高速公路水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹機(jī)理及處治措施研究

摘要：水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹機(jī)理具有一定的復(fù)雜性，從原材料、施工溫度等方面揭示拱脹機(jī)理進(jìn)而提出針對(duì)性的處治方案，可為減少高速公路路面病害的發(fā)生提供一定保障，對(duì)高速公路全壽命周期造價(jià)的降低具有現(xiàn)實(shí)意義。為此，文章探討了干旱地區(qū)高速公路水泥穩(wěn)定砂礫基層的拱脹機(jī)理及處置措施。

關(guān)鍵詞：高速公路;水泥穩(wěn)定砂礫;基層;伸縮縫

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U416.1+1-B-08-022-2

0 引言

水泥穩(wěn)定砂礫由于具有較高的剛度、較強(qiáng)的荷載擴(kuò)散能力，在高速公路建設(shè)中廣泛應(yīng)用。基于各種因素的影響水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹病害日益突出，為提高高等級(jí)路面的耐久性，研究水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹機(jī)理及處置措施已成為高等級(jí)公路建設(shè)者亟須解決的難題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者、專(zhuān)家針對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹機(jī)理及處治處置已進(jìn)行了一定程度的探索和實(shí)踐，研究出一些水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹控制方法并積累了相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，但未進(jìn)行系統(tǒng)的論證及進(jìn)行施工經(jīng)驗(yàn)的推廣。本文通過(guò)系統(tǒng)地分析論證形成一套可靠性好、可操作性強(qiáng)的研究成果，為今后類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

1 水泥穩(wěn)定砂礫基層的特性

水泥穩(wěn)定砂礫基層是指采用無(wú)機(jī)結(jié)合料（水泥）、水和級(jí)配（天然）砂礫充分拌和，通過(guò)機(jī)械或人工攤鋪形成的具有一定抗彎強(qiáng)度的半剛性基層。其不僅具備一定的板體性、剛度、擴(kuò)散荷載能力，而且還兼有一定的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度及良好的水穩(wěn)定特性。這些都符合路面基層的規(guī)范要求，使得路面基層受力性能良好，并且保證了基層的穩(wěn)定性。水泥穩(wěn)定砂礫基層由于其結(jié)構(gòu)材料分布廣泛、易于開(kāi)采，并具有較好的強(qiáng)度、剛度及水泥穩(wěn)定性，很好地適應(yīng)了新疆干旱少雨的氣候特點(diǎn)，新疆地區(qū)90%以上的干線公路均采用了這種半剛性路面基層結(jié)構(gòu)[1]。

較高的剛度是水泥穩(wěn)定砂礫的主要力學(xué)特性，從而使其具備較強(qiáng)的荷載擴(kuò)散能力。在整個(gè)路面結(jié)構(gòu)中瀝青面層僅作為功能層，承載力主要由半剛性基層承擔(dān)，因此防止水泥穩(wěn)定砂礫基層的拱脹破壞是保證路面整體使用性能的必要條件，也是本文研究工作的主要出發(fā)點(diǎn)。

2 水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹機(jī)理

水泥穩(wěn)定砂礫基層的拱脹是受多方面因素影響的，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上主要從原材料及施工溫度等方面進(jìn)行闡述，旨在揭露拱脹病害機(jī)理。交通運(yùn)輸部頒發(fā)的《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《基層細(xì)則》）[2]是水泥穩(wěn)定砂礫基層設(shè)計(jì)與施工的主要依據(jù)，故本文在涉及技術(shù)要求方面均以《基層細(xì)則》為準(zhǔn)。

2.1 原材料對(duì)水穩(wěn)基層拱脹的影響

2.1.1 水泥的影響

水泥作為凝膠材料，是水泥穩(wěn)定砂礫基層必不可少的基本原材。只有通過(guò)水泥的凝膠作用，水穩(wěn)基層才能具備一定的強(qiáng)度，根據(jù)《基層細(xì)則》的規(guī)定，不同公路等級(jí)、不同交通荷載等級(jí)對(duì)水泥穩(wěn)定基層7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著不同的要求，這也是確定水泥摻加劑量的主要依據(jù)。

