抗裂型水穩(wěn)基層施工中的壓實度影響因素分析

聶倩

摘 要： 依托于工程實例重點對抗裂型水穩(wěn)基層壓實度的影響因素進行了研究。首先介紹了抗裂型水穩(wěn)基層的工作機理，然后分析了水穩(wěn)基層壓實度的形成過程，最后從碾壓工藝、碾壓速度、碾壓遍數和含水率4個方面探討了其對水穩(wěn)基層壓實度的影響，結果表明：這4個方面對水穩(wěn)基層壓實度的影響較為顯著。

關鍵詞： 抗裂型 水穩(wěn)基層 壓實度影響因素 碾壓工藝

中圖分類號： TU753文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）02-0026-04

Analysis of Factors Affecting Compaction Degree in the Construction of Crack Resistant Water Stable Base

NIE Qian

（ Zhenjiang Highway and Bridge Testing Co.， Ltd.， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212000 China ）

Abstract： This article focuses on studying the influencing factors of the compaction degree of cracked water stabilized base based on engineering examples. Firstly， the working mechanism of crack resistant water stable base was introduced， and then the formation process of compaction degree of water stable base was analyzed. Finally， the influence of rolling technology， rolling speed， rolling times， and moisture content on the compaction degree of water stable base was discussed. The results showed that these four aspects had a significant impact on the compaction degree of water stable base.

Key Words： Anti cracking type； Water stabilized base； Factors affecting compaction degree； Rolling process

目前廣泛應用的半剛性基層結構主要包括三種：懸浮密實型、骨架空隙型和骨架密實型。其中骨架密實型結構因其強度高、剛度大、凝結硬化過程中產生的裂縫少而廣泛應用于高等級公路中。有關研究表明：骨架密實型結構的壓實度嚴重影響著水穩(wěn)基層的承載能力和抗裂性能，較低的壓實度不僅降低了水穩(wěn)基層的承載能力，而且增加了水穩(wěn)基層產生裂縫的風險。因此，在抗裂型水穩(wěn)基層的施工過程中，需要對壓實度的影響因素進行全面的分析，確保水穩(wěn)基層壓實度符合規(guī)范和設計要求，以保證基層在使用中的質量和安全。

1 抗裂水穩(wěn)工作機理

（1）研究表明：在抵抗干縮和溫縮裂縫方面，水穩(wěn)基層級配設計中采用骨架密實型結構具有更好的抗裂效果，主要原因在于骨架密實型結構中粗集料占比較高，粗集料和粗集料之間相互搭接嵌鎖，彼此之間的空隙通過細集料進行填充，并通過水泥膠漿對粗細集料進行粘結，由于粗細集料之間的填充并不完全致密，因而減少了因溫度和含水率變化時所產生的應力集中，從而降低了水穩(wěn)基層產生開裂的風險[1]。此外，采用粗級配的水泥穩(wěn)定碎石可以提高水穩(wěn)基層的耐久性，大粒徑集料和大骨料的使用可以增加水穩(wěn)的強度和抗壓性能，同時，通過將集料相互搭接嵌鎖，可以有效提高混凝土的內聚力和剪切強度，從而減少混凝土的開裂風險。

（2）骨架密實型結構中細集料較少，比表面積也較小，與水泥膠漿的接觸面積相對較小，減少了水穩(wěn)混合料內部的黏聚力和黏著力，這樣可以減少水泥膠漿的收縮應力在水穩(wěn)料中的傳遞，進一步降低了開裂的風險。此外，細集料的減少，所需的水泥膠漿用量也相應的減少。水泥膠漿的收縮變形是由于水泥漿體在凝結過程中釋放水分而引起的，減少水泥膠漿的用量意味著減少了整個水穩(wěn)系統中的收縮變形量，從而降低了溫度和濕度變化引起的應力集中和開裂的風險。

2 水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度形成機理

壓實度是水穩(wěn)基層質量控制的關鍵指標，因此確保施工過程中水穩(wěn)壓實度符合設計和規(guī)范要求對于提高水穩(wěn)基層的強度和耐久性至關重要，目前壓實度的形成機理主要包括以下幾個方面。

