基于振動成型技術的水泥穩定碎石在城市道路基層中的設計與應用

楊磊　周西棚　韓永強

摘要：結合實際工程，對比研究水泥穩定碎石基層振動壓實與傳統重型擊實兩種配合比設計方法，得出如下結論：使用振動成型方法更能準確的模擬現場施工的碾壓過程，得到的混合料有較低的最佳含水率、較高的最大干密度和強度；工程實踐表明，使用振動成型方法進行水泥穩定碎石基層的設計，能有效加強對施工過程中壓實質量的控制，減少基層收縮裂縫的產生，有利于延長道路使用壽命。

關鍵詞：振動成型技術；水泥穩定碎石；道路基層

中圖分類號：U416.214文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2016）09-06-02

引言

半剛性基層以其較高的抗壓強度、剛度、較好的整體性、原材料來源廣、工程造價較低等優點廣泛地被我國道路建設所采用，水泥穩定碎石作為一種主要的半剛性基層材料，早期強度較高、穩定性好、整體性強，因此在我國近二十多年的道路建設中得到了極為廣泛的應用。

在大面積使用過程中，參建各單位及規范均以水泥穩定基層的強度及壓實度作為主控標準，雖然也明確提出了水泥用量的具體要求，但在施工過程中為保障基層強度，往往水泥用量偏大造成普遍性的干縮裂縫。為此在實踐中也采取了如摻加粉煤灰、人工切縫等措施，但均未較好的解決干縮裂縫反射至瀝青面層，影響路面結構使用壽命和通行質量的問題。

同時伴隨著我國筑路機械設備技術水平及壓實功率的提高，20t～30t的振動壓路機在施工中得到普遍運用。原規范是以當時的施工工藝為標準制定的，就目前的施工水平來說，極易出現壓實度超100%現象，反映原實驗室內重型擊實法所測得的水泥穩定碎石最大干密度值較實際值偏小。在此背景下，更能模擬現場壓實機理的振動成型配合比試驗方法逐漸進入大家的視線。實驗室內使用振動成型進行水泥穩定碎石配合比設計，更符合現場的碾壓工藝，其強度提高主要依靠于壓實度提高而非水泥用量，可有效減少水泥用量，從而很大程度上減緩裂縫的產生，延長道路的使用壽命。

1.原材料

1.1水泥

在水泥穩定碎石混合料中，水泥是主要的穩定劑和膠結材料，水泥的性能直接影響基層的使用性能，因此在施工中對每批進場的水泥都要經過嚴格的檢測，不合格產品堅決不能使用。本次試驗采用緩凝型的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，試驗用水泥的細度、初終凝時間、體積安定性及強度均滿足使用要求。

1.2集料

碎石最大粒徑不得超過31.5mm，按照不同的粒徑范圍進場，分類堆放，堆放場地須硬化，并設置遮雨防塵設施。按照規范要求對集料進行指標檢測，各項物理指標均滿足要求。

2.配合比設計

使用同樣的礦料級配，分別采用重型擊實成型和振動成型兩種方法進行配合比設計，對比分析兩種成型方法對混合料性能的影響。

建筑建材裝飾

2.1礦料級配設計

要保證水泥穩定碎石基層的使用性能，首先應在集料級配上予以保證，目前主要的三種混合料結構類型分為懸浮密實型、骨架空隙型和骨架密實型，水泥穩定碎石的力學性能主要是由原材料的性能和混合料的結構所決定的，根據莫爾一庫倫強度理論，混合料的強度取決于兩個方面：水泥膠體在集料之間形成的粘結力和集料之間相互嵌擠形成的內摩阻力，在基層破壞后期，水泥水化形成的粘結網基本破壞殆盡，集料問的嵌擠力起到主要的作用，因此，集料的級配類型是保證混合料性能的主要因素。骨架-密實型混合料有粗集料形成的骨架結構，又有細集料填充空隙，保證混合料的密實度，相對于其它兩種結構類型，骨架一密實型結構能夠提供最好的路用性能，因此選擇骨架密實型結構作為本文的級配類型進行設計。

2.2確定最佳含水率與最大干密度

分別采用重型擊實法和振動壓實成型法制作試件，測定不同水泥用量下的最大干密度和最佳含水率，對比試驗結果可以看出，使用振動壓實成型的試件最大干密度和最佳含水量分別為2.401g/cm³，4.38%（3%水泥含量），2.478g/cm³，5.04%（4%水泥含量），而重型擊實成型的試件最大干密度和最佳含水量分別為2.331g/cm³，4.52%（3%水泥含量），2.358g/cm³，5.16%（4%水泥含量）。通過對比發現，振動成型試件最大干密度偏大大而最佳含水率偏小，在水泥劑量為3.0%時，最大干密度的增大量和最佳含水率的減小量分別為3.0%和3.1%（相對于重型擊實方法計算），在4.0%的水泥劑量下，這一數據分別為5.1%和23%。

