水泥穩(wěn)定碎石施工研究

李建國

摘 要：隨著我國高速公路建設事業(yè)的不斷發(fā)展，路面結(jié)構(gòu)層也在不斷改進，半剛性材料被廣泛用于修建高等級公路路面的基層或底基層。隨著時間的推移，新建或改建的高等級公路的瀝青面層出現(xiàn)了不同程度的早期損壞現(xiàn)象，如何改善路面使用性能及延長路面的使用壽命，從水泥穩(wěn)定碎石的形成機理、技術(shù)及施工等方面進行分析以期有所改善。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石 防治措施

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0085-02

1 特點

水泥穩(wěn)定碎石基層具有顯著的優(yōu)點：早期強度高，短時間內(nèi)（5～7d）可獲提2.0 MPa以上的強度；穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)層本身具有一定的通透性，不會因為水的影響發(fā)生大的變化?？筛鶕?jù)施工要求，通過改變其組成設計，而調(diào)整所需要的強度，而其它結(jié)構(gòu)層的強度則受材料本身制約較大。機械化施工，質(zhì)量好，進度快，小段落的零星工程，可以采用簡易機械或人工拌和攤鋪，靈活而經(jīng)濟。整體性強、剛性大，而且較為經(jīng)濟，這決定了越來越多的高等級公路采用水泥穩(wěn)定碎石作為基層。但其本身也存在著一定的不足：在強度生產(chǎn)后也就會出現(xiàn)干裂的現(xiàn)象，從而引起上面層的開裂，導致雨后積水，引起路堤早期破壞，減少了使用壽命；施工時易離析；強度形成后在車輪等外力作用下，表面易被剝落、磨耗；延遲時間短，即從拌和到碾壓成型要在較短的時間內(nèi)完成，對設備臨時故障要有預防措施，以免造成材料浪費。

2 強度形成的機理

用水泥穩(wěn)定碎石作為基層時，發(fā)生的各種作用過程是非常復雜和多種多樣的，包括：化學過程，如水泥顆粒的水化作用和水解作用，有機物的聚合作用，以及與產(chǎn)生許多化學成分復雜的新生物有關(guān)的其他化學過程。物理—化學過程，如碎石混合料部分的結(jié)合料與化學劑中個別組分的交換吸附作用，顆粒的凝聚作用和微聚結(jié)作用，以及隨后多種結(jié)構(gòu)的形成。物理過程，碎石的鑲嵌，混合料的拌和、壓實，以及水泥穩(wěn)定等。

水泥加水拌和后，開始時具有一定流動性和塑性的漿體，接著很快變稠失去可塑性，但尚不具有機械強度，這個過程稱為水泥的凝結(jié)。隨后產(chǎn)生明顯的強度并逐漸發(fā)展而成為堅硬的石狀物——水泥石，這一過程稱為水泥的硬化。硅酸鹽水泥和普通水泥在加水后，起初3～7 d強度發(fā)展很快，大約四周以后便逐漸減慢。影響水泥凝結(jié)和硬化的因素很多，除礦物成分外，還有水泥的細度、拌和時用水量、養(yǎng)護溫度和外加劑等。水泥粉磨得越細，即顆粒表面越大，與水的接觸面積也就越大，水化作用即快又充分，因而凝結(jié)硬化的速度也快，早期強度也高。拌和時用水量較少，水泥漿就較稠，凝聚—結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)易于形成。水泥在高溫的凝結(jié)與硬化速度顯著加快，低溫時顯著減慢。在水泥內(nèi)摻入各種促凝劑、緩凝劑或混合材料，對水泥的凝結(jié)速度也會產(chǎn)生改變。水泥在儲存與運輸時，應防止受潮。否則，表面受潮、水泥水化并結(jié)塊，喪失膠結(jié)能力，強度大大降低。即使在良好的儲存條件下，水泥也不可儲存太久，儲存過程中，水泥吸收空氣中的水分及二氧化碳，進行緩慢的水化和炭化，也要影響水泥的強度。所以儲存過久的水泥應重新檢驗其實際強度。

