試論道路水泥穩(wěn)定基層施工的質(zhì)量控制要點

孟憲武

（山西路橋集團國際交通建設(shè)工程有限公司，山西 太原 030006）

在高等級道路中，無論是瀝青混凝土路面，還是水泥混凝土路面，其下部承重層都是由水泥穩(wěn)定土材料鋪筑而成。雖然道路上部的荷載（包括車輛及其他路上荷載）直接由道路面層承擔(dān)，但道路的經(jīng)典承載理論顯示，水泥穩(wěn)定土基層是道路的主要荷載承受層。特別是瀝青混凝土路面，作用在其上的載荷都要經(jīng)過路面?zhèn)鬟f到下面的水泥穩(wěn)定土基礎(chǔ)。因此，水泥穩(wěn)定土基礎(chǔ)也是抵抗道路面層變形的主要結(jié)構(gòu)層。

1 問題的提出

綜上所述，保證水泥穩(wěn)定土基層的施工質(zhì)量是十分重要的，其中水穩(wěn)基礎(chǔ)的材料組成、拌制工藝和攤鋪質(zhì)量的優(yōu)劣就成為影響高等級道路總體質(zhì)量和服務(wù)壽命的關(guān)鍵因素。眾所周知，由于水泥穩(wěn)定層處于道路面層的下部（即由上部加鋪的面層所覆蓋），在道路鋪就后的整個道路服務(wù)期間一般不會“再現(xiàn)”，因此水泥穩(wěn)定土材料的質(zhì)量和施工問題很容易得到忽視。但作為抵抗道路面變形的主要結(jié)構(gòu)層，其質(zhì)量問題將導(dǎo)致下述結(jié)果：

a）水泥穩(wěn)定層的“不穩(wěn)”導(dǎo)致道路整體承載能力的下降。

b）早期道路病害，如縱橫網(wǎng)裂、坑槽和松散的大量出現(xiàn)。

c）基礎(chǔ)的薄弱和面層病害勢必導(dǎo)致整個道路的大面積破壞。

長期以來，筆者曾參與山西臨離、長晉和忻黑等多條高等級道路的工程施工，并在現(xiàn)場進行了大量調(diào)查，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定土基層的施工作業(yè)有諸多急需改進之處。為了保證水泥穩(wěn)定土基層的施工質(zhì)量，就必須從材料選擇、穩(wěn)定土制備和運送、攤鋪施工和后期養(yǎng)生等工序進行質(zhì)量監(jiān)控和工藝優(yōu)化。

2 水泥穩(wěn)定土基層的原材料

原材料的質(zhì)量，包括嚴(yán)格的級配要求，是保證水泥穩(wěn)定土混合料總體質(zhì)量的基礎(chǔ)。不同等級的道路，其水穩(wěn)層的材料組成也不同。一般講，水泥穩(wěn)定土基層是由一定級配的礫石、砂、水和水泥等材料拌合而成。水泥和水混合產(chǎn)生水化反應(yīng)形成凝膠狀物體，并以此作為黏結(jié)劑[1]，經(jīng)拌合與級配礫石和砂等固體顆粒材料混合成水泥穩(wěn)定土混合料。為了達到要求的強度和使用耐久性，水穩(wěn)層所用原材料必須嚴(yán)格按照設(shè)計要求的比例進行配比。如在高等級道路的水泥穩(wěn)定土基層材料配比時，一般要求路用水泥應(yīng)使用不低于P42.5的早強型硅酸鹽水泥，且水泥的用量應(yīng)大于等于0.3 t/m3。筆者曾參與山西大運高速忻州路段的工程施工，由于該路段處于我國北方較寒冷的地區(qū)，無霜期較短，為了盡量增大道路施工周期，改善低溫環(huán)境水泥穩(wěn)定土材料的早期強度，采取上述水泥標(biāo)號和用量比例是十分恰當(dāng)?shù)模@已在實體道路工程中得到成功的應(yīng)用。而水穩(wěn)材料中的細(xì)骨料應(yīng)采用級配良好的硬質(zhì)中砂（若以塊石粉碎制作，則應(yīng)以酸性石料，如花崗巖、閃長巖等高硬耐磨石料作為原材料的首選）。砂中的土含量必須小于等于2%。這對于保證水穩(wěn)材料的制備質(zhì)量是十分必要的。

