農(nóng)村道路工程水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)初探

摘要 文章選取江蘇省睢寧縣三級公路工程為研究對象，通過系統(tǒng)分析碾壓遍數(shù)、速度和含水量對基層壓實度的影響，以提升農(nóng)村道路工程中水泥穩(wěn)定碎石基層的施工效率與質(zhì)量。結(jié)果表明，含水量控制在5.9%～6.3%范圍內(nèi)能有效提升壓實度，而碾壓遍數(shù)超過10次后，壓實效果不再顯著提升。此外，碾壓速度對壓實度的提升存在最優(yōu)區(qū)間，超過3.5 km/h后效果會出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。研究結(jié)果為農(nóng)村道路基層施工提供了數(shù)據(jù)支持和工藝優(yōu)化建議，對提升道路工程質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞 水泥穩(wěn)定碎石；農(nóng)村道路工程；施工技術(shù)；材料配比設(shè)計；質(zhì)量控制

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0161-03

0 引言

農(nóng)村道路作為連接城鄉(xiāng)、促進農(nóng)業(yè)與農(nóng)村現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高。在眾多農(nóng)村道路工程中，水泥穩(wěn)定碎石基層以其良好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，由于農(nóng)村地區(qū)自然條件的多樣性和施工條件的局限性，如何確保水泥穩(wěn)定碎石基層在不同環(huán)境下均能保持優(yōu)良性能，成為亟待解決的問題之一[2]?，F(xiàn)有研究大多集中在材料的力學(xué)性能和施工工藝的優(yōu)化，但對于施工過程中關(guān)鍵參數(shù)的控制及其對基層性能影響的系統(tǒng)性研究尚顯不足[3]。特別是在多變的自然環(huán)境和復(fù)雜的地質(zhì)條件下，如何通過精確控制施工參數(shù)提高基層的壓實度和穩(wěn)定性，對于延長道路使用壽命、降低維護成本具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

1 工程概況

1.1 案例介紹

項目位于江蘇省睢寧縣東部的沙集鎮(zhèn)與凌城鎮(zhèn)，沿夏張線建設(shè)，按照三級公路標準設(shè)計，設(shè)計時速為40 km/h。路線全長7.756 km，路基寬度為9 m，路面寬度為7 m。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：20 cm厚石灰土底基層+20 cm厚水泥穩(wěn)定碎石基層+瀝青面層。余莊橋和馬莊橋按公路I級標準建造，橋長共計24.44 m，橋面寬度為10 m。工程招標范圍包括路基、路面、橋涵等施工內(nèi)容。施工范圍從K0+690至K6+370，總長約5 680 m。水泥穩(wěn)定碎石混合料采用集中拌和方式生產(chǎn)，由鄰近的水穩(wěn)拌和站供應(yīng)，平均運輸距離約為800 m。

1.2 施工環(huán)境

項目區(qū)域的土壤以黏土和砂土為主，地下水位季節(jié)性變化顯著，尤其在雨季，這對施工進度和材料性能構(gòu)成顯著影響。該地區(qū)氣候特點為四季分明，夏季潮濕炎熱，冬季干燥寒冷，極端氣候條件對水泥穩(wěn)定碎石基層的固化和強度發(fā)展至關(guān)重要。鑒于降水的季節(jié)性分布，施工期間需實施有效的排水策略，防止材料受潮和路基沉降。同時，應(yīng)持續(xù)監(jiān)控天氣預(yù)報，靈活調(diào)整施工計劃，以適應(yīng)可能的氣候變化。

1.3 主要問題分析

該工程中，水泥穩(wěn)定碎石基層施工面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括土壤多樣性引發(fā)的地基穩(wěn)定性問題、地下水位變化對施工和材料性能的影響，以及極端氣候?qū)鶎庸袒c強度發(fā)展的影響?；诂F(xiàn)狀，要求施工方案具有足夠的適應(yīng)性和靈活性，確保施工質(zhì)量與效率，同時必須設(shè)計有效的排水系統(tǒng)以應(yīng)對雨季帶來的潛在問題[5]。

2 農(nóng)村道路工程水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)