2.1 靜態(tài)壓實

在靜態(tài)壓實過程中，壓路機的靜荷載通過作用于混合料表面，產生了垂直于路面的擠壓力，同時也產生了沿著路面方向的剪切力。當剪切力接近混合料的剪切強度時，混合料就會發(fā)生塑性變形，從而對混合料進行良好的壓實作用[2]。壓實過程中，壓路機施加的靜荷載可以使混合料中的各個顆粒不斷向更緊密、更穩(wěn)定的位置移動，從而填補空隙、降低混合料之間的空隙率，提高材料的相對密度和穩(wěn)定性。

2.2 振動壓實

振動壓實技術是指利用壓路機振動輪產生的振擊力對混合料進行壓實。在振動壓實過程中，壓路機的振動輪通過主動軸和旋轉偏心重等元件的作用，產生了高頻振動，使水穩(wěn)基層在振擊力下進行壓實。當振動輪產生高頻振動時，其會對混合料層中的顆粒產生作用力，使顆粒開始發(fā)生共振。在共振狀態(tài)下，顆粒與顆粒之間的接觸面積變大，顆粒間的內摩擦阻力降低，從而使顆粒更容易相互移動，填補空隙，提高材料的密實性和穩(wěn)定性。與靜態(tài)壓實相比，振動壓實對混合料施加的荷載大小和頻率更高，能夠更充分地填補空隙，提高材料的壓實度。

2.3 填充理論和粒子干涉理論

根據填充理論，當顆粒具有相同的直徑，并且在填充過程中以隨機方式排列時，空隙率將趨近于一個固定值，這個值與顆粒的粒徑無關；逐級填充理論是一種用于設計集料級配的方法，它考慮了顆粒在填充過程中的排列和堆積方式。當采用逐級填充方式時，逐級填充理論認為，較大粒徑的集料填充后可以形成一個骨架結構，較小粒徑的集料填充到骨架中的空隙中[3]。這樣，在保持較大粒徑集料的骨架結構的同時，使整個集料體積得到更充分的填充，從而減小骨架間隙率。根據逐級填充理論，前一級顆粒之間的空隙應由次一級顆粒填充，剩余的空隙再由更次一級顆粒填充。這樣可以保證整個集料中每個粒徑都能夠盡可能地填充進去，從而達到最大密實度。同時，需要注意的是，當填充的顆粒粒徑大于其間隙的距離時，就會發(fā)生干涉現象，導致填充不均勻，影響混合料的密實度和穩(wěn)定性。

3 工程概述

本文依托于312國道346國道鎮(zhèn)江戴家門至高資段改擴建工程進行試驗研究，該公路工程雙向六車道，設計采用面層基層加路基的典型路面結構，其中基層設計為2層，每層厚度18 cm，為了提高基層的承載能力和穩(wěn)定性，該項目水穩(wěn)基層選擇骨架密實型結構，同時施工過程中嚴格控制水穩(wěn)基層各道施工工序，以保證最終的施工質量。

3.1 配合比設計

（1）原材料：水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥（緩凝型），碎石為水穩(wěn)拌合站周圍自采碎石，經反擊破碎成型，所選原材料都按操作規(guī)程進行檢測，檢測結果符合規(guī)范和設計要求。

（2）配合比設計，將0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm和20～30 mm四檔集料進行篩分，根據篩分結果進行集料的級配設計，最終集料合成級配結果如表1所示，各檔集料比例為0～5 mm∶5～10 mm∶10～20 mm∶20～30 mm=29%∶16%∶32%∶23%。

根據上述確定的各檔集料的比例，加入水泥進行振動壓實，最終得到水泥穩(wěn)定碎石混合料最大干密度為2.385 g/cm3，最佳含水率為4.7%，水泥劑量為4.5%。

3.2 試驗段施工

3.2.1 施工設備

根據基層施工工序要求，現場施工設備有福格勒攤鋪機，最大攤鋪寬度可達9 m，單鋼輪壓路機、膠輪壓路機和雙鋼輪壓路機等。

3.2.2 試驗方法

為了確定不同碾壓工藝對抗裂型水穩(wěn)基層壓實度的影響以及確定最佳的碾壓工藝，本文選擇兩個不同的試驗段，確定了最佳碾壓工藝后，后續(xù)試驗段施工按下列方法進行。