通過(guò)分析現(xiàn)有的研究成果[3]，水泥摻量是影響水泥穩(wěn)定砂礫的強(qiáng)度最直接的因素，在其他條件不變的前提下通過(guò)提高水泥的摻配劑量，混合料的強(qiáng)度隨之顯著增大，但相應(yīng)地會(huì)造成混合料的溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)，抗膨脹性能顯著下降。也就意味著從防止拱脹病害的角度出發(fā)，不能過(guò)分地要求提高水穩(wěn)基層的抗壓強(qiáng)度，從而降低因水泥摻量增加造成的不良影響。

2.1.2 水的影響

《基層細(xì)則》規(guī)定：符合現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）的飲用水可直接作為基層、底基層材料拌和與養(yǎng)生用水。當(dāng)采用非飲用水拌和時(shí)為保證工程質(zhì)量需水質(zhì)檢驗(yàn)，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合其相應(yīng)的條款規(guī)定。養(yǎng)生用水可不檢驗(yàn)不溶物含量。

大量試驗(yàn)表明水對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹影響的大小主要取決于SO2-4離子含量的高低，這是由于水中SO2-4離子的含量超過(guò)規(guī)定值，將與基層原材中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終形成親水性強(qiáng)的硫鋁酸鈣。隨著硫鋁酸鈣的結(jié)晶水不斷增多，相應(yīng)的體積明顯膨脹，在水穩(wěn)基層中的應(yīng)力逐漸增多，最終導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)破壞。

2.1.3 集料的影響

集料是水穩(wěn)砂礫基層的主要組成材料之一，在混合料中起骨架作用，分為細(xì)集料、粗集料。

《基層細(xì)則》規(guī)定：構(gòu)成水泥穩(wěn)定基層的粗集料優(yōu)先選用質(zhì)地堅(jiān)硬的巖石或礫石經(jīng)破碎后的碎石，條件受限時(shí)也可采用天然礫石。作為高速公路、一級(jí)公路底基層和二級(jí)及二級(jí)以下公路基層、底基層的穩(wěn)定材料，天然礫石材料應(yīng)級(jí)配穩(wěn)定、塑性指數(shù)≤9。細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)，并有適當(dāng)?shù)念w粒級(jí)配。對(duì)0～3 mm和0～5 mm的細(xì)集料應(yīng)分別嚴(yán)格控制>2.36 mm和>4.75 mm的顆粒含量，對(duì)3～5 mm的細(xì)集料應(yīng)嚴(yán)格控制<2.36 mm的顆粒含量[2]。高速公路細(xì)集料中<0.075 mm的顆粒含量應(yīng)≤15%，硫酸鹽含量應(yīng)≤0.25%。

由于干旱地區(qū)蒸發(fā)量大，集料鹽漬化現(xiàn)象較為普遍，尤其是細(xì)集料中的硫酸鹽含量相對(duì)其他地區(qū)明顯較高。隨著集料鹽漬化程度的增加，對(duì)基層拱脹影響程度明顯增強(qiáng)。

2.2 施工溫度對(duì)水穩(wěn)基層拱脹的影響

施工溫度對(duì)水穩(wěn)基層拱脹的影響主要體現(xiàn)在施工溫度與工程所在地高溫的溫差。這是由水穩(wěn)基層的物理性質(zhì)決定的，和材料的膨脹系數(shù)呈線性關(guān)系。基層材料在等壓條件下，溫度變化會(huì)導(dǎo)致基層材料長(zhǎng)度伸長(zhǎng)。當(dāng)水穩(wěn)基層受溫度變化引起的溫度應(yīng)力超過(guò)水穩(wěn)基層能夠承受的最大荷載，就會(huì)發(fā)生拱脹現(xiàn)象。

若施工溫度過(guò)低，施工溫度與工程所在地高溫的溫差就會(huì)增大，從而導(dǎo)致水穩(wěn)基層的拱脹破壞。

3 水泥穩(wěn)定砂礫基層拱脹處置措施

鑒于水泥穩(wěn)定砂礫基層的拱脹病害主要受水泥、水、集料、施工溫度等方面的影響，為預(yù)防及減少基層拱脹病害的發(fā)生，提高高速公路的使用壽命，從而降低高速公路全壽命周期造價(jià)，可從以下幾個(gè)方面處治水穩(wěn)基層的拱脹病害。