3 水穩(wěn)材料的拌制和運送

作為道路的基層部分，水穩(wěn)材料是由多種材料混合拌制而成。而水穩(wěn)材料的拌制工藝直接影響到水穩(wěn)基層的整體質(zhì)量，為了保證混合料的拌制質(zhì)量，應(yīng)特別注意下述問題。

3.1 采用間歇強制式拌合設(shè)備

目前，用于高等級道路施工的水穩(wěn)材料均采用強制式攪拌設(shè)備完成。這種設(shè)備分為連續(xù)式和間歇式兩種。前者的進料、拌合和出料均為連續(xù)完成，作業(yè)效率較高。但一旦作業(yè)程序輸入完成，在作業(yè)過程中就很難進行再控制和再調(diào)整，而拌合過程中各種原材料的摻配受到多種因素的影響，因此其拌合質(zhì)量的控制比較困難。后者為間歇作業(yè)式，其每次進料量能夠進行較為精確的稱量控制，且各種材料的稱量均可獨立進行，特別是拌合時間（即物料在拌合裝置中的存留周期）能夠根據(jù)需要方便調(diào)整。這些特點使得水穩(wěn)材料的質(zhì)量容易得到保證。因此，雖然作業(yè)效率相對較低，但間歇強制式拌合工藝在高等級道路施工的水穩(wěn)材料拌制工序得到了更為廣泛的應(yīng)用。有鑒于目前我國道路施工單位保有大量的連續(xù)式強制拌合設(shè)備，若將其用于高等級道路施工，筆者建議應(yīng)特別注意下述技術(shù)條件。

3.2 增加二次拌合工序

眾所周知，材料拌合的均勻性與拌合時間成正比，他們之間的關(guān)系見圖1所示。

圖1 材料拌合的均勻性與拌合時間的關(guān)系

水穩(wěn)材料拌制的均勻性應(yīng)達到96%以上，即拌合后的混合料不允許出現(xiàn)任何白料，各種材料必須均勻地互相裹覆在一起，這就要求材料在拌合機中的拌合時間不應(yīng)小于50 s（見圖1）。而連續(xù)式強制拌合設(shè)備的作業(yè)特點決定了其材料的拌合時間往往小于該值且無法調(diào)整。為了達到相應(yīng)指標(biāo)，增加二次拌合工序是必要的。二次拌合工序可采用連續(xù)式，也可以是間歇式，但后者必須增加一套中間集料系統(tǒng)用于初次拌合后材料的收集。中間集料系統(tǒng)應(yīng)具有計量和自動出料功能，以便實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化作業(yè)。其作業(yè)工序為：原材料配比加入→連續(xù)式拌合→中間集料、計量和出料→二次間歇強制拌合。

增加二次拌合工序可使材料的拌合時間提高一倍左右，水穩(wěn)材料的制作成本相應(yīng)增加20%～25%，但卻有效提高了材料的制作質(zhì)量。如山西大運、汾柳等高速公路和207、308、208等國道的水穩(wěn)材料拌制和RCC路面（高碾壓混凝土路面）施工中增加二次拌合工序后均有效提高了拌合質(zhì)量，特別是材料鋪筑后的壓實密實度和早期強度得到明顯提高。

