大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層的材料設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

余小江

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層作為一種剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)層，能夠使公路路面具有良好的承載能力，同時(shí)也能抑制路面產(chǎn)生反射開(kāi)裂。該技術(shù)用于路面大修施工中，可以克服傳統(tǒng)柔性或半剛性基礎(chǔ)層的性能不足，從而獲得良好的路用技術(shù)效果。案例路面原為水泥穩(wěn)定碎礫石半剛性基礎(chǔ)層與瀝青面層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，雖然具有剛度大、強(qiáng)度高、整體性好等特點(diǎn)，但由于水泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層的抑制反射開(kāi)裂性能不足，一定程度降低了基礎(chǔ)層的整體性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，致使該路面一度多處發(fā)生降沉、裂縫、松動(dòng)、麻面、唧漿、坑洼等路面病害。在對(duì)原有路面大修養(yǎng)護(hù)工程中，該工程采用大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層技術(shù)，取得了良好的路面質(zhì)量改進(jìn)效果，圓滿(mǎn)完成了路面大修養(yǎng)護(hù)任務(wù)。

1 工程概況

某城市與過(guò)境高速公路連接段長(zhǎng)2 400m，寬12m。由于該區(qū)段地處城郊連接處和高速出入口，車(chē)流量大，尤其是重型車(chē)輛較多，致使原常規(guī)水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層路面毀損嚴(yán)重，多處發(fā)生降沉、裂縫、松動(dòng)、麻面、坑洼等路面病害，影響交通安全。為此，該公路采取了大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層維修改造，取得了良好的維修改造效果。

2 大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層的技術(shù)原理與特點(diǎn)

2.1 大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層原理

大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以大粒徑碎礫石為框架，在大粒徑碎礫石之間填充Ⅰ型填充料?；A(chǔ)強(qiáng)度是通過(guò)大粒徑碎礫石的嵌入和擠壓構(gòu)成，Ⅰ型填充料具有穩(wěn)定作用。其原理是：

（1）以大粒徑碎礫石為骨架，采用Ⅰ型填充料進(jìn)行充填，構(gòu)成比較大的擠嵌力與摩阻力，所以承載功效較佳。

（2）由于大粒徑碎礫石阻礙了Ⅰ型添縫料間的連接，使結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力不能連續(xù)傳導(dǎo)，結(jié)構(gòu)剛性一定程度弱化，同時(shí)又保持了Ⅰ型填充料的部分半剛性，有利于抑制和防范反射裂隙病害的發(fā)生。

（3）Ⅰ型填充料以團(tuán)狀存在于大粒徑碎礫石的間隙中，不僅能有效支撐大粒徑碎礫石，還可以限制大粒徑碎礫石的水平移動(dòng)，有利于抑制和防范網(wǎng)裂病害。

2.2 大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層特點(diǎn)

大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層結(jié)構(gòu)剛?cè)峤Y(jié)合，既有半剛性基礎(chǔ)層與柔性基礎(chǔ)層的突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還一定程度克服了二者缺點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有：

（1）有較好的抗裂性。大粒徑骨料構(gòu)成骨架，可提供足夠的內(nèi)摩擦阻力來(lái)抗御溫縮和干縮應(yīng)力，應(yīng)用大粒徑骨料，比一般水泥穩(wěn)定基礎(chǔ)層節(jié)省水泥用量，能大幅降低膠結(jié)料凝固硬化引發(fā)的溫縮和干縮應(yīng)力，進(jìn)而防止反射開(kāi)裂。

（2）有適宜的剛度與足夠的強(qiáng)度。特別是在車(chē)流量大的高級(jí)別公路，基礎(chǔ)層整體強(qiáng)度高，可有效防止網(wǎng)裂等初期病害；而且基材的表面具有足夠強(qiáng)度，可以抵御擠壓破壞，從而防止唧泥、沖刷損壞等結(jié)構(gòu)病害。剛度適宜，使基礎(chǔ)層既具有較好的抵御形變能力，又與表層保持較好的接觸，防止因過(guò)大的層間應(yīng)力而引起層間翹曲、分離與脫空。

（3）養(yǎng)護(hù)期間的交通影響比較小。大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層強(qiáng)度，決定于大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石的嵌擠狀態(tài)，對(duì)填充料強(qiáng)度的依賴(lài)較小。車(chē)輛在養(yǎng)護(hù)期間可以行駛，大幅降低了對(duì)交通的影響。

（4）工序多，施工速度相對(duì)較慢。大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層施工操作相對(duì)復(fù)雜，需要3次鋪裝，即主骨料、Ⅰ型填充料、Ⅱ型填充料依次鋪裝，效率相對(duì)較低。該基礎(chǔ)層施工所需人工較多，作業(yè)強(qiáng)度相對(duì)較大，施工速度相對(duì)較慢。

3 大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層材料組成

3.1 主骨料

采用40～80mm大粒徑碎礫石，充填大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層，更容易構(gòu)成骨架，更有利于嵌鎖。優(yōu)先使用60～80mm區(qū)間的大粒徑碎礫石。主骨料自然密度、振實(shí)堆積密度、表觀密度和毛體積密度分別為1.38g/cm3、1.54g/cm3、2.723g/cm3和2.710g/cm3，自然堆積情況下的間隙率為49%，振實(shí)情況下的間隙率為43%。

