骨架密實結構低劑量水泥穩定碎石抗裂基層技術研究

靳志宇

摘 要：針對水泥穩定碎石的抗裂能力和強度要求，用振動法進行了混合料級配優化，并結合室內試驗結果確定了實體工程采用的配料比。實體工程的現場檢測結果表明，經振動壓實的骨架密度結構低劑量水泥穩定碎石混合料的強度、抗裂性能與室內試驗結果基本一致，基層抗裂性能得到明顯提高。

關鍵詞：水泥穩定碎石；抗裂；振動法；骨架密實結構

中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：B

0 引 言

半剛性基層具有強度高、板體性好、穩定性高及建設成本低的優點，但在實際使用中存在一些不足。目前，半剛性基層的突出問題是由于材料組成設計不佳或施工中關鍵工序控制不力而引起的開裂問題，以及由此引發的其他路面病害[1]。長期以來，中國在半剛性基層抗裂方面的研究主要從材料入手，也取得了一些成績，但總體來講，實體工程并沒有取得突破性的進展。成型方式的變革、級配的優化使半剛性基層抗裂性能取得了突破性的進展。本文依托大廣線濮陽段高速公路，對骨架密實結構低劑量水泥穩定碎石抗裂基層技術進行了研究。

1 原材料性質

1.1 水泥

采用當地孟電325#水泥，技術指標見表1。

1.2 石料

石料采用當地石灰巖，經檢測，粗集料壓碎值為7.9%，滿足規范中的要求（不大于30%）。

2 室內試驗

2.1 成型方式

室內材料配比設計中需要成型小型試件，并對其物理、力學以及相應的路用性能進行試驗、測試[2]。盡可能使室內試件成型的方式與現場碾壓方式匹配，才能測得室內、外一致的最大干密度、最佳含水量和無側限抗壓強度，才能有效控制現場質量[3]。

長安大學沙愛民教授研制了室內道路材料振動壓實機，該機較好地模擬了振動壓路機的工作原理，并且具備更靈活的振動參數調節范圍。采用變頻器實現振動頻率的無級可調，根據振動壓路機常用的頻率和材料固有的頻率范圍，選擇頻率范圍為0～50 Hz；為減少振動對電機和變頻系統的破壞作用及控制壓實系統的質量，使系統能夠模擬較小靜面壓力下的振動壓實狀況，在設計時將電機和變頻系統移出，采用軟軸和萬向節傳動。研究所用的振動壓實成型機械時間范圍確定為0～15 min，振動頻率為30 Hz，偏心塊夾角為30°，激振力為7 612 N，靜面壓力為140 kPa，振幅為1.4 mm，振動總時間為2 min。

與重型擊實法相比，無論是懸浮結構還是骨架密實結構的水泥穩定碎石，振動法所確定的最佳含水量、最大干密度均增大。研究發現，用振動試驗測得的最大干密度比重型擊實儀和表面振動壓實儀分別提高3%和5%。試驗采用了相同的材料、相同的水泥劑量，分別用重型擊實、表面振動壓實儀和振動儀三種方式成型，最大干密度如表2所示。

2.2 混合料性能試驗

2.2.1 試驗級配的確定

骨架密實結構水泥穩定碎石材料中粗集料占很大比例（60%以上），粗顆粒之間互相嵌擠，形成骨架，故表現出與普通懸浮密實結構不同的力學性質和路用性能。根據相關研究成果，針對工程所用各檔集料的級配組成，提出了級配范圍（表3），并對其上、下限級配進行了體積參數分析，結果見表4。試驗結果表明：上限級配振動成型試件VCAmix處于松堆及插搗VCA之間，下限級配VCAmix小于插搗VCA，說明上、下限級配均為骨架密實型級配。與規范級配范圍相比，提出的級配范圍具有如下特點。

（1） 4.75 mm通過率降低，粗集料含量增加，使得在級配范圍內能形成骨架密實結構混合料。

（2） 19～4.75 mm集料所占比例較大，粗集料自身組成合理，可避免現場攤鋪及碾壓時產生離析。

（3） 0.6 mm以下粉料含量相對較低。在試驗中同時用目前規范中推薦的懸浮密實結構進行對比，最終確定的試驗級配見表5。

2.2.2 強度試驗

研究選用A（懸浮密實結構）、B（骨架密實結構）兩種級配，用振動法確定最佳含水量及最大干密度后分別采用振動法和靜壓法成型試件，測試7 d無側限抗壓強度。試驗結果見表6、7。

由試驗結果可以得出以下結論。

（1）級配B的最佳含水量小于級配A的最佳含水量，而最大干密度大于級配A的最大干密度（平均增大135%）。相同水泥摻量時，級配B的混合料強度明顯高于級配A（平均提高25%）。方差分析結果表明（顯著性水平0.05），振動條件下，級配對強度有顯著影響。

