高等級公路瀝青路面基層材料研究

黃希珍（浙江義達(dá)工程監(jiān)理咨詢有限公司，浙江 義烏 322000）

水泥穩(wěn)定粒料和二灰(石灰、粉煤灰)穩(wěn)定粒料是兩種典型的和常用的半剛性基層材料。水泥穩(wěn)定粒料具有承載力高，水穩(wěn)性和冰凍穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的抗沖刷能力，與下封層有較好的粘結(jié)力，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在收縮性大，易產(chǎn)生裂縫等缺陷。二灰穩(wěn)定粒料后期強(qiáng)度高，收縮系數(shù)小，板體性好、水穩(wěn)性、抗凍性較好，且能大量利用工業(yè)廢料(粉煤灰)，經(jīng)濟(jì)性好。同時(shí)也存在:①早期強(qiáng)度低，施工進(jìn)度受到限制;②表面松散起灰，不利于層間結(jié)合;③耐沖刷性一般，影響耐久性[1]。因此，對于水泥穩(wěn)定粒料重要的是改善其抗裂性:對于二灰穩(wěn)定粒料重要的是提高其早期強(qiáng)度。本文對提高二灰穩(wěn)定類早期強(qiáng)度的措施和改善水泥穩(wěn)定土開裂的技術(shù)措施做出了分析，首先針對水泥穩(wěn)定粒料基層材料組成進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，接著著重分析了磷石膏改性二灰穩(wěn)定粒料基層材料的特點(diǎn)，最后介紹了施工工藝和步驟。

1 水泥穩(wěn)定粒料基層材料組成設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 穩(wěn)定粒料的強(qiáng)度與集料種類的關(guān)系

1.1.1 不同種類集料的基層材料

水泥穩(wěn)定輝綠巖碎石的強(qiáng)度普遍比水泥穩(wěn)定砂礫大，破碎砂礫強(qiáng)度較未破碎砂礫要大。因?yàn)榱Ａ媳砻娴拇植诔潭群屠饨怯欣诜€(wěn)定粒料強(qiáng)度的形成。

用水泥穩(wěn)定輝綠巖碎石時(shí)6%的水泥摻量即可達(dá)到5.0MPa的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。破碎后的篙口塘砂礫摻6%的水泥可達(dá)到4.5MPa的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，而破碎后的孫家河砂礫摻6%的水泥仍難達(dá)到4.5MPa的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。即水泥穩(wěn)定篙口塘破碎砂礫的強(qiáng)度比孫家河高。

通過級配調(diào)整以后，顆粒之間的級配更合理，盡管其養(yǎng)生溫度低(比統(tǒng)料的養(yǎng)生溫度低5℃)，但強(qiáng)度仍和穩(wěn)定統(tǒng)料相當(dāng)。在級配砂礫中加入碎石后強(qiáng)度有所提高。

1.1.2 不同種類集料的底基層材料

水泥穩(wěn)定輝綠巖的強(qiáng)度普遍比水泥穩(wěn)定砂礫大，破碎砂礫強(qiáng)度較未破碎砂礫要大。因?yàn)榱Ａ媳砻娴拇植诔潭群屠饨切杂欣诜€(wěn)定粒料強(qiáng)度的形成。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件，水泥摻量為4%時(shí)強(qiáng)度評定值可達(dá)到2.0MPa 以上，水泥摻量為5%時(shí)強(qiáng)度評定值可達(dá)到2.5-3.0MPa。水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定砂礫的強(qiáng)度高，水泥穩(wěn)定砂礫摻碎石比水泥穩(wěn)定砂礫高，水泥穩(wěn)定破碎砂礫比水泥穩(wěn)定砂礫高。統(tǒng)裝集料的種類對基層的強(qiáng)度影響較大，級配集料之間的強(qiáng)度差別較小，即級配集料的種類對基層強(qiáng)度的影響較小，而且盡管水泥穩(wěn)定級配集料其養(yǎng)生溫度低(低5℃)，但強(qiáng)度仍與穩(wěn)定統(tǒng)料相當(dāng)。因此得出:級配是影響強(qiáng)度的主要因素，其次才是集料的破碎面和粗糙度和棱角性。

1.1.3 集料中0.075mm 以下顆粒含量對路面基層材料性能的影響

隨著細(xì)顆粒的增加，最佳含水量增加，但最大干密度在3.8%處有最大值。強(qiáng)度隨之減小，在含量不超過6.8%時(shí)保證值降低不明顯，但超過后就急劇下降。因此認(rèn)為在這種集料里細(xì)顆粒的含量對強(qiáng)度的形成很不利。0.075mm 以下顆粒的含量對路面基層材料的抗裂性也具有不利影響。因此在路面基層材料集料選擇時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范控制0.075mm 以下顆粒的含量，當(dāng)0.6mm 以下的細(xì)顆粒有塑指時(shí)0.075mm 以下顆粒含量應(yīng)小于5%，當(dāng)0.6mm 以下的細(xì)顆粒無塑指時(shí)應(yīng)小于7%。

