山區高速抗裂型水泥穩定碎石基層雙層連鋪施工應用研究

陽俊 沈杰 劉曠怡

（1 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司)

(2 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室)

(3 中交二航武漢港灣新材料有限公司）

0 引言

水泥穩定碎石基層作為高速公路最常用的材料類型，具有承載力高、水穩定性好、造價低廉等優點，然而由于路面基層施工工藝特點及水泥穩定碎石等半剛性材料自身特性，在工程應用中也存在一些普遍問題，如：水泥穩定碎石基層的開裂現象比較普遍，抵抗沖刷能力較差，基層厚鋪施工中采用分層攤鋪時存在施工周期長，上、下基層黏合質量差等問題。針對水泥穩定碎石材料特性，眾多學者在提升其抗裂和抗沖刷性能方面進行了大量的研究[1-4]，提出了抗裂型水泥穩定碎石配制及施工關鍵點。隨著路面施工工藝不斷創新，雙層連續攤鋪的一次成型工藝也開始廣泛應用[4,5]。

西南山嶺地區某高速公路由于項目地處西南山嶺低緯地區，溫濕多雨、陽光輻射強、夏季氣溫高、晝夜溫差大，雨季集中，同時由于地形條件的限制，受重載、超載、持續高溫等影響，路面車轍病害、疲勞病害及水損害問題較為突出。為使基層整體強度更加均勻，密實度更高，增強基層的強度及抗水損害性能，需結合路面結構特點，通過材料優選、優化配合比設計、以及控制抗裂型水泥穩定碎石基層雙層連鋪施工工藝，才能提高路面基層的施工質量及耐久性能。

1 工程概況

西南山嶺地區某高速標段全長14.351km，主線為雙向4 車道，設計汽車荷載等級采用公路Ⅰ級，設計速度80km/h，路基寬度25.5mm。主線路面結構層組成見表1。

表1 主線路面結構組成

2 原材料優選

2.1 集料

優選石灰巖宕口進行集料加工，集料生產采用“顎式破碎機（一破）+反擊式破碎機（二破）”工藝，通過篩孔調節，控制單檔集料粒徑。集料規格為：1 號料（19～31.5mm）、2 號料（9.5～19mm）、3 號料（4.75～9.5mm）、4號料（2.36～4.75mm）、5 號料（0～2.36mm），集料關鍵指標技術要求及試驗結果見表2、表3。

表2 集料物理及力學性質

表3 集料篩分試驗結果

2.2 水泥

結合當地水泥廠生產供應能力及水穩基層材料要求合理選材，并考慮經濟性，選取文山興建復合硅酸鹽水泥（P.C 42.5），其80μm 篩余量6.45%，標準稠度為26%、初凝時間337min、終凝時間419min，抗壓強度：3天21.2MPa，28 天47.3MPa，抗折強度：3 天4.7MPa，28天7.3MPa。

3 混合料配合比設計

3.1 集料級配設計

抗裂型水泥穩定碎石具有穩定、良好的骨架結構，與普通水穩相比，具有強度高，干縮、溫縮裂縫少等特點。大量研究證明，抗裂型水泥穩定碎石基層設計的關鍵是在滿足強度的要求下，應盡可能減少水泥用量并合理控制細集料含量[2,7]。要獲得較小的礦料間隙率，實現較低劑量、骨架穩定的水泥穩定碎石，需進行集料級配優化設計。

采用振動成型的多級嵌擠骨架密實水泥穩定碎石進行級配設計。通過粗細集料分級摻配，采用逐級填充法以及I 法分別確定粗、細集料級配及最佳質量比。不同粗細集料比例下，集料關鍵篩孔篩分情況見表4。

表4 不同粗、細集料比例下集料關鍵篩孔篩分結果

以水泥劑量4.0%，比較不同粗、細集料比例下混合料的7d 無側限抗壓強度，試驗結果見圖1。

由上述試驗結果可知，隨著粗集料比例占比增加，混合料強度呈現先增大后減小趨勢，細集料較多，骨架趨于懸浮結構，細集料減少，骨架內部空隙大。當粗集料占比為75%時，骨架結構穩定，混合料強度最高。鑒于此，考慮工程實踐施工和易性等情況，最終確定粗細集料的質量比為75:25；即最終確定各檔集料19 ～31.5mm:9.5 ～19mm:4.75 ～9.5mm:2.36 ～4.75mm:0 ～2.36mm 的質量比為24:31:20:8:17。后續施工中，建議抗裂型水泥穩定碎石集料級配范圍如表5 所示。

表5 抗裂型水泥穩定碎石集料級配范圍要求

3.2 水泥劑量及最佳含水率確定

水泥穩定碎石基層采用振動碾壓方式成型，為真實模擬施工現場，測得合理的最大干密度、最佳含水量來控制現場施工質量，抗裂水泥穩定碎石配合比設計時主要采用振動擊實法［2,7］。

試驗取用現場水泥，選取水泥劑量為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%進行振動擊實試驗，確定各組混合料的最佳含水量和最大干密度、7d 無側限抗壓強度及劈裂抗拉強度，試驗結果見表6。

表6 水泥穩定碎石基層配合比

由表6 可知，水泥穩定碎石的力學性能與水泥劑量正相關，而大量研究也證明，同一級配條件下，水泥穩定碎石基層干縮和溫縮系數隨著水泥劑量增加而增加。因此要滿足水泥穩定碎石基層強度要求，并使之具有較小的溫縮、干縮系數和良好施工性能，最終選用抗裂型水泥穩定碎石的水泥劑量為4.0%，最佳含水量4.3%。