（1）應在現場布置好監(jiān)測點，為了確保檢測結果具有代表性，每個監(jiān)測點的間距應在10 m以上。（2）攤鋪過程中應連續(xù)不間斷，同時在兩臺攤鋪機相交處，應安排專人進行補料，當出現明顯離析時，應及時進行處理。（3）水穩(wěn)混合料壓實是一個關鍵工序，在確定最佳壓實工序后，應在含水率高于或略高于最佳含水率時進行碾壓，以保證壓實效果。（4）在進行碾壓2、3、4、5、6 遍后，在各個監(jiān)測點進行壓實度檢測，以確定碾壓變數對壓實度的影響。

3.3 碾壓工藝對壓實度的影響

為了確定不同碾壓工藝對抗裂型水穩(wěn)基層壓實度的影響，試驗段選擇三種碾壓工藝，如表2所示。

根據上述碾壓方案，在采用不同碾壓工序后進行壓實度檢測，檢測結果如表3所示。

從表3中可以看出，碾壓工藝2下的壓實度最高，且變異常數最小，說明基層壓實效果更均勻，在振動壓路機和膠輪壓路機的交替碾壓下，既對基層底部進行了較好的壓實，同時在膠輪壓路機的碾壓和補水作用下，基層表面也進行了較好的壓實，因此后續(xù)選擇碾壓工藝2進行。

3.4 碾壓速度對壓實度的影響

水穩(wěn)基層的壓實度主要由復壓控制，因此，在相同碾壓工藝情況下，通過調整復壓時振動壓路機的碾壓速度，以檢測不同碾壓速度下的壓實度，具體檢測數值如表4所示。

從表4中可以看出，在相同碾壓工藝下（振動壓路機4遍，膠輪壓路機3遍，且振動壓路機與膠輪壓路機交替進行），碾壓速度為1.5 km/h時，壓實度為95.2%，當速度達到2.5 km/h時，壓實度達到最大值99.2%，之后隨著碾壓速度的增加，壓實度出現了一定程度的降低。因此，在相同碾壓工藝下，在一定碾壓速度范圍內，壓實度隨著碾壓速度的增加而增加，超過一定的碾壓速度，壓路機所產生的振動力在水穩(wěn)基層表面上作用的時間越短，壓實度也越小。

3.5 碾壓遍數對壓實度的影響

通過增加振動壓路機碾壓遍數，以檢測不同碾壓遍數下壓實度值，所檢壓實度結果如表5所示。

從表5中可以看出，碾壓遍數和混合料含水率之間的關系，一方面，在施工過程中，水穩(wěn)混合料暴露在空氣中，而空氣中的溫度和濕度會影響水分的蒸發(fā)速率，尤其是在較高溫度和較低濕度的環(huán)境下，水分的蒸發(fā)會更為迅速，導致混合料的含水率下降。另一方面，隨著水泥的水化反應進行，水分會逐漸被消耗，從而導致混合料的含水率降低。

從碾壓遍數與虛鋪系數的關系中可以看出，隨著碾壓遍數的增加，壓實功也逐漸增加，水穩(wěn)基層面的高程也逐漸下降，為了達到相同的高程，只能增加虛鋪厚度。

從碾壓遍數與壓實度的關系可以看出，當水穩(wěn)混合料受到壓力時，其顆粒之間會產生變形和移動，從而使混合料中的粒間空隙逐漸減小。通過多次碾壓，可以使混合料顆粒之間的接觸面積增加，進一步減小粒間空隙。此外，壓實過程還會使混合料中的顆粒相互擠壓、摩擦和粘結，從而增加混合料的密實度，但當壓實遍數增加到一定程度后，水穩(wěn)基層表面大粒徑集料出現壓碎現象，而壓實度增加幅度也減小，這說明豎向壓實度已逐漸趨近于平穩(wěn)狀態(tài)。