2.1 原材料及配合比

該工程選用普通硅酸鹽水泥，碎石需機械軋制，并確保其清潔、干燥，同時滿足強度與耐磨要求。碎石顆粒應(yīng)接近立方體形狀，排除軟質(zhì)和其他雜質(zhì)，工程中使用的碎石粒徑分為10～30 mm、5～10 mm、0～5 mm三個等級，按30%、35%、35%的比例混合?；旌虾蟮乃槭辖?jīng)篩分后得到粒度分布數(shù)據(jù)，詳見表1和圖1所示。為確定混合料的最佳含水率和最大干密度，將碎石集料與水泥混合后進行重型壓實試驗[6]。結(jié)果顯示，含水率為5.4%時混合料達到最大干密度2.29 g/m3，水泥摻量為6.0%，此時7 d無側(cè)限抗壓強度為5.0 MPa。

2.2 施工準備工作

針對農(nóng)村道路工程的特性，該工程選用DTU90SC型多功能攤鋪機進行基層攤鋪作業(yè)，其具備一次性攤鋪9 m寬、200 mm厚的能力，能夠滿足20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層的施工要求。為確保基層壓實質(zhì)量，工程還配備了2臺XG6181型單鋼輪全液壓振動壓路機進行壓實工作。

2.3 施工流程及方法

為保障施工質(zhì)量，在施工區(qū)域內(nèi)按3×3 m間隔設(shè)置了若干監(jiān)測點，用于實時監(jiān)控混合料的攤鋪均勻性和壓實度。采用攤鋪機進行攤鋪作業(yè)，應(yīng)嚴格控制其速度以保證混合料的連續(xù)性和均勻性；專職人員應(yīng)跟隨攤鋪機，對攤鋪層進行監(jiān)控，及時處理局部粗集料窩或離析現(xiàn)象，避免基層不均勻或松散[7]。

在碾壓前，應(yīng)先檢測混合料含水量，調(diào)整至略高于最佳含水量（5.4%）以優(yōu)化壓實效果；再使用壓路機進行分階段碾壓，包括初壓、復(fù)壓和終壓，直至壓實度超過98%，確保基層的密實和穩(wěn)定[8]。碾壓后，對基層進行覆蓋保濕養(yǎng)護，如使用濕布或塑料薄膜，以防止失水過快引起裂縫。

2.4 水泥穩(wěn)定碎石層壓實度形成機理

（1）靜態(tài)壓實

靜態(tài)壓實是水泥穩(wěn)定碎石層施工的核心步驟，通過靜荷載引起的顆粒塑性變形降低孔隙率、增強基層穩(wěn)定性。在混合料的剪應(yīng)力接近剪切強度時，顆粒將重新排列從而形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，目標壓實度為98%，以最佳含水量5.4%實現(xiàn)最大干密度2.29 g/m3。

（2）振動壓實

振動壓實利用壓路機振動輪產(chǎn)生的振擊力促進顆粒緊密排列。振動輪的主動軸與偏心重共同作用產(chǎn)生周期性力，激發(fā)顆粒共振，降低內(nèi)摩擦阻力，促進顆粒移動至穩(wěn)定位置，以提高壓實效率[9]。在最佳含水量下，該技術(shù)能夠顯著提升壓實度，確保材料達到設(shè)計要求的最大干密度，對提升道路承載能力和延長使用壽命至關(guān)重要。

（3）填充與粒子干涉理論

填充理論和粒子干涉理論指出，顆?？障堵嗜Q于排列方式和填充策略。理想的集料級配需考慮骨架間隙率與填充比例，確保小顆粒填補大顆粒間的空隙，避免顆粒間干涉[10]?？赏ㄟ^逐級填充策略最大化密實度，增強基層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力，滿足農(nóng)村道路工程的質(zhì)量與耐久性需求。

3 施工壓實度因素分析

3.1 碾壓遍數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石壓實度的影響

研究顯示，隨著碾壓遍數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料的含水量逐漸降低，壓實度得到相應(yīng)提高。具體數(shù)據(jù)表明，碾壓4次時，含水量為6.1%，壓實度為92.6%；碾壓至6次，含水量降至5.9%，壓實度升至97.2%；碾壓至8次，含水量則進一步降低至5.7%，壓實度達到98.9%。當碾壓遍數(shù)分別增至10次和12次時，含水量穩(wěn)定在5.2%～5.3%，壓實度維持在99.5%，而松鋪系數(shù)從1.159增至最大值1.289。