水泥加入碎石混合料中并加水拌和后，水泥中的各個成分與混合料發(fā)生水解和水化反應，同時從溶液中分解出氫氧化鈉，并形成其他水化物，水泥與水反應所發(fā)生的各種水化物可繼續(xù)硬化并在混合料中形成水泥石骨架。當水泥中加入水后，主要的水化產(chǎn)物是堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和消石灰。硫酸鈣在水泥中雖然只占4%，但它與鋁酸三鈣一起與水反應生成水泥桿菌。水泥桿菌最初以針狀結(jié)晶的形式在比較短的時間里析出，反應結(jié)果把土中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來。將水泥加在粒料土中時，膠結(jié)很像混凝土中的現(xiàn)象。膠結(jié)作用主要靠硅酸鈣和鋁酸鈣與礦質(zhì)顆粒表面的結(jié)合。水泥在穩(wěn)定碎石混合料中的作用，從工程觀點看主要是水泥加入混合料中后，將大大增加混合料的強度和穩(wěn)定性，而且水泥劑量愈大，穩(wěn)定碎石的強度愈高，穩(wěn)定性愈好。

3 影響強度的因素

對于水泥穩(wěn)定碎石通常使用的硅酸鹽水泥，由于從拌和到壓實，通常所需時間最少不低于2 h，所以快硬水泥或早強水泥都不適合。水泥的終凝時間越長，從拌和到壓實的延遲時間對水泥碎石混合料的干密度及抗壓強度的影響越小。在用于穩(wěn)定碎石的通常水泥劑量范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石的強度隨水泥劑量而增加。大多數(shù)級配好的材料經(jīng)水泥穩(wěn)定后，其強度與劑量之間大致是一直線關(guān)系，而且此直線通過原點。這種直線關(guān)系不受齡期的影響，從一天到一年都存在這種直線關(guān)系。

有機質(zhì)對水泥穩(wěn)定是有害的。用水泥穩(wěn)定不含有機質(zhì)的碎石混合料其強度增長比含少量有機質(zhì)的提早一個星期左右，比含大量有機質(zhì)的強度高出21倍，因此我們在做碎石原材料試驗時一般應做有機質(zhì)含量試驗。硫酸鹽能與結(jié)硬水泥中的鋁酸三鈣結(jié)合而產(chǎn)生硫酸鋁酸鈣。這一新生物能膨脹，使原來的體積增大，從而破壞水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)。因此，硫酸鹽含量達到一定的程度，就使得這種材料不在適宜用水泥穩(wěn)定。另外，水泥穩(wěn)定試件在含水量不變的條件下養(yǎng)生時，硫酸鈣對抗壓強度影響不大。但當試件浸水后，其強度的損失就很大。雖然使用抗壓硫酸根水泥代替普通硅酸鹽水泥也沒減少硫酸根的破壞作用。

混合料中含有碳酸鈣有利于用水泥穩(wěn)定。這是因為多數(shù)植物在石灰質(zhì)的巖體中不能生長，這種石料中有機質(zhì)含量很少，并且這些有機質(zhì)都被鈣離所飽和。通過施工中得出的結(jié)果，用同一劑量的水泥穩(wěn)定級配良好的集料，其強度和耐久性比穩(wěn)定級配不好的集料的強度和耐久性要高得多。如，對于天然砂礫，要用6%～8%的水泥穩(wěn)定，方可達到規(guī)定的要求；而添加部分細料使其達到最佳級配后，只要用3%～4%的水泥穩(wěn)定，便可達到所需的強度要求。水泥穩(wěn)定最佳級配砂礫的強度比穩(wěn)定天然砂礫高出0.5～1.0倍。為了滿足凍融試驗的要求，最佳級配砂礫只要用2%水泥，而天然砂礫要用5%～6%水泥。碎石集料中0.075 mm以下顆粒的含量對水泥混合料的彎拉強度Rb、抗壓強度Rc和彈性模量E有很明顯的影響。endprint

水泥穩(wěn)定碎石的干密度對強度的影響很大。對水泥穩(wěn)定碎石的試驗資料進行統(tǒng)計分析后，曾得出水泥穩(wěn)定碎石的干密度平均增加8.8%時，其承載比平均增加1.38倍，如最大干密度時水泥穩(wěn)定碎石承載比為100，則壓實度為98%時，其承載比平均為83（均方差3），壓實度為95%時，其承載比平均為62（均方差8）。應該指出，干密度對水泥穩(wěn)定碎石強度的影響不如其對普通級配集料強度的影響大，格里默研究了水泥穩(wěn)定碎石的干密度對其抗壓強度的影響。