3.6 含水率對壓實度的影響

為了研究不同含水率對水穩(wěn)基層壓實度的影響，在保證混合料級配、碾壓速度、碾壓工藝相同的情況下，通過調整混合料含水率，以檢測不同含水率下壓實度的效果，具體檢測數值如表6所示。

從表6中可以看出含水率與壓實度的關系，含水率從5.2%增加到5.6%，混合料壓實度從97.2%增加到99.1%，當繼續(xù)增加含水率時，混合料的壓實度又逐漸降低，這是因為適量的水分可以提高混合料的可塑性和流動性，有利于顆粒之間的緊密排列和接觸，從而使混合料在壓實過程中更容易形成均勻、致密的結構，而過多的水分會導致混合料過于濕潤，使顆粒之間發(fā)生滑動和分離，且空隙之間被水填充，降低了混合料的密實度。

而含水率與虛鋪系數的關系，含水率從5.2%增加到5.6%，混合料虛鋪系數從1.168增加到1.195，當繼續(xù)增加含水率時，混合料的虛鋪系數又逐漸降低。

含水率直接影響混合料的可塑性、流動性和壓實性能，對碾壓過程中的內摩阻力和黏結力產生重要影響。當土顆粒含有適量的水分時，水分可以充當潤滑劑，減少顆粒間的內摩阻力，使土顆粒之間更容易發(fā)生位移并互相靠近。此外，水分還可以增加土顆粒表面的粘附力和黏聚力，促進顆粒之間的粘結作用。這些作用使土顆粒在碾壓過程中更易于緊密排列，形成致密的結構。當土的含水量較低時，土顆粒間的接觸面積較大，內摩阻力也較大，需要較大的碾壓功才能克服其抗力，使其形成致密的結構。但是，在一定的密實度下，某一壓實功將無法再次提高土的密實度，此時，土的含水量越低，得到的干容重也就越小。相反地，當土的含水量逐漸增加時，水在土顆粒間起到潤滑作用，減小了內摩阻力，從而使同樣的壓實功可以得到更高的干容重。而當混合料中的含水量超過一定限度后，混合料中的空氣體積逐漸減小，而水的體積則逐漸增加，由于水是不可壓縮的，單位混合料中的空隙被水填滿后，繼續(xù)施加壓力無法再進一步減小混合料的體積，因而隨著含水率的增加，混合料的壓實度逐漸降低。根據規(guī)范要求，對于中粗粒土，現場施工過程中，混合料的含水率宜高于最佳含水率的0.5%～1.0%，因此，本項目中，應將含水率控制在5.2%～5.7%之間，現場控制含水率尤為重要，當含水量過低時，混合料中的顆粒間缺乏充分的潤滑作用，使顆粒之間的接觸阻力增大，從而難以有效地進行壓實或填充空隙。此外，水分在振動作用下也難以運動，無法充分溶解和反應，影響了水泥膠體的形成和混合料的膠凝過程，導致混合料的壓實度較低，同樣混合料的強度也較低。相反，當含水量過高時，過多的水分會占據原本的空隙，使顆粒間的接觸面積減小，導致黏結力不足，難以形成致密的結構。此外，過多的水分還會稀釋水泥膠體，降低混合料的強度和耐久性[4-5]。

4 結論

本文通過從碾壓工藝、碾壓速度、碾壓遍數和含水率4個方面來研究其對抗裂型水穩(wěn)基層壓實度的影響，得出如下結論：（1）通過振動壓路機和膠輪壓路機的交替碾壓，既提升了碾壓效果，又對碾壓過程中，水穩(wěn)混合料表面散失的水分進行了補充，從而提高了壓實度；（2）碾壓速度應控制在一定范圍內，過快的碾壓速度降低了振動力在水穩(wěn)基層表面的作用時間；（3）壓實度隨著碾壓遍數的增加而增大，但碾壓遍數的增加也提高了工程造價；（4）現場碾壓時，應控制好混合料的含水率，水分過高時，碾壓過程中容易出現彈簧現象，水分過低時，不易碾壓成型。

參考文獻

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