初始階段（4～8遍）碾壓遍數(shù)的增加導(dǎo)致含水量下降，主要是因為混合料表面水分蒸發(fā)，以及水泥水化反應(yīng)消耗水分。水化反應(yīng)生成的硅酸鈣水合物和氫氧化鈣填充空隙，能夠提升密實度。松鋪系數(shù)的提升反映了隨著壓實度的增加，單位體積內(nèi)料體質(zhì)量增大[11]。具體化學(xué)方程式如下：

C3S+6H→C3S2H3+CH

C2S+6H→C3S2H3+CH （1）

在碾壓遍數(shù)增至10次后，壓實度和松鋪系數(shù)趨于穩(wěn)定，表明混合料已達到最大壓實效果。此時，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)對壓實效果的提升有限，且過低的含水量可能抑制后續(xù)水化反應(yīng)[12]。因此，確定合適的碾壓遍數(shù)對于實現(xiàn)最佳壓實效果和材料性能至關(guān)重要。

3.2 碾壓速度對水泥穩(wěn)定碎石壓實度的影響

通過控制其他施工條件不變，僅改變壓路機的作業(yè)速度，研究其對水泥穩(wěn)定碎石壓實度的影響。使用22 t壓路機，采用一致的碾壓工藝（靜壓-振動壓-靜壓），記錄了不同速度下的壓實效果，如圖2所示。結(jié)果表明，速度由1.5 km/h增至2.5 km/h時，壓實度從94.9%增至99.2%；但速度提升至3.5 km/h時，壓實度反而降至97.2%。

粗集料構(gòu)成結(jié)構(gòu)骨架，而細集料和粉料填充骨架空隙，從而達到密實目的。通過精確的級配設(shè)計，可優(yōu)化混合料的壓實效果，增強基層的穩(wěn)定性和耐久性，滿足農(nóng)村道路工程對材料性能的高標準要求[13]。

3.3 含水量對水泥穩(wěn)定碎石壓實度的影響

在控制原材料級配和碾壓參數(shù)恒定的條件下，研究發(fā)現(xiàn)含水量的變化對水泥穩(wěn)定碎石的壓實度和松鋪系數(shù)有顯著影響。如圖3所示，當含水量從5.9%逐步增加至6.3%時，壓實度從97.8%提升至99.1%；但含水量繼續(xù)增加至6.7%時，壓實度反而下降至97.7%，顯示出先升后降的趨勢。同時，如圖4所示，松鋪系數(shù)也隨著含水量的增加先增至1.279，然后在6.7%的含水量時降至1.266。這一結(jié)果表明存在一個最佳含水量區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)的壓實效果最優(yōu)。

此外，含水量的調(diào)整影響土顆粒間的相互作用力。在較低含水量時，顆粒間的內(nèi)摩阻力較大，限制了干容重的增加；隨著含水量的增加，水分的潤滑作用降低了內(nèi)摩阻力，增加了干容重。然而，當含水量超過某一臨界值時，顆粒間的不可壓縮性質(zhì)導(dǎo)致干容重不再增加，可能還會減少[14]。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范和室內(nèi)擊實試驗，水泥穩(wěn)定碎石的最優(yōu)含水量確定為5.5%，此時可達到最大的干密度2.29 g/m3。在實際施工中，建議將含水量控制在5.9%～6.4%范圍內(nèi)，以確?；旌狭系膲簩嵍群蛷姸取，F(xiàn)場含水量的精確控制對保證施工質(zhì)量至關(guān)重要[15]。

4 結(jié)語

該研究對水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)進行了系統(tǒng)的分析與探討，研究結(jié)果表明，含水量控制在一定范圍內(nèi)對優(yōu)化壓實效果至關(guān)重要，而碾壓遍數(shù)和速度的合理搭配則有助于實現(xiàn)基層的高效壓實。該研究的發(fā)現(xiàn)對于農(nóng)村道路工程的施工實踐具有重要的指導(dǎo)意義，有助于提高道路工程的整體質(zhì)量和耐久性，同時也為其他類似環(huán)境下的道路建設(shè)提供了寶貴參考，對于推動道路施工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展具有促進作用。

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收稿日期：2024-05-19

作者簡介：宋政席（1985—）， 男，本科，工程師，研究方向：道路工程施工技術(shù)。