水泥穩定碎石基層強度控制分析＊

范 潔

（湖南省長湘高速公路建設開發有限公司，湖南 長沙 410000）

1 前言

隨著公路建設大力發展，公路病害也越來越突出，湖南省位于北緯24°39′～30°08′之間，大部分地區屬中亞熱帶東部濕潤季風氣候區，湘南、湘東北分別兼有向南亞熱帶和北亞熱帶過渡的特征。境內多年平均降水量在1 200 mm～1 700 mm之間，是全國多雨地區之一，各地降水量大于1 000 mm的保證率在90 %以上；大于1 200 mm的保證率有70 %～80 %，且雨水集中于春夏兩季，占全年降雨總量的70 %。氣候的主要特征為氣候溫暖，四季分明；熱量充足，雨水集中；春溫多變，夏秋多旱；嚴寒期短，暑熱期長。由此，公路路面水損害尤為嚴重，同時也是影響公路使用壽命的重要因素之一。［1］

降雨期間通過路面孔隙、裂縫、接縫、中央分隔帶滲入的水或高地下水位路段的地下水滯留在路面結構內，給公路路面的使用帶來非常不利的影響。對柔性路面而言，其水損壞形式主要包括：卿漿、松散、掉粒、坑槽等，剛性路面水損壞的形式主要為：沖刷、唧泥、斷板、斷角和碎裂等。防治公路路面水損害必須從基層和排水層開始，當然材料的選擇也是至關重要的一個環節。［2］

本文以湖南常吉高速公路為依托工程，廣泛調查其基層水泥穩定碎石的級配組成、承載力及與含水量變化關系等，總結得出高速公路基層施工的含水量控制規律。

2 水泥穩定級配碎石強度形成原理

水泥穩定碎石根據粗集料和細集料在混合料中的分布狀態可以劃分為懸浮密實結構、骨架密實結構、骨架孔隙結構和均勻密實型結構。通過機械碾壓作用水泥穩定碎石能緊密的嵌擠在一起，并依靠顆粒之間的嵌擠和摩阻作用而形成的內摩阻力使其具有一定的強度和穩定性。再次，水泥加入集料中并加入一定量的水加以拌和后，水泥中的各個組分與土中的水分發生強烈的水解和水化反應，同時從溶液中分解出氫氧化鈣，并形成具有膠結能力的水化物，這是水泥穩定類混合物的強度主要來源。水泥水化后的主要產物是堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和氫氧化鈣，其中前兩種產物是主要的膠結成分，黏結、形成強度和體積變化主要由它們來控制，各種水化產物可繼續硬化并在土中形成水泥石骨架。水泥水化生成的產物，在集料的空隙中相互交織搭接，將集料顆粒包裹連接起來，使其逐漸喪失了原有的塑性等性質，并且隨著水化產物的增加，混合料也逐漸堅固起來，在這一過程中主要包括3種作用形式：離子交換作用、化學激發作用、碳酸化作用。由此，增大了水泥穩定碎石的強度。

3 水泥穩定碎石級配設計

水泥、碎石材料的選擇。

根據供料情況確定4種規格石料進行配合比設計，分別為10 mm～30 mm碎石、10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石和石屑，水泥采用強度為32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。通過試驗測定，集料的壓碎值、吸水率等參數均滿足技術規范的要求。礦料篩分數據如表1所示，級配曲線如圖1所示。

表1 水泥穩定碎石篩分結果

圖1 水泥穩定碎石篩分曲線

一般水泥穩定碎石基層從功能上來看，可以作為排水基層、抵抗和減緩荷載的用途。水泥穩定碎石的強度影響因素一般為礦料級配和水泥劑量，骨架密實型級配和水泥劑量對提高水泥穩定碎石的抗荷載和抗裂性能有顯著效果，而水泥穩定碎石作為排水基層則應考慮骨架孔隙結構，其結構中細料的壓實體積小于粗集料形成的空隙體積，且壓實后混合料存在一定的孔隙［3］，因此在設計和施工中需慎重考慮其影響因素，并參照規范內級配范圍，如表2。

表2 水泥穩定碎石規范要求級配范圍

4 承載板法測試水泥穩定碎石基層回彈模量

在瀝青路面結構設計中，基層的回彈模量是影響結構厚度最敏感的參數之一，基層回彈模量較小的變化會對路面結構厚度產生較大的影響。因此，在瀝青路面結構厚度設計中，能否選用合乎實際的基層回彈模量直接關系到路面結構的安全性和經濟性。現場承載板法是現行路面設計規范中所推薦的基層回彈模量測試方法之一，可較為準確地得出基層的回彈模量，所使用儀器結構及操作比較簡單，價格低廉。因此，對現場不同含水量基層的回彈模量進行測試，得出含水量與回彈模量的關系，為路基防排水設計與路面結構設計提供直接指導。

