，效果顯著。

橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫具有良好的防拱脹抗開(kāi)裂效果，本文分別從防拱脹、抗開(kāi)裂兩方面分析橡膠顆粒作用機(jī)理。認(rèn)為造成基層拱脹的原因主要為高溫?zé)崤蛎?、鹽分結(jié)晶膨脹，而橡膠顆粒具有高彈性，可為基層材料及鹽分膨脹提供空間，降低基層整體膨脹變形；造成基層開(kāi)裂的原因主要為溫縮、干縮及車輛荷載作用，橡膠顆粒能夠吸收溫縮應(yīng)力作用，堵塞基層材料孔隙，降低基層失水速率，縮小干縮變形，同時(shí)吸收裂縫尖端應(yīng)力，降低裂縫擴(kuò)展速度，提高水泥穩(wěn)定砂礫抗開(kāi)裂性能。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.5 MPa，相較普通水泥穩(wěn)定砂礫其最佳含水率增長(zhǎng)0.4%、最大干密度降低0.011 g/cm3。

2) 針對(duì)橡膠顆粒的特點(diǎn)，改進(jìn)了水泥穩(wěn)定砂礫基層施工工藝，增加了預(yù)拌工藝，并采用了交互式碾壓，保障了橡膠顆粒與機(jī)制砂的拌和均勻及基層壓實(shí)度。

3) 橡膠顆粒具有高彈性，其試驗(yàn)段經(jīng)工后檢測(cè)壓實(shí)度為98.04%，低于原路段，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，但均符合規(guī)范《細(xì)則》要求。

4) 橡膠顆粒水泥穩(wěn)定砂礫基層應(yīng)變差值較普通水泥穩(wěn)定砂礫基層降低19%，防拱脹抗開(kāi)裂效果顯著。