水泥穩(wěn)定碎石混合料要有足夠的水分，以滿足水泥水化的需要和壓實的需要。水泥穩(wěn)定碎石的干密度—含水量關(guān)系與天然土的相同。對于一定的壓實功能，存在一個能達到最大干密度的最佳含水量。對于水泥穩(wěn)定碎石，用重型擊實試驗法確定的最佳含水量可以足夠供應水泥水化的需要。在實際工作中，對于水泥穩(wěn)定碎石，碾壓時混合料的含水量宜較最佳含水量大0.5% ～1.0%。

水泥穩(wěn)定碎石在高等級公路上一般不采用現(xiàn)場路拌法進行施工而采用廠拌機鋪的方法進行施工，因此在進行施工時主要控制拌和時的水泥劑量、含水量及從加水拌和到攤鋪、壓實的延遲時間。主要說從加水拌和到攤鋪、壓實的延遲時間對水泥穩(wěn)定碎石的影響，水泥一旦與水接觸，就會開始水化。因此，水泥碎石混合料中在拌和站里拌好就應立即運至攤鋪現(xiàn)場攤鋪、碾壓，就要在最短的時間內(nèi)完成，碾壓時，為了破壞已經(jīng)形成的水泥的這種膠結(jié)作用，就要花費額外的壓實功能，從而影響水泥穩(wěn)定碎石的壓實度。以上這些因素都會導致水泥穩(wěn)定碎石強度的損失。強度損失的程度與水泥水化的速度有關(guān)，而水泥的水化速度則與水泥類型、溫度以及碎石的化學成分有關(guān)。不同情況下的水泥穩(wěn)定碎石的強度損失可能變化很大。在一定的壓實功能下，從拌合站拌合好出廠到制件的延遲時間對水泥穩(wěn)定碎石的干密度及抗壓強度的影響。從加水拌和到壓實的延遲時間為2 h時，水泥穩(wěn)定碎石可使強度降低10%～25%。如果用控制干密度的方法制件，以消除延遲時間對于干密度的影響，則延遲時間對混合料強度的影響也將大大減小，但不能消除。

4 病害及防治

最為常見的病害有彈簧、裂縫、唧泥、不均勻沉降等。混合料中細料的含量和塑性指數(shù)對水泥混合料的干縮應變的影響是正比關(guān)系，即其含量愈多、塑性愈大，干縮應變也愈大。制件含水量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮應變有明顯影響，但其影響程度又隨細料含量而變，含量愈大，制件含水量對混合料的干縮應變的影響也愈大。在研究水泥碎石的干縮性時，西安公路研究所采用了不同劑量的水泥，以了解水泥劑量對混合料干縮性的影響。從表中值可以看出水泥劑量從5%增到5%和7%，干縮系數(shù)分別增加20×10-6和30×10-6，其影響程度明顯小于含水量增加1%。根據(jù)經(jīng)驗、試驗表明，用5%水泥穩(wěn)定后，其平均干縮系數(shù)育齡期無明顯關(guān)系。水泥穩(wěn)定碎石試件經(jīng)7d保溫保濕養(yǎng)生后，暴露在室內(nèi)自然溫度和自然濕度下進行風干，試件的干縮應變Sd和平均干縮ād都隨暴露時間t增加而增加。水泥穩(wěn)定碎石的平均干縮系數(shù)ād與失水量，在2.2%～2.3%以下時，混合料的干縮系數(shù)相當小，就水泥碎石基層常用的水泥劑量5%～7%而言，其干縮系數(shù)只有7×10-6，而這個失水量已約等于45%制件含水量或66%風干時的最大失水量?，F(xiàn)場生產(chǎn)實踐證明：水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)生結(jié)束后，短時間暴露不致產(chǎn)生干縮裂縫，但較長時間暴露就會產(chǎn)生間距5～10 m的橫向干縮裂縫。細料越多，塑性指數(shù)愈大，干縮系數(shù)越大，因此，應控制細集料的含量；水泥劑量越大，干縮應力也越大，裂縫也越多。據(jù)統(tǒng)計，水泥增加1倍，路面的橫縫增加24倍，很多國家在規(guī)定水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度指標的同時，還規(guī)定水泥的最大劑量，通常為5%～6%，以減少水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮裂縫。施工碾壓時，混合料的含水量越大，干縮應力也越大，導致裂縫增多，縫增寬大。

