抗裂型水泥穩定碎石在工程中的應用研究

江峰

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

抗裂型水泥穩定碎石在工程中的應用研究

江峰

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，通過室內試驗及現場檢測手段對抗裂型水泥穩定碎石配合設計方法、施工控制要點及使用效果進行研究。基于振動成型與無側限抗壓強度試驗方法，對不同4.75 mm通過率水泥穩定碎石進行研究，并綜合考慮抗裂及強度要求建議4.75 mm通過率宜控制在26%～30%。最終采用3.5%水泥用量，最佳含水量為5.0%，4.75 mm通過率為30%的抗裂型水泥穩定碎石鋪筑基層，效果良好。

定道路工程；瀝青路面；水泥穩碎石

0 引言

水泥穩定碎石半剛性基層是我國應用最多的結構形式之一，由于水泥穩定類材料極易出現干縮和溫縮裂縫，故基層開裂引起的反射裂縫是瀝青路面最常見的病害形式之一。因此對抗裂型水泥穩定碎石的研究具有重要意義，國內在這方面也進行了大量研究，并取得了一定成果。琚曉輝通過現場調研與檢測分析瀝青路面裂縫病害，并對水泥穩定碎石材料組成、配合比設計、路用性能及施工工藝進行研究；查旭東基于兩級干搗試驗、i法和CBR試驗確定骨架密實型級配，并根據7 d無側限抗壓強度確定合理的水泥用量；蔣應軍從級配、試驗手段及現場質量控制等方面對抗裂型水泥穩定碎石進行研究，結果表明振動成型方法確定的最大干密度是重型擊實的1.02～1.04倍，含水量小0.5%～2.0%，混合料具有更好的抗裂性能；王鵬飛提出了基于正交設計的抗裂型水泥穩定碎石配合比設計方法，結果表明該方法確定的骨架密實型水泥穩定碎石具有更好的力學及抗裂性能；邱耀平將骨架抗裂型水泥穩定碎石應用于吳江市政道路中，并取得良好效果。

本文以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，重點研究4.75 mm通過率對水泥穩定碎石性能的影響，通過振動成型方法確定最佳含水量與最大干密度，并將抗裂型水泥穩定碎石應用于實體工程中，為以后的工程設計及施工提供參考。

1 工程概況

以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，對抗裂型水泥穩定碎石基層的設計及應用進行研究。該路段拖掛車、集裝箱等運輸車輛比重較高，路段平均為33%。路基寬度28.0 m，具體布置為：28.0 m=2×（1.5 m土路肩+3.75 m硬路肩+7.5 m行車道+0.5 m路緣帶+1.5/2 m中分帶）。雙向四車道，原路面為瀝青混凝土路面結構類型，4 cm的LH-20-Ⅰ中粒式瀝青混凝土+6 cm的LH-30-Ⅱ粗粒式瀝青混凝土+25 cm的二灰碎石+30 cm的12%灰土+30 cm8%灰土，其下為土基。1998年建成通車至今，在車輛荷載及環境作用下，原路面已經出現了嚴重的裂縫、坑槽、車轍等病害，急劇降低路面服務水平。因此為改善瀝青路面的行車舒適性，決定對該路段進行大中修。

對該段路面進行了彎沉檢測（每20 m間隔進行檢測），對其進行整理分析，并按照路面結構強度PSSI進行評價。按照交通量測算，設計年限內一個車道累計當量軸次計算為2.04×107（次/車道），設計彎沉為20.6(0.01 mm)計算，根據《公路技術狀況評定標準》（JTJ H20－2007）路面結構強度評價標準，整理路面強度系數（PSSI）結果見表1。

從表1可以看出，該路段各檢測段落的代表彎沉均超過設計彎沉，路面結構強度評價結果全部在中及以下，評價結果為差的為44.4%，這說明路面結構強度已經不能夠滿足如今的交通荷載要求。且現場鉆芯取樣發現基層二灰碎石及底基層二灰土存在松散狀況，見圖1。

表1 路面結構強度評價結果

圖1 原路面芯樣

綜上所述，基層材料厚度及強度不足，導致路面結構整體強度不能夠滿足重交通荷載要求，原路面在重載及環境作用下出現結構性破壞。因此，決定重建全厚度路面結構，采用抗裂型水泥穩定碎石鋪筑基層，提高路面結構強度。

2 配合比設計

材料組成及結構決定水泥穩定碎石路用性能，其中水泥劑量、礦料級配及密實度是關鍵影響因素。因此，本文主要從級配設計、最佳含水量及最大干密度確定方法出發，設計并研究抗裂型水泥穩定碎石。

