山區(qū)高速抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪施工應(yīng)用研究

陽俊 沈杰 劉曠怡

（1 中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司)

(2 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點實驗室)

(3 中交二航武漢港灣新材料有限公司）

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層作為高速公路最常用的材料類型，具有承載力高、水穩(wěn)定性好、造價低廉等優(yōu)點，然而由于路面基層施工工藝特點及水泥穩(wěn)定碎石等半剛性材料自身特性，在工程應(yīng)用中也存在一些普遍問題，如：水泥穩(wěn)定碎石基層的開裂現(xiàn)象比較普遍，抵抗沖刷能力較差，基層厚鋪施工中采用分層攤鋪時存在施工周期長，上、下基層黏合質(zhì)量差等問題。針對水泥穩(wěn)定碎石材料特性，眾多學(xué)者在提升其抗裂和抗沖刷性能方面進(jìn)行了大量的研究[1-4]，提出了抗裂型水泥穩(wěn)定碎石配制及施工關(guān)鍵點。隨著路面施工工藝不斷創(chuàng)新，雙層連續(xù)攤鋪的一次成型工藝也開始廣泛應(yīng)用[4,5]。

西南山嶺地區(qū)某高速公路由于項目地處西南山嶺低緯地區(qū)，溫濕多雨、陽光輻射強、夏季氣溫高、晝夜溫差大，雨季集中，同時由于地形條件的限制，受重載、超載、持續(xù)高溫等影響，路面車轍病害、疲勞病害及水損害問題較為突出。為使基層整體強度更加均勻，密實度更高，增強基層的強度及抗水損害性能，需結(jié)合路面結(jié)構(gòu)特點，通過材料優(yōu)選、優(yōu)化配合比設(shè)計、以及控制抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪施工工藝，才能提高路面基層的施工質(zhì)量及耐久性能。

1 工程概況

西南山嶺地區(qū)某高速標(biāo)段全長14.351km，主線為雙向4 車道，設(shè)計汽車荷載等級采用公路Ⅰ級，設(shè)計速度80km/h，路基寬度25.5mm。主線路面結(jié)構(gòu)層組成見表1。

表1 主線路面結(jié)構(gòu)組成

2 原材料優(yōu)選

2.1 集料

優(yōu)選石灰?guī)r宕口進(jìn)行集料加工，集料生產(chǎn)采用“顎式破碎機（一破）+反擊式破碎機（二破）”工藝，通過篩孔調(diào)節(jié)，控制單檔集料粒徑。集料規(guī)格為：1 號料（19～31.5mm）、2 號料（9.5～19mm）、3 號料（4.75～9.5mm）、4號料（2.36～4.75mm）、5 號料（0～2.36mm），集料關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)要求及試驗結(jié)果見表2、表3。

表2 集料物理及力學(xué)性質(zhì)

表3 集料篩分試驗結(jié)果

2.2 水泥

結(jié)合當(dāng)?shù)厮鄰S生產(chǎn)供應(yīng)能力及水穩(wěn)基層材料要求合理選材，并考慮經(jīng)濟性，選取文山興建復(fù)合硅酸鹽水泥（P.C 42.5），其80μm 篩余量6.45%，標(biāo)準(zhǔn)稠度為26%、初凝時間337min、終凝時間419min，抗壓強度：3天21.2MPa，28 天47.3MPa，抗折強度：3 天4.7MPa，28天7.3MPa。

3 混合料配合比設(shè)計

3.1 集料級配設(shè)計

抗裂型水泥穩(wěn)定碎石具有穩(wěn)定、良好的骨架結(jié)構(gòu)，與普通水穩(wěn)相比，具有強度高，干縮、溫縮裂縫少等特點。大量研究證明，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計的關(guān)鍵是在滿足強度的要求下，應(yīng)盡可能減少水泥用量并合理控制細(xì)集料含量[2,7]。要獲得較小的礦料間隙率，實現(xiàn)較低劑量、骨架穩(wěn)定的水泥穩(wěn)定碎石，需進(jìn)行集料級配優(yōu)化設(shè)計。

采用振動成型的多級嵌擠骨架密實水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行級配設(shè)計。通過粗細(xì)集料分級摻配，采用逐級填充法以及I 法分別確定粗、細(xì)集料級配及最佳質(zhì)量比。不同粗細(xì)集料比例下，集料關(guān)鍵篩孔篩分情況見表4。