3.2 填充料及其無(wú)側(cè)限耐壓強(qiáng)度分析

Ⅰ型填充料用于充填大粒徑碎礫石縫隙的填充料，Ⅱ型填充料用于找平基礎(chǔ)層表面的填充料。主要對(duì)Ⅰ型填充料改進(jìn)設(shè)計(jì)：Ⅰ型填充料最大粒徑不可大于19mm，這樣更利于充填在大粒徑碎礫石骨料縫隙中。前述主骨料設(shè)計(jì)的自然堆積情況下的間隙率為49%，振實(shí)情況下的間隙率為43%，取其均值作為填料在復(fù)合料中的體積即46%。依據(jù)二級(jí)公路基礎(chǔ)層水泥穩(wěn)定中粒土壓密度97%的技術(shù)需求，填充料與主骨料的質(zhì)量比取41∶59。

大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層材料的路用功效有剛度、強(qiáng)度、抗沖刷性、抗疲勞性、抗裂性等指標(biāo)。其中強(qiáng)度指標(biāo)是水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)多以7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行表征。

填充料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)依照公路項(xiàng)目無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料的試驗(yàn)規(guī)程開(kāi)展，對(duì)150mm×150mm試樣在浸水養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)后，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)。為保證測(cè)試有效，試驗(yàn)中變異系數(shù)Cv不可超過(guò)15%，若Cv高出15%，則需提升試樣數(shù)量，并且重新試驗(yàn)以明確最終極限無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。案例填充料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥用量8.0%的填充料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

表1數(shù)據(jù)顯示，水泥用量8.0%的填充料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值9.7MPa，并且Cv≤15%，符合公路項(xiàng)目無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料7d無(wú)側(cè)限耐壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 最優(yōu)含水量與最大干密度設(shè)計(jì)與測(cè)試

大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層復(fù)合料的最優(yōu)含水量與最大干密度設(shè)計(jì)計(jì)算公式為：

式（1）中：ρω為含水量（%）；ρd為干密度（g/cm3）。

案例大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層水泥用量為8%，通過(guò)上述公式計(jì)算，復(fù)合料的最優(yōu)含水量為5.8%。

4 大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層材料的生產(chǎn)調(diào)配

依據(jù)大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層材料構(gòu)成和Ⅰ型填充料的配比，開(kāi)展材料生產(chǎn)調(diào)配。主骨料過(guò)篩率、設(shè)計(jì)級(jí)配與料倉(cāng)篩分級(jí)配如表2所示。Ⅰ型填充料過(guò)篩率、設(shè)計(jì)級(jí)配與料倉(cāng)篩分級(jí)配如表3所示。

表2 主骨料過(guò)篩率、設(shè)計(jì)級(jí)配與料倉(cāng)篩分級(jí)配

表3 Ⅰ型填充料過(guò)篩率、設(shè)計(jì)級(jí)配與料倉(cāng)篩分級(jí)配

工程用復(fù)合料采取廠拌方式，根據(jù)具體工程質(zhì)量需要，生產(chǎn)配比與原設(shè)計(jì)配比間存在必要的應(yīng)用微調(diào)。案例大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層施工過(guò)程中，考慮填充料的用量能填補(bǔ)主骨料之間的間隙，并應(yīng)有少量剩余，通常提升填充料的4%～5%為富余量，因此微調(diào)后的主骨料與填充料的質(zhì)量比為54∶46。實(shí)際水泥使用量較原始設(shè)計(jì)計(jì)算量增加約0.5%，因此在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合料拌和時(shí)，水含量進(jìn)行0.5%～1.0%的提升微調(diào)，最終案例大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層工程中，復(fù)合料水泥用量取8.5%，含水量取6.5%。

5 大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層施工技術(shù)要點(diǎn)

5.1 基礎(chǔ)層鋪筑施工

大粒徑碎礫石應(yīng)沿路依次攤鋪，先攪拌水泥穩(wěn)定細(xì)料，再將大粒徑碎礫石與水泥穩(wěn)定細(xì)料用土拌和機(jī)攪拌均勻，再進(jìn)行碾壓。成型后應(yīng)通過(guò)限制車(chē)速開(kāi)放交通。

（1）主骨料和填充料攤鋪。要適時(shí)檢查大粒徑碎礫石規(guī)格和潔凈程度，大粒徑碎礫石在攤鋪過(guò)程中層厚要均勻，面層要平整。注意防范填充料集窩現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)填充料存在集窩點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)糾正處理。

（2）水泥穩(wěn)定細(xì)料的拌和與攤鋪。水泥穩(wěn)定細(xì)骨料的攤鋪主要分為兩步。第1步是攤鋪Ⅰ型細(xì)骨料。復(fù)合料在翻拌以后，其表面應(yīng)有一層未填充細(xì)骨料的均勻的大粒徑碎礫石表層。第2步是攤鋪Ⅱ型細(xì)骨料，主要是使基礎(chǔ)層平整和密實(shí)。在挖掘機(jī)挖掘作業(yè)時(shí)，專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)運(yùn)細(xì)料到現(xiàn)場(chǎng)，由專(zhuān)職作業(yè)人員卸料并充填。