1.2 基層材料組成與配合比優(yōu)化

上基層用水泥穩(wěn)定碎石，礦渣水泥摻量為6.0%，AGS 摻量為5.5%。

下基層用水泥穩(wěn)定碎石或砂礫，用礦渣水泥穩(wěn)定碎石時(shí)水泥摻量為5.0%，用AGS 穩(wěn)定碎石時(shí)水泥摻量為4.5%，用礦渣水泥穩(wěn)定砂礫或碎石摻砂礫時(shí)水泥摻量為5.5%，用AGS 穩(wěn)定時(shí)水泥摻量為5.0%。

底基層用水泥穩(wěn)定碎石時(shí)礦渣水泥摻量為4.5%，用水泥穩(wěn)定砂礫或碎石摻砂礫時(shí)礦渣水泥摻量為5.0%。

2 磷石膏改性二灰穩(wěn)定粒料基層材料

2.1 磷石膏二灰與二灰的對比研究

在二灰中摻入適量磷石膏，7d、28d 強(qiáng)度均可提高50%以上。當(dāng)磷石膏:粉煤灰為1:1 時(shí)，其7d 強(qiáng)度最高;而當(dāng)磷石膏:粉煤灰為1:3 時(shí)，7d 強(qiáng)度比前者約低7%，但28d 強(qiáng)度比前者高28%;當(dāng)磷石膏:粉煤灰為3:l 時(shí)，其7d、28d 強(qiáng)度均大幅度降低，與二灰強(qiáng)度相近。

當(dāng)石灰摻量在6%～10%時(shí)，石灰摻量對磷石膏二灰強(qiáng)度的影響不大;當(dāng)石灰摻量超過10%時(shí)，其7d 強(qiáng)度小幅下降，但28d 強(qiáng)度稍有增長。

磷石膏二灰配比范圍確定為:石灰摻量6%～10%、磷石膏:粉煤灰為l:1-1:3。

2.2 磷石膏二灰穩(wěn)定粒料與二灰穩(wěn)定粒料的對比研究

磷石膏摻量對磷石膏二灰粒料的強(qiáng)度影響較大。當(dāng)磷石膏:粉煤灰約為1:3 時(shí)，可獲得較高的強(qiáng)度，與二灰粒料相比:當(dāng)粒料為砂礫時(shí)，可提高7d 強(qiáng)度50%;當(dāng)粒料為碎石時(shí)，可提高7d強(qiáng)度80%。當(dāng)磷石膏:粉煤灰比為1:1 時(shí)，強(qiáng)度仍有明顯增長;但當(dāng)磷石膏:粉煤灰達(dá)3:1 后，磷石膏二灰粒料強(qiáng)度反而比二灰粒料強(qiáng)度低。

石灰摻量對磷石膏二灰粒料強(qiáng)度影響不大，當(dāng)石灰摻量分別為9%、7%、5%，其強(qiáng)度變化不大，而石灰摻量為9%時(shí)，強(qiáng)度反而降低。

用砂礫、碎石配制的密實(shí)型、懸浮型的二灰穩(wěn)定粒料強(qiáng)度、磷石膏二灰穩(wěn)定粒料的強(qiáng)度均相近，只是磷石膏對二灰穩(wěn)定碎石的增強(qiáng)效果更好。但若考慮到基層的抗裂性能，建議采用密實(shí)型結(jié)構(gòu)。

2.3 磷石膏二灰的水穩(wěn)性研究

兩種材料在保溫保濕條件下的強(qiáng)度最高，泡水后均有不同程度的降低，且隨著泡水時(shí)間的提前和泡水時(shí)間的增加，強(qiáng)度降幅增加。在二灰中加入磷石膏后，水穩(wěn)性有較大改善。

2.4 石膏二灰的早強(qiáng)機(jī)理

粉煤灰中含有大量的Al2O3、SiO2、Fe2O3等氧化物，而消石灰中主要成份是Ca(OH)2。當(dāng)石灰與粉煤灰混合后，在一定條件下可發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成具有膠凝作用的水化硅、鋁酸鈣。而這一過程在常溫條件下相當(dāng)緩慢，導(dǎo)致二灰的早期強(qiáng)度相當(dāng)?shù)汀．?dāng)在二灰中摻入磷石膏(CaSO4·2H2O)時(shí)，不僅能夠激發(fā)粉煤灰的活性，加快反應(yīng)速度，而且磷石膏可以與二灰發(fā)生反應(yīng)生成三硫型鈣礬石，在膠體中具有晶化作用，可以加快晶體骨架的形成，提高其早期強(qiáng)度。

粉煤灰磷石膏路面基層材料是一種多孔的材料，AFt 呈針棒狀，其形成與生長會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹，有利于材料內(nèi)部粒料結(jié)構(gòu)連接的形成[2]，SO4

