橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層施工工藝研究

伍 川 姜維強 劉思拓 王朝輝 王國成 馬鎮東 周曉蕾

(1.中鐵城市發展投資集團有限公司 成都 610000；2.中鐵北京工程局集團第一工程有限公司 西安 710199； 3.長安大學公路學院 西安 710064)

水泥穩定基層憑借其強度高、荷載擴散能力優良且取材容易等優點，逐漸得到了廣泛研究與應用。但在氣候溫差大、土壤鹽漬化嚴重的南疆地區，由于水泥穩定基層剛度過大，變形能力差，導致拱脹破壞病害頻發[1-3]。目前，常用的防治措施有設置脹縫、雙層連續攤鋪等。上述方法雖能在一定程度上緩解路面拱脹現象，但作用有限。而橡膠顆粒水泥穩定基層材料具有較高韌性，可有效提高路面耐久性，是鋪筑公路基層的優質材料。

現階段國內外學者關于橡膠改性水泥穩定基材料及其橡膠水泥穩定基層的研究主要集中在性能影響因素、改進機理、工藝優化等方面。針對橡膠水泥穩定基層材料性能影響因素，孫鵬飛等[4]利用3因素3水平正交法分析了水泥劑量、橡膠粒徑，以及摻量對水泥穩定碎石強度的影響；呂松濤等[5]研究了橡膠顆粒摻量對水泥穩定碎石無側限抗壓強度、最大劈裂與彎拉應變及動態模量的影響；關于改進機理方面，王軍龍等[6]基于SEM圖像分析技術揭示了橡膠粉對水泥穩定碎石混合料的改善機理；郝迎軍等[7]通過圓環實驗研究橡膠顆粒水泥基材料抗裂性能，發現摻入橡膠集料降低了材料的彈性模量，提高了抗裂性能；在工藝優化方面，陳振偉等[8-9]采用不同方式對橡膠顆粒進行表面預處理，顯著提高了橡膠顆粒與水泥材料的黏結力。由此可知，雖然橡膠顆粒水泥穩定材料緩解拱脹開裂能力優良，但橡膠顆粒彈性大，基層施工質量難以保障，且現有研究僅停留于室內試驗，傳統基層施工工藝無法適用于橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層。

基于此，本文依托若羌至民豐高速工程，基于室內試驗，開展橡膠顆粒水泥穩定砂礫材料組成設計，針對橡膠顆粒水泥穩定基層材料特點，明確橡膠顆粒水泥穩定基層施工工藝，鋪筑橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層試驗段，評價橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層施工質量，分析橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層防拱脹開裂機理，以期為橡膠顆粒水泥穩定基層進一步推廣與應用奠定基礎。

1 試驗段概況

試驗段位于若羌至民豐高速公路項目SG2標段，標段所在區域地形平坦開闊，屬沖積平原和風積沙漠地貌。通過氣象調查得該區域蒸發強烈，干燥少雨，晝夜溫差大，沿線年平均蒸發量2 879.9 mm，極端最高氣溫42.7 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃。試驗段總長度為200 m，設計厚度為33 cm，頂面寬度為12 m，為明確橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層施工質量，選取緊鄰試驗段200 m原路面作對比，原路面采用普通水泥穩定砂礫基層材料，且與試驗段等厚。

2 橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料組成設計

2.1 原材料與技術指標

橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料主要原材料包括橡膠顆粒、水泥、集料、水。橡膠顆粒選用廢舊輪胎內胎加工后的優質顆粒；水泥為42.5普通硅酸鹽水泥；集料由20～25、10～20、5～10 mm 3檔卵石及0～5 mm機制砂組成；拌和用水從當地開采，經檢測質量合格。橡膠顆粒技術指標和粗集料技術指標分別見表1和表2。

表1 橡膠顆粒技術指標

表2 粗集料技術指標

2.2 材料組成設計

通過NaOH溶液對橡膠顆粒進行了表面處理，以提高其與水泥及石料間的黏結性。通過室內試驗確定采用集料質量1%的橡膠顆粒等體積替代0～5 mm機制砂制備橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料，水泥劑量采用集料質量的4.5%，具體配合比見表3，試驗段基層材料礦料合成級配見圖1。

表3 橡膠顆粒水泥穩定基層材料配合比

圖1 試驗段礦料合成級配

試驗段基層材料加入的2～4 mm橡膠顆粒與被替換0～5 mm機制砂粒徑相似、體積相等，從整體上使試驗段基層材料顆粒粒徑組成與原路面基本保持一致，保障了基層強度不因級配變化產生較大衰減，且基層材料的部分0～5 mm機制砂被橡膠顆粒等體積替換，使試驗段礦料級配較原路面略微偏粗，級配骨架特征更加顯著，基層材料膨脹系數降低，進而提高了基層材料的防拱脹能力。