3.3 延遲時間確定

水泥穩定碎石采用雙層連鋪施工時，混合料從加水拌和到碾壓終了有一定的延遲時間，其對混合料的強度和密度影響很大。邊旭煒［8］通過二次振動試驗測得模擬施工現場，對水泥穩定碎石基層雙層連鋪延遲時間各種因素進行詳細分析，提出最大延遲時間確定方法。參照此方法，測得延遲時間對水穩性能影響，結果如表7 及圖2 所示。

表7 延遲時間對抗裂型水泥穩定碎石性能影響

從表7 及圖2 可看出，延遲時間控制小于9h 時，因二次做功，對混合料進一步壓密，水穩強度較一次振實有一定程度增加，當延遲時間繼續增加，水穩強度降低較明顯，延遲時間超過12h，其強度已低于基準強度。此外，考慮現場施工氣溫、風速等，并考慮二次擾動對水泥穩定碎石基層層間結合特性的影響［9］，應盡可能控制延遲時間不超過6h。

4 雙層連鋪施工要點

水泥穩定碎石基層采用“雙層連鋪、一次成型”施工工藝時，需一次達到質量標準，尤其要通過合理化組織，精細化作業，加強施工過程管控。施工時應對原材料、混合料配比、拌和過程、攤鋪及碾壓等質量關鍵點進行加強控制。

4.1 原材料

應嚴格控制水泥及集料質量。水泥應選擇穩定性可靠的廠家，初凝時間應大于3 小時(宜大于4 小時)、終凝時間大于6h 且小于10h。集料生產應采用反擊破破碎工藝，確保集料粒型符合要求，尤其應嚴格控制細集料0.075mm 通過率和塑性指數，盡可能減少水泥穩定集料中的粘土含量。建議合成級配通過0.075mm 篩孔的顆粒含量盡量控制在5%以下，通過4.75mm 篩孔的顆粒含量盡量控制在35%左右；如含有塑性指數的土時，塑性指數宜控制在4 以下。

4.2 混合料配比

在生產施工過程中應該嚴格控制集料級配的變異性，集料摻配時應合成級配呈“S”型，嚴格控制關鍵篩孔通過率，當集料來源改變或者采用多來源集料時，應該提前進行配合比驗證，必要時應重新進行配合比設計。考慮水泥穩定碎石基層的抗裂性，可通過改善集料級配的方法以減少水泥用量，水泥劑量不宜大于5%。

4.3 拌和過程

為確保生產的混合料的拌合質量，拌和樓進行混合料生產前，試驗人員應對原材料含水檢測，確保總用水量處于最佳范圍。夏季或氣溫較高時，應考慮水分散失等因素，最佳含水量應提高0.5%～1.0%。拌和生產時，應驗證拌和均勻性。

4.4 混合料攤鋪

雙層攤鋪時，應提前將底基層灑水濕潤，上基層施工時，下基層表面應噴灑水泥凈漿，水泥凈漿量宜不少于0.5～1.2㎏/m2，灑布長度以不大于攤鋪機前30～40m 為宜。為減少攤鋪離析現象，攤鋪機變速箱處必須安裝反向葉片，派專人檢查攤鋪機后方，及時鏟除局部集料堆積或離析部位，并用新拌混合料填補。

4.5 碾壓

混合料攤鋪后應及時進行碾壓。選用試鋪段施工得到最佳碾壓組合，碾壓段落為40～60m，推薦碾壓組合方式見表8。

表8 推薦的碾壓方式組合

碾壓過程中應重視接縫處理，攤鋪中斷或每段工作結束時要設置橫縫時，攤鋪機駛離攤鋪混合料末端，壓實后碾壓末端形成斜坡。攤鋪新混合料前，檢測接縫處平整度，垂直切去不合格部分，清理干凈，涂刷黏層油，混合料騎縫碾壓，呈“八”字形，先橫向碾壓至新鋪混合料處，再縱向碾壓。

4.6 養生及交通管制

合理的養生能保證水泥穩定碎石基層強度，也能有效地減少或避免干縮裂縫產生。在基層碾壓完成并經檢測合格后，應立即進行養生，避免基層表面水分散失。可用土工布覆蓋灑水養生，也可灑布乳化瀝青。灑水養生時，應視氣候情況，每日灑水5～6 次，做到均勻撒布，養生期不少于7d。

5 應用效果

⑴碾壓過程中，采用灌砂法對基層壓實度進行全面檢測。各測點壓實度均能滿足要求（不小于98%）。其中上基層壓實度均大于100%，下層壓實度介于98%～99%之間。

⑵養生結束后，鉆取芯樣進行完整性檢測，共取芯5 處，均能取出完整芯樣，密基層上部和下部連接緊密，從圖3 可以看出現場取出的芯樣較為完整，說明水泥穩定碎石基層雙層連鋪施工效果與養生效果均比較理想。

⑶自抗裂型水泥穩定碎石基層施工完成，通過近3個月對基層裂縫發展情況持續觀測，多數路段未出現裂縫，少數出現裂縫路段裂縫間距約300～400m。

6 結語

施工實踐表明，采用抗裂型水泥穩定碎石一次攤鋪成型工藝，能減少下基層養生等施工工序，減少或延緩了路面裂縫的產生，在提升路面施工效率的同時，提高了路面的施工質量及耐久性能。