2.1 級配設計

礦料級配是保證水泥穩定碎石具有良好骨架密實結構的關鍵，研究表明關鍵篩孔通過率對水泥穩定碎石性能影響較大，尤其是4.75 mm篩孔。若4.75 mm通過率過高則粗骨料含量過低，強度不足；若4.75 mm通過率過低則細料不足，混合料空隙過大，疲勞性能不足。因此，分別控制4.75 mm通過率24%、26%與30%，級配曲線見圖2。

圖2 水泥穩定碎石混合料級配曲線圖

2.2 最佳含水量及水泥用量的確定

研究表明，與重型擊實方法相比，振動成型方法更符合現場碾壓工藝，且振動成型得到的最大干密度約為重型擊實的1.02～1.04倍，最佳含水量也略低于重型擊實試驗方法，更有利于防治水泥穩定碎石基層的干縮與溫縮開裂。因此本文選用振動成型方法確定抗裂型水泥穩定碎石最佳含水量與最大干密度。根據工程經驗，分別采用3.5%、3.8%、4.0%水泥用量，分別通過振動成型方法確定不同級配下的最佳含水量與最大干密度，見圖3。

圖3 不同級配最佳含水量柱狀圖

從圖3可以看出，隨著4.75 mm通過率及水泥用量的增大，水泥穩定碎石的最佳含水量呈增大趨勢。這主要是因為4.75 mm通過率增大，混合料中細集料含量增加，細集料吸水能力較強；而水泥是一種水硬性材料，水化反應需要消耗大量水分，因此最佳含水量呈增大趨勢，見圖4。

從圖4可以看出，隨著4.75 mm通過率及水泥用量的增大，水泥穩定碎石的最大干密呈增大趨勢。這主要是因為4.75 mm通過率增大及水泥用量的增加，混合料中細集料含量增加，能更有效填充水泥穩定碎石內部空隙，混合料密實度更高。

2.3 最佳水泥用量的確定

根據振動成型試驗確定的最佳含水量及最大干密度試驗結果，拌制水泥穩定碎石混合料，采用靜壓法成型無側限抗壓強度試件。在標準條件下養護6 d，浸水1 d后取出，測試無側限抗壓強度。每組成型6個試件，計算各組試件的強度代表值，結果見表2，無側限抗壓強度變化柱狀圖見圖5。

1.4 效果評定標準 ①參照WHO關于疼痛的分級標準，將疼痛分Ⅲ級，I級(輕度疼痛):雖有疼痛但仍可忍受并能正常生活，睡眠不受干擾;Ⅱ級;疼痛明顯，不能忍受，需鎮痛藥物，睡眠受干擾;Ⅲ級:疼痛劇烈，不能忍受，需要鎮痛藥物，睡眠受干擾，可伴有神經功能紊亂［2］。②出血情況:“陰性”無明顯活動性出血;“+”少量出血，出血量小于5 mL，經干棉球壓迫后可止血;“++”出血量較多，多于5 mL，需用麻黃素棉片短暫壓迫止血［3］。

圖4 不同級配最大干密度柱狀圖

表2 無側限抗壓強度試驗結果

圖5 無側限抗壓強度柱狀圖

從表2與圖5可以看出，隨著4.75 mm通過率及水泥用量的增大，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度呈增大趨勢。這主要是因為混合料密細集料與填料含量增加，密實度增大；其次，水泥作為水硬性材料，其含量越高強度越大。當4.75 mm通過率在26%～30%之間時，水泥用量僅為3.5%條件下7 d無側限抗壓強度均超過3.5 MPa，能夠滿足高等級路面基層強度要求。

研究表明，水泥穩定碎石水泥含量過高或強度過大以及導致裂縫病害，因此結合上述研究成果，推薦采用3.5%水泥用量，并嚴格控制4.75 mm通過率在26%～30%的水泥穩定碎石作為抗裂基層使用。

3 實體工程應用

通過實體工程對抗裂型水泥穩定碎石基層的施工工藝進行總結，指出施工控制要點，并對施工效果進行檢測與評價。

3.1 施工質量控制要點分析

原材料及混合料質量、施工控制質量是影響抗裂型水泥穩定碎石基層路用性能的關鍵。

（1）原材料質量控制

原材料的質量及穩定性將直接影響水泥穩定碎石的性能。應選擇壓碎值小、吸水率低、粉塵含量低的碎石作為骨料。整個施工過程盡量采用同一料場石料，保證材質的穩定性；進料口應通過高壓噴霧灑水來降低空氣中粉塵的懸浮，并對拌合樓堆料場石料進行覆蓋，防止粉塵污染；定期檢查各檔料離析狀況，尤其是4#料的粉塵含量及砂當量。