3.1 加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制

（1）盡量選用堿含量較低的普通硅酸鹽水泥，水泥的初凝時(shí)間應(yīng)>3 h，終凝時(shí)間應(yīng)>6 h且<10 h，按照1批次至少抽取1個(gè)樣品的頻率進(jìn)行檢測(cè)。在滿足《基層細(xì)則》對(duì)水穩(wěn)基層強(qiáng)度要求的前提下，盡量采用較低的水泥劑量。

（2）加強(qiáng)拌和及養(yǎng)生用水的檢測(cè)，尤其是水中SO2-4離子、堿含量應(yīng)作為重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）按照每檔集料使用前測(cè)試2個(gè)樣品、使用過(guò)程中每2 000 m3測(cè)試2個(gè)樣品的頻率對(duì)粗、細(xì)集料進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，鹽漬化嚴(yán)重的地區(qū)適當(dāng)增加抽檢頻率。

3.2 加強(qiáng)施工溫度的控制

水穩(wěn)基層施工應(yīng)選擇適宜的氣候環(huán)境，針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓贫ㄏ鄳?yīng)的處置預(yù)案。

宜在氣溫較高的季節(jié)組織施工，避免在雨期施工，施工期的日最低氣溫應(yīng)在5 ℃以上，在有冰凍的地區(qū)，應(yīng)在第一次重冰凍（一般指氣溫達(dá)到-3 ℃～-5 ℃）到來(lái)的15～30 d之前完成施工。

采用集中廠拌和分層碾壓的施工工藝進(jìn)行基層施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制碾壓方式。水泥穩(wěn)定砂礫基層鋪筑完成后，在達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度前必須進(jìn)行養(yǎng)生和交通管制。

3.3 預(yù)先設(shè)置伸縮縫

根據(jù)已施工項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)[4]，為防止水穩(wěn)基層在后期因溫差等原因造成的水穩(wěn)基層拱脹病害的發(fā)生，可將水泥穩(wěn)定砂礫基層每50～200 m設(shè)置1道2～4 cm寬伸縮縫，伸縮縫位置及間距可根據(jù)橋涵等構(gòu)造物進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并保證相鄰橋涵構(gòu)造物間至少設(shè)置1道伸縮縫，相鄰兩道伸縮縫的間距≤100 m。

伸縮縫可采用切縫法或預(yù)放法。

（1）切縫法：水泥穩(wěn)定砂礫基層養(yǎng)生后，每100 m采用切縫機(jī)橫向切割成2～4 cm伸縮縫，將縫隙刷掃干凈，并用壓縮空氣吹去塵土后，填塞苯板，采用熱瀝青灌封，熱瀝青灌封應(yīng)充盈飽滿，并在伸縮縫上加鋪2 m寬路面用玻纖格柵。

（2）預(yù)放法：水泥穩(wěn)定砂礫基層鋪筑時(shí)，每100 m采用苯板橫向隔斷成2～4 cm伸縮縫，待水穩(wěn)養(yǎng)生后，剔除伸縮縫內(nèi)5 cm深范圍內(nèi)苯板，采用熱瀝青灌封，熱瀝青灌封應(yīng)充盈飽滿，并在伸縮縫上加鋪2 m寬路面用玻纖格柵。

預(yù)放法施工工藝較為簡(jiǎn)便，但在水穩(wěn)碾壓過(guò)程中苯板易變形、壓縮，施工質(zhì)量較難控制;切縫法雖然施工工藝較為繁瑣，但施工質(zhì)量較好，因此推薦采用切縫法施工。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)防和減少水穩(wěn)基層拱脹病害的發(fā)生，是提高干旱地區(qū)高速公路建設(shè)品質(zhì)的必經(jīng)之路，探究基層拱脹病害的發(fā)生機(jī)理是制定處治措施的前提條件。本文通過(guò)系統(tǒng)地歸納水穩(wěn)基層拱脹機(jī)理，從加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制、加強(qiáng)施工溫度的控制、預(yù)先設(shè)置伸縮縫等方面提出了可用于實(shí)際公路建設(shè)項(xiàng)目的處治方案，為高速公路的品質(zhì)提升提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-03-22

作者簡(jiǎn)介：袁春蘭（1988—），工程師，主要從事公路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)工作及研究。