4.1 承載板法試驗目的

本試驗通過彎沉儀測試水泥穩定碎石在不同含水量情況下各個測點的回彈彎沉值，通過計算求得水泥穩定碎石的回彈模量值。得出在不同含水量情況下，水泥穩定碎石的回彈模量與含水量的關系，即水泥穩定碎石的回彈模量隨含水量的變化情況。通過分析含水量對回彈模量的影響的程度來說明基層由于路面滲水而導致其強度降低，并提出防水措施要保證基層含水量控制在一定含水量以下。

4.2 水泥穩定碎石基層回彈模量與含水量的關系

承載板試驗是一種測試路基土承載能力的經典方法。該試驗通過調節反力梁下千斤頂的壓力，將不同大小的荷載施加到剛性承載板上，承載板下土基的變形則由梁式彎沉儀讀出。試驗中通過逐級加載、卸載的方式，測出每級荷載下相應的土基回彈變形值，經過計算求得土基回彈模量。

常吉高速公路基層分為上基層 18 cm水泥穩定碎石（6 MPa）、下基層17 cm水泥穩定碎石（5 MPa）和底基層18 cm水泥穩定碎石（3 MPa）。通過擊實試驗測定上基層水泥穩定碎石的最優含水量為5.2 %，水泥摻量為6 %，且在最優含水量情況下的回彈模量值為2 750 MPa，基層填料密實度大于98 %，填料密度為2.40 g/mm3～2.42 g/mm3。為確定水泥穩定碎石基層含水量與其回彈模量之間的關系，在常德至吉首高速公路進行了承載板試驗。根據所測得的數據可以得出水泥穩定碎石含水量與回彈模量之間的關系，見表3和圖2。

由圖2中可以看出，水泥穩定碎石的回彈模量值是隨著含水量的增大而減小的，且在圖中可以發現曲線呈現出兩個拐點分別為最優含水量±0.5 %，即含水量為4.7 %和5.7 %，其中4.8 %為低極限含水量，5.6 %為高極限含水量。并從圖2中可以看出在3.4 %～4.7 %和5.7 %～7.2 %兩個含水量變化區域中回彈模量變化比較小，同時水泥穩定碎石在含水量為5.7 %～7.2 %之間時回彈模量的變化率相對于含水量為 3.4 %～4.7 %之間時更加趨于平緩，這說明在高含水量的情況下，回彈模量將趨于定值。可以預見在低含水量情況下，回彈模量也會趨于定值。

表3 水泥穩定碎石（6 MPa）基層含水量與回彈模量的對應關系

圖2 水泥穩定碎石（6MPa）基層含水量與回彈模量關系圖

一般情況下，基層的攤鋪是在最優含水量情況下施工，因為只有在最優含水量情況下，基層在碾壓時才能達到最大密實度。然而，此時基層的回彈模量處于一個并不是很高的狀態，隨著水分蒸發，水泥逐漸硬化，基層的回彈模量逐漸增大，因此回彈模量應隨著含水量的變小而逐漸增大。因此，在控制基層的含水量時，應該采取措施，使基層中的含水量（以本試驗成果為例）控制在4.7 %以下，這樣才能使基層的強度損失的速度不至于過快，反之，當從面層上滲入到基層的水量使基層的含水量超過4.7 %時，基層的模量值將會損失很快，尤其是當含水量超過碾壓時的最優含水量時，基層的強度將會減小很大程度，從而使基層的承重功能不能得到發揮。如果基層處于過濕狀態的時間過長，在不同的荷載作用下，路面面層受力處于不均勻狀態，進而造成路面面層的水損害，路面受損勢必使更多的水滲入到基層，這樣會更進一步造成基層的強度損失，會導致路面的循環破損以致路面完全破壞。

綜合來看，基層的強度減小最快的區域為最優含水量附近，路基含水量太高影響路基強度，而路基含水量過低則影響水泥的水化和水解反應過程，因此保障路基的含水量低于碾壓時的含水量的15 %左右，可有效保證基層的強度受含水量影響不大。

5 結論

從上述分析可以得出路面的面層設計和路面內部的防排水設施應盡量保證少量的水滲入到基層，中央分隔帶的防排水措施及防排水的施工應該保證其防水的質量。如果在防排水設施最不利的情況下工作，盡量使少量水存留于基層中，水分的存留量不能使基層的含水量的增量過大，并且不能高于低極限含水量，基層含水量的控制應在最優含水量以下15 %的范圍，才能保證基層強度和穩定性，同時也對防排水的設計以及路面養護具有指導意義。

1 苗英豪、王秉綱、李 超、戈普塔. 中國公路瀝青路面水損害氣候影響分區方案.長安大學學報（自然科學版）.2008.28（1）：26～31

2 蔣 甫、應榮華、秦仁杰. 昌樟高速公路水損害調查分析與處治措施. 公路，2006.12（12）：200～204

3 楊若沖、梁錫三、賴用滿. 瀝青路面水損害典型原因與對策.同濟大學學報（自然科學版），2008.36（6）：749～753