（2）混合料質量控制

級配、含水量、水泥含量及粉塵含量是抗裂型水泥穩定碎石混合料質量的控制要點。通過對石料加熱冷凝的方式，在可控范圍內優化配合比及含水量。施工過程中應制定完整的復查方案，保證各項控制指標與拌和樓計量系統指標相對應。其中26.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm作為關鍵篩孔，通過率誤差范圍控制在±6%、±4%、±4%、±2%；相對于最佳含水量，碾壓前含水量宜控制在0～1.5%；水泥劑量控制范圍為±0.5%；粉塵含量控制范圍宜為4%～6%。

（3）施工質量控制

壓實度是影響抗裂型水泥穩定碎石基層路用性能的關鍵指標，壓實度不足極易引起開裂、凍融破壞等病害，因此必須采用有效的碾壓組合方式及控制指標。攤鋪前應將下承層適當灑水濕潤，攤鋪速度宜控制在1～1.5 m/min；每臺攤鋪機后面，應緊跟雙鋼輪或單鋼輪壓路機進行碾壓，一次碾壓長度一般為50 m～80 m；壓實時，可以先穩壓（遍數適中，壓實度達到90%）→開始輕振動碾壓→再重振動碾壓→最后膠輪穩壓，壓至無輪跡為止；碾壓速度為：第1～2遍為1.5～1.7 km/h，以后各遍應為1.8～2.2 km/h；壓實度指標采用振動成型標準，均值不得小于98%，極值不低于96%。碾壓成型后應按規定進行灑水養護。

3.2 施工質量檢測與評價

采用3.5%水泥用量，最佳含水量為5.0%，4.75 mm通過率為30%的水泥穩定碎石鋪筑該路段的基層，鋪筑厚度為40 cm，施工時分兩層鋪筑。水泥穩定碎石拌和過程中嚴格控制水泥用量、最佳含水量及關鍵篩孔通過率；現場施工過程中嚴格控制攤鋪速度、攤鋪厚度、碾壓遍數等技術參數。施工結束及時采用土工布進行覆蓋，并灑水保持基層表面濕潤，養生7 d后進行現場鉆芯，評價其壓實度及無側限抗壓強度，并進行彎沉檢測，結果見表3。

表3 檢測評價結果

從表5可以看出，抗裂型水泥穩定碎石基層施工質量易于控制，壓實度及現場鉆取芯樣無側限抗壓強度都能夠滿足設計要求；7 d養生期后，路面結構強度能夠達到設計要求。現場鉆取芯樣僅底部存在極少量碎石剝落，表面致密性良好，芯樣見圖6。

圖6 現場鉆取芯樣

綜上所述，抗裂型水泥穩定碎石基層現場鋪筑效果良好，材料強度及路面結構強度都能夠達到設計要求。

4 結 語

本文以某一級公路瀝青路面改善工程為依托，通過室內試驗及現場檢測手段對抗裂型水泥穩定碎石配合設計方法、施工控制要點及使用效果進行研究。原路面檢測評價表明，基層材料厚度及強度不足是路面嚴重損壞的原因。分別取4.75 mm通過率為24%、26%與30%進行室內試驗，結果表明隨著水泥用量及4.75 mm通過率的增大，水泥穩定碎石的最佳含水量、最大干密度及強度均呈增大趨勢，最終綜合考慮抗裂及強度要求建議4.75 mm通過率宜控制在26%～30%。基于振動成型方法確定采用3.5%水泥用量，最佳含水量為5.0%，4.75 mm通過率為30%的抗裂型水泥穩定碎石鋪筑基層。指出原材料及混合料質量、施工質量的控制要點，嚴格控制級配、含水量、水泥含量、粉塵含量及攤鋪碾壓工藝，最終鋪筑效果良好。

[1]琚曉輝.水泥穩定碎石基層抗裂性能應用技術研究[D].河南鄭州:鄭州大學,2007.

[2]查旭東,曹艷霞,劉國才.抗裂型水泥穩定碎石配合比設計及路用性能研究[J].長沙理工大學學報(自然科學版),2013(1):1-6.

[3]王鵬飛,郭忠印,陳崇駒.基于正交法的水泥穩定碎石試驗及抗裂性能研究[J].建筑材料學報,2007(5):616-621.

[4]蔣應軍.基于振動法設計的抗裂型水泥穩定碎石基層應用研究[J].公路,2008(12):36-41.

[5]邱耀平.骨架抗裂型水泥穩定碎石在吳江市政工程的首次應用[J].城市道橋與防洪,2011(7):281-285.

U415

A

1009-7716（2016）12-0160-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.047

2016-09-12

江峰(1982-)，男，上海人，工程師，從事道路交通工程設計和研究工作。