表4 不同粗、細(xì)集料比例下集料關(guān)鍵篩孔篩分結(jié)果

以水泥劑量4.0%，比較不同粗、細(xì)集料比例下混合料的7d 無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果見圖1。

由上述試驗結(jié)果可知，隨著粗集料比例占比增加，混合料強度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，細(xì)集料較多，骨架趨于懸浮結(jié)構(gòu)，細(xì)集料減少，骨架內(nèi)部空隙大。當(dāng)粗集料占比為75%時，骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，混合料強度最高。鑒于此，考慮工程實踐施工和易性等情況，最終確定粗細(xì)集料的質(zhì)量比為75:25；即最終確定各檔集料19 ～31.5mm:9.5 ～19mm:4.75 ～9.5mm:2.36 ～4.75mm:0 ～2.36mm 的質(zhì)量比為24:31:20:8:17。后續(xù)施工中，建議抗裂型水泥穩(wěn)定碎石集料級配范圍如表5 所示。

表5 抗裂型水泥穩(wěn)定碎石集料級配范圍要求

3.2 水泥劑量及最佳含水率確定

水泥穩(wěn)定碎石基層采用振動碾壓方式成型，為真實模擬施工現(xiàn)場，測得合理的最大干密度、最佳含水量來控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，抗裂水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計時主要采用振動擊實法［2,7］。

試驗取用現(xiàn)場水泥，選取水泥劑量為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%進(jìn)行振動擊實試驗，確定各組混合料的最佳含水量和最大干密度、7d 無側(cè)限抗壓強度及劈裂抗拉強度，試驗結(jié)果見表6。

表6 水泥穩(wěn)定碎石基層配合比

由表6 可知，水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能與水泥劑量正相關(guān)，而大量研究也證明，同一級配條件下，水泥穩(wěn)定碎石基層干縮和溫縮系數(shù)隨著水泥劑量增加而增加。因此要滿足水泥穩(wěn)定碎石基層強度要求，并使之具有較小的溫縮、干縮系數(shù)和良好施工性能，最終選用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量為4.0%，最佳含水量4.3%。

3.3 延遲時間確定

水泥穩(wěn)定碎石采用雙層連鋪施工時，混合料從加水拌和到碾壓終了有一定的延遲時間，其對混合料的強度和密度影響很大。邊旭煒［8］通過二次振動試驗測得模擬施工現(xiàn)場，對水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪延遲時間各種因素進(jìn)行詳細(xì)分析，提出最大延遲時間確定方法。參照此方法，測得延遲時間對水穩(wěn)性能影響，結(jié)果如表7 及圖2 所示。

表7 延遲時間對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石性能影響

從表7 及圖2 可看出，延遲時間控制小于9h 時，因二次做功，對混合料進(jìn)一步壓密，水穩(wěn)強度較一次振實有一定程度增加，當(dāng)延遲時間繼續(xù)增加，水穩(wěn)強度降低較明顯，延遲時間超過12h，其強度已低于基準(zhǔn)強度。此外，考慮現(xiàn)場施工氣溫、風(fēng)速等，并考慮二次擾動對水泥穩(wěn)定碎石基層層間結(jié)合特性的影響［9］，應(yīng)盡可能控制延遲時間不超過6h。

4 雙層連鋪施工要點

水泥穩(wěn)定碎石基層采用“雙層連鋪、一次成型”施工工藝時，需一次達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尤其要通過合理化組織，精細(xì)化作業(yè)，加強施工過程管控。施工時應(yīng)對原材料、混合料配比、拌和過程、攤鋪及碾壓等質(zhì)量關(guān)鍵點進(jìn)行加強控制。

4.1 原材料

應(yīng)嚴(yán)格控制水泥及集料質(zhì)量。水泥應(yīng)選擇穩(wěn)定性可靠的廠家，初凝時間應(yīng)大于3 小時(宜大于4 小時)、終凝時間大于6h 且小于10h。集料生產(chǎn)應(yīng)采用反擊破破碎工藝，確保集料粒型符合要求，尤其應(yīng)嚴(yán)格控制細(xì)集料0.075mm 通過率和塑性指數(shù)，盡可能減少水泥穩(wěn)定集料中的粘土含量。建議合成級配通過0.075mm 篩孔的顆粒含量盡量控制在5%以下，通過4.75mm 篩孔的顆粒含量盡量控制在35%左右；如含有塑性指數(shù)的土?xí)r，塑性指數(shù)宜控制在4 以下。