3.3 注意保持材料的含水量

我國北方地區(qū)大多地處北緯35°～50°的溫帶，其氣候特點是四季分明，道路施工必須在較為適宜的春末、夏季和秋季進行。這些時節(jié)環(huán)境溫度較高，各種混合料的溫度易于保持，有利于材料的攤鋪、成型和壓實。但在水穩(wěn)材料的拌合和成品料輸送過程中的水分蒸發(fā)較為迅速。因此，應(yīng)在材料拌合、集料和成品料輸送過程中對其上部進行覆蓋，以減少水分蒸發(fā)，盡可能保持材料的含水量。同時，增加二次拌合工序后使得材料的拌合時間（包括中間集料時間）有所提高，而這些過程通常均為暴露作業(yè)，材料中的水分蒸發(fā)較多。為了保持其合理的含水量，為后續(xù)壓實工序提供必要條件，亦應(yīng)在原材料配比時適當(dāng)增加水分加入比例。根據(jù)實體工程經(jīng)驗，一般應(yīng)在原加水比例基礎(chǔ)上增加2%～5%（視環(huán)境溫度、濕度等情況而定）。

4 在面層攤鋪前，應(yīng)對水穩(wěn)層上部表面雜質(zhì)進行徹底清理

道路水穩(wěn)基層鋪筑的結(jié)束，即預(yù)示水穩(wěn)層養(yǎng)生階段的開始。經(jīng)過養(yǎng)生工序（養(yǎng)生時間依環(huán)境溫度的不同差異較大）的水泥穩(wěn)定基礎(chǔ)才能達到一定的結(jié)構(gòu)強度，才能以足夠的表面承載能力接受加鋪在其上部的道路面層。由于水泥穩(wěn)定基層鋪筑時的工程施工質(zhì)量（包括原材料的質(zhì)量和級配的合理性）及養(yǎng)生期間各種環(huán)境的影響（包括灑水的數(shù)量和均勻性、表面覆蓋保濕的有效性、作業(yè)施工車輛的早期碾壓及各種自然光候的影響等），水穩(wěn)層表面會出現(xiàn)很多不應(yīng)有的各種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)有些是懸浮于面層上的松散物料，有些是黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)。前者是松散物質(zhì)，后者與路面有一定的黏結(jié)強度，因此其在水穩(wěn)基層表面的存在狀態(tài)極不穩(wěn)定。若無視這些雜質(zhì)在水穩(wěn)基層上部直接鋪設(shè)道路面層材料，則極易產(chǎn)生弊端。

4.1 產(chǎn)生的弊端

a）雜質(zhì)存在狀態(tài)的不穩(wěn)定會形成一個介于道路水穩(wěn)基層和上部面層之間的雜質(zhì)夾層，使本應(yīng)良好結(jié)合的承重層和磨耗層之間存在互相滑移的趨勢而失穩(wěn)。由于面層和基層難以形成整體強度而分別受力，因此當(dāng)?shù)缆飞喜渴艿捷^大的荷載時，面層會因受力不勻而變形，嚴(yán)重時會出現(xiàn)大面積斷裂[2]。

b）在尚未形成一定的強度前，水穩(wěn)層表面具有一定硬度的雜質(zhì)在工程車輛碾壓下會嵌入水穩(wěn)層內(nèi)部與其混合，從而改變水穩(wěn)材料上部的材料配比和礦料粒徑的級配，進而影響水穩(wěn)基層的設(shè)計強度。

c）由于水穩(wěn)層鋪就和壓實后與上部面層的攤鋪間隔時間較長，各種表面雜質(zhì)的種類也會多種多樣，尤其是在筆者所在的山西省地處西北山區(qū)和丘陵地帶，也是我國的重點煤炭重化工基地之一，如此環(huán)境使得不少堅硬質(zhì)地的煤炭和石料顆粒散落在道路表面。由于這些雜質(zhì)的硬度較大（其中以閃長巖、花崗巖、玄武巖等酸性石料的硬度更甚），當(dāng)遇到碾壓和其他較大的荷載時，就會有相當(dāng)部分被壓嵌進水穩(wěn)基層的上部而對水穩(wěn)層的原有強度造成局部消弱。顯然，這也是道路進入使用后早期強度減弱和損壞的重要原因之一。