（2） 與規范中的重型擊實法相比，通過振動法確定的最佳含水量、最大干密度均增加。與靜壓法成型試件相比，采用振動法成型的試件無側限抗壓強度大幅度提高，試件強度變異系數降低。骨架密實結構最佳含水量小于懸浮結構的最佳含水量，骨架密實結構的最大干密度大于懸浮結構的最大干密度（平均增大1.35%）；水泥摻量相同時，骨架密實結構的混合料強度明顯高于懸浮結構混合料（平均提高25%）。方差分析結果表明（顯著性水平005），振動條件下，級配對強度有顯著影響。

2.2.3 混合料干縮試驗

振動成型15 cm×15 cm抗壓強度試件（水泥摻量5%），用千分表法測量試件干縮應變，同時成型相同級配及水泥劑量下的靜壓法強度試件，之后對兩者進行比較。試驗結果見圖1、2。

試驗結果表明，相同失水率下A、B兩種級配的振動成型試件的干縮應變及干縮應變均小于靜壓成型試件。這表明振動成型的混合料的抗干縮能力優于靜壓成型混合料。而振動條件下骨架密實結構（級配B）混合料的抗干縮能力最佳。振動成型下，骨架密實結構（級配A）混合料干縮應變及干縮系數最大分別為骨架密實結構（級配B）混合料的1.2～1.25倍。

綜上所述，從各方面比較，骨架密實結構均優于懸浮結構。經過綜合考慮，實體工程采用骨架密實結構水泥穩定碎石（級配B），水泥用量采用3.5%。endprint

3 實體工程應用

3.1 施工質量控制

大廣線濮陽段高速公路采用振動成型法設計的低劑量骨架密實水泥穩定碎石抗裂基層技術取得了較好的效果，采取了以下措施。

（1） 控制原材料質量。

（2） 控制離析[46]。該項目采用的方案為：控制拌和樓出料口與自卸車車斗之間的高差不超過50 cm；自卸車采用前、后、中三次上料；自卸車向攤鋪機供料時快速卸料，以防止大料滾落；減少攤鋪機收斗次數；攤鋪機螺旋布料器前擋板加橡膠墊，防止大料向前滾落，造成上下離析；適當降低攤鋪機熨平板的高度；采用抗離析攤鋪機。

（3） 控制含水量。施工時應根據天氣和季節的變化，嚴格控制含水量。

（4） 加強路面層間粘結。為保證層間粘接，業主撥?？钣糜谙禄鶎优c底基層之間、上基層與下基層之間撒水泥漿，單幅用量為每5 m一袋。

（5） 碾壓。每個標段配1臺28 t以上膠輪壓路機、1臺18～20 t的鋼輪振動壓路機、2臺20 t以上的鋼輪振動壓路機（總數不少于4臺），疊二分之一輪，速度小于4 km·h-1，碾壓8遍（振壓不少于6遍），邊沿用手持夯補壓。

（6） 控制級配。各標段每4 h做一次原材料篩分和攤鋪機后取樣篩分，確保生產配合比變異小，設專人監控配合比。

3.2 應用情況

3.2.1 強度

以下是大廣線濮陽段高速公路基層施工段抗壓強度的檢測結果，混合料設計水泥劑量為3.5%，施工控制水泥劑量為4.0%，強度檢測結果見表8。

綜合7個標段的統計資料，強度規律如下。

（1） 相同的水泥劑量（4%）下，各標段的室內靜壓成型試驗7 d無側限抗壓強度在4.8～5.6 MPa之間，振動成型7 d無側限抗壓強度在6.8～8.0 MPa之間，前者為后者的1.5～1.8倍。

（2） 相同的水泥劑量（4%）下，7 d取芯無側限抗壓強度在5～8 MPa左右，與振動成型7 d無側限抗壓強度比較接近。

（3） 相同的水泥劑量（4%）下，冬季7 d取芯無側限抗壓強度一般在5～6 MPa之間，28 d取芯無側限抗壓強度在7～9 MPa之間，前者為后者的50%～60%。

3.2.2 裂縫情況

大廣線濮陽段高速公路全線共分為7個土建標段進行基層施工，從裂縫情況來看，1標、7標最好，2、4、6標次之，相對而言3標、5標裂縫較多，但與傳統的基層施工效果相比，裂縫間距大大提高。從施工季節來看，冬季施工裂縫較多，春、秋、夏3個季節施工裂縫較少。

此外，大廣線濮陽段全線60 km，基層寬度為27 m，厚度為0.36 m，施工水泥劑量為4%～45%，而常規施工水泥劑量為55%～6%，該工藝可節約水泥15%，全線共節約水泥21 465 t，若1 t水泥成本以260元計，全線可節約水泥成本558萬元。

4 結 語

（1） 改變室內混合料成型方式，使室內試驗與現場振動碾壓施工基本一致，用室內振動成型的最大理論干密度控制現場壓實度；室內振動成型試件的強度與現場取芯的強度一致，說明用室內強度控制室外強度可以實現。