2.3 性能指標

通過室內重型擊實試驗確定了橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料的最佳含水率及最大干密度，并基于擊實試驗結果采用靜壓法成型直徑×高度為150 mm×150 mm的圓柱形試件，養生7 d后測定了其無側限抗壓強度，并與普通水泥穩定砂礫基層材料進行對比，橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層各性能指標見表4。

表4 橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料性能指標

由表4可知，橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料7 d無側限抗壓強度為3.5 MPa，符合規范JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術細則》(以下簡稱《細則》)中3～5 MPa要求，可滿足高速公路基層承載能力需求。橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料的最佳含水率及最大干密度分別為4.6%、2.409 g/cm3，較未摻加橡膠顆粒的普通水泥穩定砂礫基層材料分別上升0.4%、下降0.011 g/cm3。其原因是經過處理后的橡膠顆粒吸水能力較強，密度比石料小，替換石料后造成基層材料最佳含水率上升、最大干密度下降。

3 施工工藝與質量檢測

為保證試驗段施工質量，基于橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料特點，對現有水泥穩定砂礫基層施工工藝進行調整，并增加了預拌和交互式碾壓工藝，以保障橡膠顆粒均勻分布及其碾壓效率。

3.1 預拌

為保障橡膠顆粒在基層材料中分布均勻并解決因橡膠顆粒密度小導致拌和站皮帶秤無法感量其重量的問題，將橡膠顆粒與機制砂提前預拌，具體流程為：拆分橡膠顆粒并檢查是否受潮，受潮顆粒及時更換避免影響橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層含水率；與0～5 mm機制砂混合：待橡膠顆粒裝滿裝載機后，采用裝載機將橡膠顆粒均勻撒布于機制砂上，并杜絕橡膠顆粒撒布在機制砂范圍外；裝載機拌和：采用裝載機將機制砂與橡膠顆粒拌和，拌和過程中應從多個方向進行拌和，并視情況增加拌和次數，以保證橡膠顆粒均勻分布于機制砂中；待預拌完成后，對拌和均勻性進行檢查，保證橡膠顆粒均勻分布在混合料中。使用預拌工藝摻入橡膠顆粒前后0～5 mm機制砂見圖2。

圖2 0～5 mm機制砂摻入橡膠顆粒前后對比

預拌工藝將0～5 mm機制砂與橡膠顆粒按預定比例提前混合，并使用裝載機將橡膠顆粒撒布于機制砂上進行多方向、多次拌和。該工藝簡單易行，有效合理，通過現場觀察發現橡膠顆粒在基層材料中均勻分布，保障了橡膠顆粒應用于基層的工程質量。

3.2 拌和與運輸

橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料采用廠拌法進行生產。拌和站型號為WCB800，每小時出料800 t，共設6個儲料倉。其中預拌后的橡膠顆粒機制砂混合料采用備用倉儲存。

向儲料倉加料時應及時、準確，避免空倉，以免所生產混合料配合比錯誤；各粒徑集料經皮帶秤按預定配合比稱重后，以一定流速匯集于輸送皮帶上進行預混。生產過程中應指定專人將灑落集料重新加于皮帶上，最大程度減小配合比誤差；下料時由前往后裝入自卸運輸車；為防止水分損失和粉塵污染，運輸車覆蓋篷布直到準備卸料前打開，從裝車到運輸至現場應不超過2 h。

3.3 攤鋪、碾壓與養生

《細則》認為采用大厚度攤鋪工藝，可減少結構層數量，改善基層與鄰近結構層結合狀態，提高路面結構整體性，且實踐表明，現場配備的RP1855T攤鋪機、BOMAG BW260-40 26 t單鋼輪壓路機、PR300C-8 30 t膠輪壓路機能夠滿足大厚度攤鋪工藝要求。因此，試驗段采用大厚度攤鋪工藝，一次攤鋪完成33 cm厚的橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層。

為保障碾壓效率，攤鋪時應設專人在攤鋪機后消除橡膠顆粒堆積部位，并用新料填補；由于橡膠顆粒具有高彈性，將其摻入水泥穩定基層中會影響碾壓效果，故采用交互式碾壓工藝，在雙鋼輪壓路機靜壓1遍后，使用單鋼輪壓路機、重型膠輪壓路機交互碾壓，分別振動壓實4遍、靜壓3遍，在單鋼輪壓路機正弦式交變壓力與膠輪壓路機揉搓交替作用下，達到最佳壓實效果，保證壓實度符合要求。交互式碾壓工藝見表5。碾壓結束，檢測壓實度符合要求，立即覆蓋薄膜養生。攤鋪、碾壓與養生流程見圖3。