有鑒于此，在鋪筑面層前對水穩(wěn)層表面的各種雜質(zhì)進行徹底清除是十分必要的。

4.2 清除水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的常用方法

a）以道路清掃設(shè)備（純掃或吸掃式）來完成水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的清除，也可以人工清掃完成作業(yè)。

b）若施工地區(qū)的水資源（地表水和地下水)較為豐富且容易得到，則采用壓力水對水穩(wěn)層表面雜質(zhì)進行沖擊清除。由于施工單位往往保有一定數(shù)量的灑水車，其射水壓力多為0.4～0.7 MPa，單車水容量5～10 kL，能夠以射水方式用于路面雜質(zhì)清除，亦可使這些設(shè)備的利用率得到有效提高。

長期的工程實踐表明，上述清除方法的作業(yè)效果尚有很多不盡人意之處，如前者難以較徹底地清除較小顆粒的粉狀物體，而我國北方的山西、內(nèi)蒙和東北地區(qū)多為黃土高原、煤炭和礦石產(chǎn)區(qū)，在運輸?shù)缆飞贤斐煞蹱钗矬w的散落和大量聚積，因此表面雜質(zhì)的清除效果較差；后者雖具有相當(dāng)?shù)乃畨簺_洗，但對某些黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)仍無能為力，而且由于用水較多也造成了水源的浪費。近年來，針對傳統(tǒng)工藝方法的不足，山西省交通系統(tǒng)研發(fā)了以液壓動力鋼絲滾刷強制切除、多級風(fēng)壓吹送為作業(yè)原理的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)快速清除設(shè)備。其整機采用拖行式整架底盤，可由任何20 kW以上功率的車輛牽引作業(yè)，作業(yè)有效寬度為2 400 mm。整機主要由柴油機、液壓傳動系統(tǒng)、動力鋼絲滾刷、風(fēng)力吹送系統(tǒng)及其控制部分等組成。專門設(shè)計了多級風(fēng)壓吹送結(jié)構(gòu)（圖2）Δ、δ、和ε表示各風(fēng)道的進口風(fēng)壓，由于各進口與高壓風(fēng)機直接銜接，則其風(fēng)壓值均處于高位且相等，即Δ=δ=ε；A、B和C、D分別表示風(fēng)道的長度和寬度。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點是各獨立風(fēng)道與高壓風(fēng)機的銜接方式能夠保證在較長的吹送距離上保持較大的吹送風(fēng)壓[3]。作業(yè)時，先由液壓馬達直接驅(qū)動的鋼絲滾刷對道路表面雜質(zhì)進行強力掃除，再由后部的風(fēng)力吹送系統(tǒng)將雜質(zhì)吹出路面。

圖2 前后接力多風(fēng)道吹除作業(yè)原理

由于鋼絲滾刷可將黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)打掉，而后由多風(fēng)道雜質(zhì)強力吹除方式將各種顆粒（包括粉狀物質(zhì)）的雜質(zhì)清出路面，因此能夠較為徹底地完成水穩(wěn)層表面各種雜質(zhì)的清除作業(yè)（各種雜質(zhì)的綜合清除率為98%以上）。目前，這種型號為SC-2400的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)清除設(shè)備已在山西大（同）運（城）高速、忻（州）阜（平）高速和忻（州）（五）臺等國道的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)清除工程中得到了成功應(yīng)用，有效提高了道路的施工質(zhì)量。

5 總結(jié)

眾所周知，如何保證道路的整體施工質(zhì)量包括很多方面，但水泥穩(wěn)定層的施工是其關(guān)鍵之一。本文基于工程中遇到的實際問題，從原材料制備、成品料運送、水穩(wěn)攤鋪和養(yǎng)生等作業(yè)工序提出了解決問題的方案和意見，相信隨著道路等級的提高和施工工藝的逐步完善，我國道路的整體建造水平會更快提高。