水泥穩定基層防拱脹措施探究

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

水泥穩定基層作為新疆地區路面結構的主要基層類型，很好地適應了新疆干旱少雨的氣候特點。然而，近幾年環塔里木盆地沿線的多條高速公路水泥穩定基層發生了大量拱脹變形，已成為新疆低降雨、高蒸發、大溫差和鹽漬化地區瀝青路面的常見病害，影響了道路的服務水平和使用壽命。

一、病害調查

（一）調查原則及范圍

基于自然地理條件差異性、溫度差異性、時間差異性和材料及工藝差異性原則，本文選取了北疆地區G30連霍高速公路小草湖至烏魯木齊段、塔里木盆地西北緣G3012吐和高速公路阿克蘇至喀什段、S16麥喀高速公路麥蓋提至喀什段、S13三岔口至莎車公路及塔里木盆地南緣G3012吐和高速公路墨玉至和田高速公路開展了路面拱脹病害調查。

（二）病害特征

路面拱脹病害調查結果表明，路面拱脹存在3個特征：從地域分布看，拱脹主要發生在環塔里木盆地沿線；從公路等級看，拱脹主要發生在整體式高速公路和一級公路；從工程建成年代看，拱脹主要發生在近幾年建設的水穩基層厚30cm以上、基層強度較高的高等級道路。此外，在早期建成的水穩基層厚度薄、強度低的各等級公路未發現水泥穩定基層拱脹情況。

（三）拱脹特征分析

通過對拱脹發生路段路面結構的調查、分析，發現拱脹路段主要有3個特點：從易溶鹽含量看，發生拱脹的基層Na2SO4含量較未發生拱脹的基層平均高出14%、總含鹽量平均高出18%；從混合料級配看，拱脹主要發生在《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2006）級配范圍內的基層，由施工期間檢測數據可知，拱脹段基層混合料級配普遍偏細；從施工工藝看，拱脹主要發生在采用分層攤鋪或分層連續攤鋪的路段，上下基層間結合差，發生拱脹破壞時上、下基層分離。

二、影響因素

該課題室內室外試驗研究及室外病害調查分析結果表明，諸多因素會對水泥穩定基層板拱脹造成較大影響。依據室內及室外試驗數據，探究基層拱脹影響因素與影響方式，為提出切實可行且有效的防拱脹措施提供理論依據。

（一）級配

室內試驗結果表明，當其他條件相同時，隨著水泥用量的增大，水泥穩定基層材料的拱脹變形和拱脹系數隨之增大。水泥用量每增大0.5%，拱脹系數增大約0.15。這主要是由于隨著水泥用量的增加，試件的密實度不斷增加，內部孔隙減少，在溫度應力和結晶應力的作用下更容易發生拱脹變形。

（二）濕度

在單一因素下，濕度的增加對水泥穩定基層拱脹影響不明顯。這主要是由于隨著環境濕度的增長，水泥穩定結構干縮減少；同時，隨著環境濕度的增長，部分結晶鹽溶于水，基層結構體積應力減少。

（三）含鹽量

隨著試件含鹽量的增大，水泥穩定基層材料的拱脹變形明顯增加。因此，在水泥穩定基層原材料含鹽量較高或區域鹽漬化現象廣泛分布時，應考慮水泥穩定基層材料鹽脹作用對基層拱脹的影響，水泥穩定基層設計中在控制原材質量、優化配合比及混合料級配的同時，還應注重對水泥穩定基層防拱脹結構的設計。

（四）應力釋放結構

當其他條件相同時，設置脹縫的試件拱脹變形和拱脹系數顯著低于不設置脹縫試件的拱脹變形和拱脹系數。隨著脹縫寬度的增加，試件的兩種系數明顯降低。隨著脹縫深度的增加，試件的兩種系數明顯降低。

（五）溫度

試件在相同的含鹽量和環境濕度條件中，水泥穩定材料的導熱系數會隨溫度的升高而增大，繼而影響不同深度基層的溫脹變形。當試件級配、材料、含鹽量等條件相同時，可以推測溫度上升會導致水的導熱系數上升，從而使試件的整體導熱系數上升。此外，在不同溫度范圍內，相同水泥用量的試件拱脹變形和拱脹系數不同。在30℃～40℃的范圍內，拱脹系數最大，約為0℃～10℃時拱脹系數的1.25倍～1.17倍。該現象與新疆地區水泥穩定基層拱脹主要發生在夏季的特征相吻合，對比兩種溫度范圍下的拱脹系數可知水泥穩定基層材料的拱脹以溫脹為主，但鹽脹也不可忽略。

（六）水泥摻量

當壓實度相同時，隨著試件水泥用量的增加，滲透系數明顯減少，水泥用量主要通過影響水泥穩定材料孔隙率影響其滲透系數。水泥用量的增加，使試件中孔隙數量和有效直徑減少，造成水的滲流路徑減少，從而抑制水在水泥穩定材料中的滲透作用。

隨著水泥穩定材料中水泥用量的增大，導熱系數隨之增大，進而導致基層的溫脹。其原理主要是由于水泥用量增加，試件內部孔隙率減少，改變了試件的整體導熱系數。在水泥穩定基層滿足強度要求的基礎上，隨著水泥用量的增加，水泥穩定基層發生拱脹的概率會增大，也與新疆地區公路水泥穩定基層拱脹病害的調查結果一致。

三、防拱脹措施

（一）原材料

在原材料含鹽量較高或區域鹽漬化現象嚴重時，應考慮水泥穩定基層材料鹽脹作用對基層拱脹的影響，嚴格控制集料中硫酸鹽的含量在0.2%以內。從集料組成上，應嚴格控制水泥穩定基層集料來源及質量，細集料中直徑小于0.075的顆粒含量不超過5%，對0mm～3mm和0mm～5mm的細集料應分別嚴格控制2.36mm篩孔和4.75mm篩孔的通過率。混合料的公稱最大粒徑控制為31.5mm。此外，應控制工程用水中和含量及PH值，也相應控制水泥中SO3、MgO、堿含量、膨脹劑等指標的含量。

（二）配合比

從骨料級配看，在水泥穩定基層結構設計中，可以采用優化結構級配、減少水泥用量的方式降低基層拱脹。從混合料結構看，骨架密實型結構的防拱脹性能優于懸浮密實型結構。

（三）施工質量及驗收

振動壓實能夠有效地提高水泥穩定基層強度，在滿足設計要求強度的前提下，可以通過采用振動壓實的方式減小水泥用量，從而降低對基層拱脹變形帶來的不利影響。此外，設置脹縫的水泥穩定基層拱脹變形和拱脹系數均明顯降低，且隨著脹縫寬度及深度的增加，水泥穩定基層的拱脹變形和拱脹系數均出現下降趨勢。

在施工季節和溫度方面，一般水穩基層施工宜選擇在溫和的春季或秋季，應盡量避免冬季低溫環境，并保證基層的施工溫度在10℃以上。攤鋪方式推薦基層施工采用雙層連續攤鋪或者大厚度一體攤鋪。

四、結語

以新疆公路水泥穩定基層拱脹機理及防治措施研究科研課題為依托，對新疆地區水泥穩定基層拱脹易發生區域路面結構進行室內模擬試驗，對半剛性基層拱脹機理及影響因素展開系統性探究，旨在完善適用于新疆地區的防拱脹水泥穩定基層結構，減少未來公路建設中的水泥穩定基層拱脹變形現象，保障公路行車的舒適性和安全性，并減少養護資金的投入。