表5 橡膠顆粒水泥穩定基層碾壓工藝

圖3 橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層攤鋪、碾壓與養生流程示意

3.4 施工質量檢測

為確保橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料在采用預拌及交互式碾壓工藝后，其工程適用性優良，檢驗試驗段工程質量，基于現行規范質量檢測指標，針對橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層特點，優選施工質量指標進行檢測。

3.4.1施工質量指標確定

現行《細則》規定水泥穩定材料的施工質量檢測主要指標包括壓實度、強度、顆粒級配組成、水泥劑量等指標，考慮到橡膠顆粒的摻加并不會影響基層的級配組成及水泥劑量，但會降低材料壓實度與強度，因此，本文重點對試驗段的壓實度及強度進行了檢測。此外，本文在試驗段及原路面內部埋設了應變傳感器，以明確橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層使用效果，主要施工質量指標見表6。

3.4.2檢測結果分析

1) 壓實度與7 d無側限抗壓強度。經現場檢測，橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層壓實度為98.04%，低于普通水泥穩定砂礫基層，這進一步證明了橡膠顆粒的摻入增加了水泥穩定砂礫基層材料彈性，對壓實效果具有一定影響，但也符合規范《細則》中不小于98%的要求，在后續研究及推廣應用過程中，應進一步研究碾壓遍數對橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層材料壓實度的影響規律；經7 d薄膜覆蓋養生后，進行鉆芯取樣，并檢測抗壓強度，試驗段基層芯樣的7 d無側限抗壓強度為3.6 MPa，符合規范《細則》中3～5 MPa要求。

此外，為進一步明確試驗段與原路面芯樣差異，分別在試驗段及原路面各鉆取1個芯樣，原路面與試驗段芯樣對比見圖4。

圖4 原路面與試驗段芯樣對比

由圖4可知，試驗段基層芯樣中，高彈性橡膠顆粒均勻分布且填充在骨料間，可吸收骨料間因高溫、結晶產生的膨脹、鹽脹應力，進而緩解干旱荒漠區公路基層拱脹變形。而普通水泥穩定砂礫基層芯樣較試驗段基層芯樣更密實，但其剛度過大，易在干旱荒漠區產生拱脹變形開裂。此外，試驗段通車后，骨料間橡膠顆粒可有效疏解車輛荷載，對提高高速公路基層耐久性也具有重要意義。

2) 應變監測及機理分析。現場應變監測結果表明，鋪筑完成10個月范圍內，橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層、普通水泥穩定砂礫基層應變差值分別為157.3×10-6、194.1×10-6，橡膠顆粒的摻加有效降低了水泥穩定砂礫變形，應變值降幅達19%，效果顯著。

橡膠顆粒水泥穩定砂礫具有良好的防拱脹抗開裂效果，本文分別從防拱脹、抗開裂兩方面分析橡膠顆粒作用機理。認為造成基層拱脹的原因主要為高溫熱膨脹、鹽分結晶膨脹，而橡膠顆粒具有高彈性，可為基層材料及鹽分膨脹提供空間，降低基層整體膨脹變形；造成基層開裂的原因主要為溫縮、干縮及車輛荷載作用，橡膠顆粒能夠吸收溫縮應力作用，堵塞基層材料孔隙，降低基層失水速率，縮小干縮變形，同時吸收裂縫尖端應力，降低裂縫擴展速度，提高水泥穩定砂礫抗開裂性能。

4 結語

1) 橡膠顆粒水泥穩定砂礫7 d無側限抗壓強度為3.5 MPa，相較普通水泥穩定砂礫其最佳含水率增長0.4%、最大干密度降低0.011 g/cm3。

2) 針對橡膠顆粒的特點，改進了水泥穩定砂礫基層施工工藝，增加了預拌工藝，并采用了交互式碾壓，保障了橡膠顆粒與機制砂的拌和均勻及基層壓實度。

3) 橡膠顆粒具有高彈性，其試驗段經工后檢測壓實度為98.04%，低于原路段，無側限抗壓強度為3.6 MPa，但均符合規范《細則》要求。

4) 橡膠顆粒水泥穩定砂礫基層應變差值較普通水泥穩定砂礫基層降低19%，防拱脹抗開裂效果顯著。