（3）翻拌?，F(xiàn)將水泥穩(wěn)定細(xì)骨料均勻攤鋪在大粒徑碎礫石中，然后使用土攪拌機(jī)開(kāi)展拌和。拌和后應(yīng)指派專(zhuān)職人員檢查，主要檢查拌和是否均勻，在大粒徑碎礫石中是否均勻填充細(xì)料，基礎(chǔ)層底部是否有細(xì)料充填等。若不能滿(mǎn)足規(guī)定的需要應(yīng)繼續(xù)作業(yè)。

（4）攤鋪Ⅱ型填充料、碾壓、灑水。前述粗找平、修補(bǔ)、碾壓以后，攤鋪Ⅱ型填充料，對(duì)基礎(chǔ)層表面剩余的縫隙進(jìn)行填充和修補(bǔ)。填充料填充在大粒徑碎礫石的骨架中，再以壓路機(jī)壓密，以使水泥穩(wěn)定細(xì)料滿(mǎn)填在大粒徑骨架中，然后對(duì)其灑水，以達(dá)到最優(yōu)含水量。

（5）碾壓。壓路機(jī)分4～6次碾壓路面，用膠輪壓路機(jī)碾壓時(shí)，碾壓的頻次應(yīng)不低于3次。在接縫處和邊緣處應(yīng)增加壓實(shí)次數(shù)，壓路機(jī)應(yīng)緊靠邊緣進(jìn)行碾壓，以保證這些位置壓實(shí)充分。

（6）養(yǎng)生。前述工序完成后進(jìn)入養(yǎng)生階段，應(yīng)持續(xù)灑水養(yǎng)生在7d以上。期間可以開(kāi)放交通，但需要限制車(chē)速。

5.2 路用功效

案例路段位于城郊連接處和高速路出入口位置，車(chē)流量大，尤其是重型車(chē)輛較多。路段采用大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層路基路面維修改造，在建成通車(chē)一年以后路面保持平整，沒(méi)有發(fā)生反射裂縫或沉陷等工程病害，技術(shù)狀態(tài)較佳。而作為對(duì)比的傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層區(qū)段路面一年后卻發(fā)生了車(chē)轍、裂縫、坑洞、松散等病害。

5.3 經(jīng)濟(jì)性分析

大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層的施工成本包括材料成本、人工成本、機(jī)械成本以及其他工費(fèi)成本。將大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定基礎(chǔ)層的1 000m2施工成本進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層人工和機(jī)械成本有所增高，但是在二次運(yùn)輸、后場(chǎng)拌和材料成本等方面成本明顯降低。每建設(shè)1 000m2平均可節(jié)省成本3 000元左右。按21.5m路基寬度計(jì)算，每公里可節(jié)約成本6.45萬(wàn)元。此外，如果優(yōu)化施工機(jī)具，降低機(jī)械人工費(fèi)和臺(tái)班費(fèi)，還可以進(jìn)一步減少成本。大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層技術(shù)節(jié)約建設(shè)成本，且該型路面的使用壽命比常規(guī)水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層提高較多，可見(jiàn)大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層技術(shù)更具有工程應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

開(kāi)展大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層的材料設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究，得出以下結(jié)論：

（1）將大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層主骨料粒度由40～60mm擴(kuò)大到40～80mm，能夠增加內(nèi)摩擦阻力；將Ⅰ型填充料的最大粒徑從不高于9.5mm調(diào)節(jié)到不高于19mm。最終，主骨料與Ⅰ型填料的質(zhì)量比確定為59∶41，具有更好的應(yīng)用功效。

（2）由無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試分析顯示，所設(shè)計(jì)的Ⅰ型填充料具有很高強(qiáng)度，其7d齡期的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為9.7MPa，滿(mǎn)足路面技術(shù)需求。

（3）根據(jù)實(shí)際施工情況，微調(diào)初步設(shè)計(jì)的配合比，最終生產(chǎn)配比是水泥使用量的8.5%，復(fù)合料含水量為6.5%。主骨料與填充料的質(zhì)量比為54∶46。

（4）大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層施工工藝：攤鋪大粒徑碎礫石、水泥穩(wěn)定填充料拌和、播撒、壓密、基礎(chǔ)層表面2次找平等，可以更好地控制施工質(zhì)量。

（5）路用效果和經(jīng)濟(jì)性分析顯示，大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層技術(shù)能有效改善路面質(zhì)量，且經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)良。

（6）大粒徑水泥穩(wěn)定碎礫石基礎(chǔ)層施工操作相對(duì)復(fù)雜，工序多，施工速度相對(duì)慢。需要3次鋪裝，即主骨料、Ⅰ型填充料、Ⅱ型填充料依次鋪裝，效率相對(duì)較低。該基礎(chǔ)層施工所需人工較多，作業(yè)強(qiáng)度相對(duì)較大，施工速度相對(duì)較慢。