4.2 混合料配比

在生產(chǎn)施工過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制集料級配的變異性，集料摻配時應(yīng)合成級配呈“S”型，嚴(yán)格控制關(guān)鍵篩孔通過率，當(dāng)集料來源改變或者采用多來源集料時，應(yīng)該提前進(jìn)行配合比驗證，必要時應(yīng)重新進(jìn)行配合比設(shè)計?？紤]水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性，可通過改善集料級配的方法以減少水泥用量，水泥劑量不宜大于5%。

4.3 拌和過程

為確保生產(chǎn)的混合料的拌合質(zhì)量，拌和樓進(jìn)行混合料生產(chǎn)前，試驗人員應(yīng)對原材料含水檢測，確保總用水量處于最佳范圍。夏季或氣溫較高時，應(yīng)考慮水分散失等因素，最佳含水量應(yīng)提高0.5%～1.0%。拌和生產(chǎn)時，應(yīng)驗證拌和均勻性。

4.4 混合料攤鋪

雙層攤鋪時，應(yīng)提前將底基層灑水濕潤，上基層施工時，下基層表面應(yīng)噴灑水泥凈漿，水泥凈漿量宜不少于0.5～1.2㎏/m2，灑布長度以不大于攤鋪機前30～40m 為宜。為減少攤鋪離析現(xiàn)象，攤鋪機變速箱處必須安裝反向葉片，派專人檢查攤鋪機后方，及時鏟除局部集料堆積或離析部位，并用新拌混合料填補。

4.5 碾壓

混合料攤鋪后應(yīng)及時進(jìn)行碾壓。選用試鋪段施工得到最佳碾壓組合，碾壓段落為40～60m，推薦碾壓組合方式見表8。

表8 推薦的碾壓方式組合

碾壓過程中應(yīng)重視接縫處理，攤鋪中斷或每段工作結(jié)束時要設(shè)置橫縫時，攤鋪機駛離攤鋪混合料末端，壓實后碾壓末端形成斜坡。攤鋪新混合料前，檢測接縫處平整度，垂直切去不合格部分，清理干凈，涂刷黏層油，混合料騎縫碾壓，呈“八”字形，先橫向碾壓至新鋪混合料處，再縱向碾壓。

4.6 養(yǎng)生及交通管制

合理的養(yǎng)生能保證水泥穩(wěn)定碎石基層強度，也能有效地減少或避免干縮裂縫產(chǎn)生。在基層碾壓完成并經(jīng)檢測合格后，應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)生，避免基層表面水分散失?？捎猛凉げ几采w灑水養(yǎng)生，也可灑布乳化瀝青。灑水養(yǎng)生時，應(yīng)視氣候情況，每日灑水5～6 次，做到均勻撒布，養(yǎng)生期不少于7d。

5 應(yīng)用效果

⑴碾壓過程中，采用灌砂法對基層壓實度進(jìn)行全面檢測。各測點壓實度均能滿足要求（不小于98%）。其中上基層壓實度均大于100%，下層壓實度介于98%～99%之間。

⑵養(yǎng)生結(jié)束后，鉆取芯樣進(jìn)行完整性檢測，共取芯5 處，均能取出完整芯樣，密基層上部和下部連接緊密，從圖3 可以看出現(xiàn)場取出的芯樣較為完整，說明水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪施工效果與養(yǎng)生效果均比較理想。

⑶自抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層施工完成，通過近3個月對基層裂縫發(fā)展情況持續(xù)觀測，多數(shù)路段未出現(xiàn)裂縫，少數(shù)出現(xiàn)裂縫路段裂縫間距約300～400m。

6 結(jié)語

施工實踐表明，采用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石一次攤鋪成型工藝，能減少下基層養(yǎng)生等施工工序，減少或延緩了路面裂縫的產(chǎn)生，在提升路面施工效率的同時，提高了路面的施工質(zhì)量及耐久性能。