-2離子的存在可激發(fā)粉煤灰的火山灰活性，加快反應(yīng)的進(jìn)程。磷石膏呈針狀、板狀等形貌，而粉煤灰多數(shù)呈球狀，磷石膏粉煤灰固結(jié)材料中顆粒之間較大的內(nèi)摩擦力，也有利于其強(qiáng)度的形成。

3 施工工藝與質(zhì)量控制

1）集料的制備

含泥量是影響水泥穩(wěn)定粒料收縮的主要因素之一，因此應(yīng)嚴(yán)格消除集料中的泥土。在輝綠巖碎石生產(chǎn)中，將廢棄的輝綠巖雜石先通過喂料機(jī)，篩去10mrn 以下顆粒，以清除碎石中泥土，再進(jìn)行破碎、分級。

2）混合料控制

主要控制混合料的計(jì)量精確度。混合料的含水量、水泥用量和級配，都是影響水泥穩(wěn)定粒料收縮的主要因素。因此，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比控制，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)迅速調(diào)整，需特別指出的是:含水量是指攤鋪完成后碾壓時(shí)混合料的含水量。因此，在拌合過程中，應(yīng)根據(jù)天氣和運(yùn)輸情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使碾壓時(shí)混合料的含水量接近最佳含水量。

3）攤鋪與碾壓

通過精心操作，消除混合料在攤鋪過程中的離析和花白現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行人工拌合或鏟除處理。碾壓時(shí)嚴(yán)格按照試驗(yàn)所確定的碾壓工藝和碾壓遍數(shù)，并同步用灌砂法檢測壓實(shí)度。如果壓實(shí)度沒有到達(dá)規(guī)定值，則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次碾壓，直至達(dá)到規(guī)定值。

4）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

通常的灑水養(yǎng)生方法容易造成忽干忽濕，引起脹縮循環(huán)造成開裂。因此應(yīng)采用麻袋或薄膜覆蓋養(yǎng)生，以保持基層濕度的相對穩(wěn)定。

5）及時(shí)覆蓋上結(jié)構(gòu)層

當(dāng)基層的某一結(jié)構(gòu)層養(yǎng)生期結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)覆蓋上面的結(jié)構(gòu)層，這樣基層的溫度可長期保持穩(wěn)定，同時(shí)基層內(nèi)溫度受氣候變化的影響變小，從而提供了一個(gè)相對保溫保濕的條件。

4 結(jié)論

1）水泥穩(wěn)定類強(qiáng)度隨水泥摻量的增加呈較好的線性遞增關(guān)系，AGS 穩(wěn)定粒料的劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于礦渣硅酸鹽水泥穩(wěn)定粒料的劈裂強(qiáng)度。水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度高于水泥穩(wěn)定砂礫摻碎石的劈裂強(qiáng)度，高于水泥穩(wěn)定砂礫的劈裂強(qiáng)度。

2）隨著細(xì)顆粒含量的增加，最佳含水量增加，最大干密度在3.8%有最值，而強(qiáng)度隨之減小，當(dāng)超過6.8%時(shí)，急劇下降。因此，在路面基層材料集料選擇時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范控制細(xì)顆粒的含量。

3）通過下列措施可以減少和預(yù)防水泥穩(wěn)定粒料基層的開裂:

(l)優(yōu)選原材料：嚴(yán)格控制粒料質(zhì)量；選擇合適的水泥。

(2)優(yōu)化配合比，在保證強(qiáng)度的前提下降低水泥用量。

(3)嚴(yán)格控制施工配合比和選擇合適的施工時(shí)間。

(4)選擇合理的碾壓工藝，保證壓實(shí)度。未充分壓實(shí)的混合料可導(dǎo)致局部區(qū)域孔隙率偏高，從而影響基層強(qiáng)度、抗凍性、溫縮性能和干縮性能以及抗疲勞性能。

(5)加強(qiáng)養(yǎng)生，及時(shí)覆蓋上一結(jié)構(gòu)層，避免長時(shí)間暴露。

4）提高二灰穩(wěn)定粒料早期強(qiáng)度最有效，最經(jīng)濟(jì)的方法是摻入工業(yè)廢渣磷石膏。二灰粒料中加入磷石膏，火山灰反應(yīng)速度大大加快，其水化物組成更加合理。磷石膏改性二灰粒料無論是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度都有較大提高，可達(dá)50%～80%。而且其水穩(wěn)性、抗沖刷性均有較大改善。

5）綜合考慮早期、后期強(qiáng)度及其它性能，磷石膏二灰及磷石膏二灰穩(wěn)定粒料中，磷石膏與粉煤灰比宜控制在1:3-1:2，石灰用量宜控制在6%～8%。

6）合理的施工工藝和完善的質(zhì)量控制體系是路面基層質(zhì)量的關(guān)鍵。

[1]將應(yīng)軍.水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫防治研究.長安大學(xué)碩士論文.2001

[2]沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面.人民交通出版社，1998

[3]張嘎吱.考慮抗裂性的水泥穩(wěn)定類材料配合比設(shè)計(jì)方法研究.長安大學(xué)，2001