2.3強度試驗

養生后進行無側限抗壓強度試驗，采用傳統重型擊實標準的水泥穩定碎石強度代表值分別達到4.05Mpa（3%水泥劑量）、4.51Mpa（4%水泥劑量），而采用振動成型法的水泥穩定碎石強度代表值分別達到4.93Mpa（3%水泥劑量）、5.86Mpa（4%水泥劑量）。由試驗結果可以看出，在相同的水泥劑量下，振動壓實成型的試件7d無側限抗壓強度比重型擊實成型的試件明顯增高，在3%和4%的水泥劑量下相對傳統重型擊實成型方法強度增量分別達到21.7%和29.9%。

從試驗結果來看，使用振動壓實成型的水泥穩定碎石混合料最佳含水率有所減低，但最大干密度有了提高，并且7d無側限抗壓強度有了顯著的提高。究其原因，混合料在振動壓實的過程中，其中的各類粒料有微小的位移，以找到最合適的位置，形成較為穩固的嵌擠結構，振動成型的優越性不僅僅是密度的提高，而且能夠發揮對混合料級配結構的優化作用，使混合料的結構效應得到最大程度的發揮，從而提高混合料的強度和耐久性。

3.工程應用

3.1工程概況

試驗依托工程為鄭州某條快速路，規劃道路紅線寬度50m，標準橫斷面布置形式為3.5m人行道+1.5m邊綠化帶+3.5m非機.動車道+20m機非分隔帶1+11m機動車道+7m中央分隔帶+11m機動車道+2.0m機非分隔帶+3.5m非機動車道+1.5m邊綠化帶+3.5m人行道；機動車道路面結構總厚度為70cm，自上而下依次為：4cmAC-13C瀝青混凝土+5cmAC-16C瀝青混凝土+7cmAC-25C瀝青混凝土+18cm4%水泥穩定碎石+18cm3%水泥穩定碎石+18cm水泥石灰土，其中水泥穩定碎石基層和底基層采用振動壓實方法進行設計和施工。

3.2施工質量檢查

養生期結束后，取芯檢查基層厚度、壓實度、強度等，若出現不合格點，及時進行處理。

鉆孔取芯檢查基層底基層水泥穩定碎石的壓實度及強度，鉆取芯樣50個，基層、底基層水泥穩定碎石芯樣壓實度全部合格，強度指標均大于設計強度值。對比配合比設計時混合料最大干密度，發現無論基層還是底基層都出現了相當一部分芯樣干密度超過重型擊實確定的混合料最大干密度，即出現所謂壓實度“超百”現象，而使用振動成型確定混合料最大干密度基本無壓實度超百現象，實際工程實踐說明，使用振動成型進行水泥穩定碎石的設計和施工有利于提高工程的施工質量。

3.3工程效果

從施工過程中看，基層、底基層材料在攤鋪、碾壓過程中未出現明顯的材料離析現象，養生7天后取出的芯樣密實、完整，骨架結構完好，壓實度全部滿足設計要求，并且未出現壓實度超百的現象，芯樣的強度滿足設計要求；但是鋪筑試驗段時發現底基層攤鋪碾壓完成之后表面有松散現象，后對底基層水泥穩定碎石的水泥劑量進行調整，由3%提升至3.5%后，表面松散剝落現象完全消除，正式施工時均采取3.5%的水泥劑量。

基于振動成型方法設計的水泥穩定碎石基層、底基層于2013年10月12日全部鋪筑完成，鋪筑瀝青混合料面層之前，基層頂面未出現收縮裂縫，但是觀察同期施工的采用重型擊實方法設計的道路基層出現了少許收縮裂縫。該條道路于2013年底通車，次年6月份對其進行裂縫調查，在路段全長上僅有4條裂縫，而采用重型擊實方法設計的道路在通車半年后出現了較多的反射裂縫，且裂縫之間距離較短。結果表明，采用振動成型方法進行水泥穩定碎石混合料設計，能夠有效的控制施工過程中的壓實質量，大大減少了基層裂縫的產生，對解決瀝青路面反射裂縫問題具有積極的意義。

4.結論

（1）使用振動成型進行水泥穩定碎石基層配合比設計，能更好的模擬現場碾壓工藝，兩種方法的配合比設計結果表明，在3.0%和4.0%的水泥劑量下，使用振動成型確定的混合料最大干密度分別比使用重型擊實試驗方法增加3.0%和5.1%，最佳含水率減小3.1%和2.3%。

（2）振動成型能優化混合料內部的級配結構，增加集料之間的嵌擠力，從而提高混合料的強度，在3.0%和4.0%的水泥劑量下，采用振動成型法比采用重型擊實法設計的水泥穩定碎石混合料的7d無側限抗壓強度提高了28.9%和38.5%。

（3）工程實踐表明，使用振動成型方法進行水泥穩定碎石設計，能有效加強對施工過程中壓實質量的控制，減少基層收縮裂縫的產生，有利于延長道路使用壽命，適宜大范圍推廣使用。

（4）較常規重型擊實標準，振動成型水泥穩定碎石基層配合比設計對施工組織和工藝提出了更加細致的要求，而市政道路中存在較多管線檢查井、收水井等構筑物，大型碾壓機械設備難以到達，對該部分處理需進一步結合實際工程情況進行研究試驗。