組成水泥穩(wěn)定碎石材料的三個相，即不同礦物顆粒組成的固相、液相（水）和氣相在降溫過程中相互作用的結(jié)果，當半剛性材料產(chǎn)生體積收縮，即溫度收縮。就組成固相的礦物質(zhì)而言，原材料中石屑以上顆粒的溫度收縮系數(shù)較??；粉粒以下顆粒，特別是塑性指數(shù)大的溫度收縮較大。水泥穩(wěn)定碎石材料中膠結(jié)物各礦物有較大的溫度收縮性。存在于水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部的較大空隙、毛細孔和凝膠孔中的水通過“擴張作用”、“表面張力作用”和“冰凍作用”三個作用過程，對水泥穩(wěn)定碎石的溫度收縮性質(zhì)產(chǎn)生極大的影響，使其在干燥和飽水狀態(tài)下有較大的溫度收縮值，而在一般含水量下有較大的溫度收縮性，影響水泥穩(wěn)定碎石溫度收縮性質(zhì)的主要因素是含水量、集料和集料成分、環(huán)境溫度和齡期等。實際路面結(jié)構(gòu)中，水泥穩(wěn)定碎石作為基層一般是在接近最佳含水量或接近半風干狀態(tài)下遭受溫度作用，而且是在含水量可自由變化的情況下進行收縮。

外力破壞應變產(chǎn)生的疲勞裂紋也就是荷載型結(jié)構(gòu)破壞裂縫，從設計上保證水泥穩(wěn)定碎石路面不發(fā)生荷載型結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，是減少水泥穩(wěn)定碎石裂縫的首要措施。為了避免半剛性路面發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，在路面設計時需進行如下方面的考慮。水泥穩(wěn)定碎石路面的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫是由行車荷載引起的。行車荷載在水泥穩(wěn)定碎石基層底面產(chǎn)生拉應力。影響水泥穩(wěn)定碎石基層拉應力大小的主要內(nèi)應有：面層的厚度、基層本身的厚度、基層的彈性模量和下承層的彈性模量。據(jù)有關(guān)試驗資料表明，在其他條件相同的情況下，水泥穩(wěn)定碎石基層厚度從10 cm增加到15 cm，拉應力減少到一半。而在其他條件相同的情況下，面層厚度增加到5 cm，基層底部的拉應力的減少比例要小得多。此外，當水泥穩(wěn)定碎石的彈性模量增加時，在薄基層中的應力增加很快。水泥穩(wěn)定碎石基層的下承層指半剛性基層以下的各種材料層，如底基層、墊層或土基改善層和土層。試驗資料比表明，水泥穩(wěn)定碎石基層的彈性模量大（10000 MPa），增加下承層的彈性模量1倍可以使基層底面的拉應力減小一半多。只有采用厚層半剛性材料底基層，才容易使下承層的模量增加四倍。采用厚層半剛性底基層增加下承層后，半剛性基層本身的厚度可以減薄。石家莊—新樂段高速公路的路面結(jié)構(gòu)是一個很好的實例。

水泥穩(wěn)定碎石基層的病害影響因素很多，與施工人員素質(zhì)、路基施工質(zhì)量、橋頭橋梁伸縮縫的處理、水泥穩(wěn)定碎石層、瀝青面層都有直接的關(guān)系。路基是路面和路面基層的基礎(chǔ)，路基不均勻沉降，必然引起水泥穩(wěn)定碎石基層的沉降、斷裂，從而造成路面面層的斷裂，因此，在處理路基時應徹底、堅決，嚴格施工、檢測工序，特殊路段特別處理，重點部位，像半填半挖路段、軟土地基路段、涵洞回填處、橋梁兩端等等。路基處理完畢，要保證路基的彎沉值，壓實度等檢測項目合格。對不合格路段，應堅決采取措施，不留隱患。

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