（2） 振動成型方式降低了水泥添加劑量，最佳含水量變小，強度增長均勻，收縮產生的應力均勻，應力集中小，基層抵抗開裂的能力增強。

（3） 振動成型最大干密度提高后，壓實度相應提高，混合料間的粘結力增大，抵抗拉應力的能力增強；同時壓實度提高后混合料的空隙減少，干縮量減小，干縮應力減小。

（4） 現行規范基層混合料的級配范圍屬于懸浮密實結構，且其中0.075 mm以下粉料含量較多，采用骨架密實型結構、并控制0.075 mm以下粉料含量，能夠有效減少基層開裂。

（5） 實體工程應用表明，采用振動法設計的骨架密實結構低劑量水泥穩定碎石基層可以提高基層抗裂性、節約工程造價。

參考文獻：

[1] 沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] JTJ 057—94，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[3] JTJ 051—93，公路土工試驗規程[S].

[4] 沙愛民，賈 侃，李小剛.半剛性基層材料的疲勞特性[J].交通運輸工程學報，2009，9（3）：2933.

[5] 王 艷，倪富健，李再新.水泥穩定碎石混合料疲勞性能[J].交通運輸工程學報，2009，9（4）：1014.

[6] 盧明波，訾繪霞.水泥穩定碎石離析控制及壓實工藝優化[J].筑路機械與施工機械化，2012，28（8）：4547.

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3 實體工程應用

3.1 施工質量控制

大廣線濮陽段高速公路采用振動成型法設計的低劑量骨架密實水泥穩定碎石抗裂基層技術取得了較好的效果，采取了以下措施。

（1） 控制原材料質量。

（2） 控制離析[46]。該項目采用的方案為：控制拌和樓出料口與自卸車車斗之間的高差不超過50 cm；自卸車采用前、后、中三次上料；自卸車向攤鋪機供料時快速卸料，以防止大料滾落；減少攤鋪機收斗次數；攤鋪機螺旋布料器前擋板加橡膠墊，防止大料向前滾落，造成上下離析；適當降低攤鋪機熨平板的高度；采用抗離析攤鋪機。

（3） 控制含水量。施工時應根據天氣和季節的變化，嚴格控制含水量。

（4） 加強路面層間粘結。為保證層間粘接，業主撥?？钣糜谙禄鶎优c底基層之間、上基層與下基層之間撒水泥漿，單幅用量為每5 m一袋。

（5） 碾壓。每個標段配1臺28 t以上膠輪壓路機、1臺18～20 t的鋼輪振動壓路機、2臺20 t以上的鋼輪振動壓路機（總數不少于4臺），疊二分之一輪，速度小于4 km·h-1，碾壓8遍（振壓不少于6遍），邊沿用手持夯補壓。

（6） 控制級配。各標段每4 h做一次原材料篩分和攤鋪機后取樣篩分，確保生產配合比變異小，設專人監控配合比。

3.2 應用情況

3.2.1 強度

以下是大廣線濮陽段高速公路基層施工段抗壓強度的檢測結果，混合料設計水泥劑量為3.5%，施工控制水泥劑量為4.0%，強度檢測結果見表8。

綜合7個標段的統計資料，強度規律如下。

（1） 相同的水泥劑量（4%）下，各標段的室內靜壓成型試驗7 d無側限抗壓強度在4.8～5.6 MPa之間，振動成型7 d無側限抗壓強度在6.8～8.0 MPa之間，前者為后者的1.5～1.8倍。

（2） 相同的水泥劑量（4%）下，7 d取芯無側限抗壓強度在5～8 MPa左右，與振動成型7 d無側限抗壓強度比較接近。

（3） 相同的水泥劑量（4%）下，冬季7 d取芯無側限抗壓強度一般在5～6 MPa之間，28 d取芯無側限抗壓強度在7～9 MPa之間，前者為后者的50%～60%。

3.2.2 裂縫情況

大廣線濮陽段高速公路全線共分為7個土建標段進行基層施工，從裂縫情況來看，1標、7標最好，2、4、6標次之，相對而言3標、5標裂縫較多，但與傳統的基層施工效果相比，裂縫間距大大提高。從施工季節來看，冬季施工裂縫較多，春、秋、夏3個季節施工裂縫較少。

此外，大廣線濮陽段全線60 km，基層寬度為27 m，厚度為0.36 m，施工水泥劑量為4%～45%，而常規施工水泥劑量為55%～6%，該工藝可節約水泥15%，全線共節約水泥21 465 t，若1 t水泥成本以260元計，全線可節約水泥成本558萬元。

4 結 語

（1） 改變室內混合料成型方式，使室內試驗與現場振動碾壓施工基本一致，用室內振動成型的最大理論干密度控制現場壓實度；室內振動成型試件的強度與現場取芯的強度一致，說明用室內強度控制室外強度可以實現。

（2） 振動成型方式降低了水泥添加劑量，最佳含水量變小，強度增長均勻，收縮產生的應力均勻，應力集中小，基層抵抗開裂的能力增強。

（3） 振動成型最大干密度提高后，壓實度相應提高，混合料間的粘結力增大，抵抗拉應力的能力增強；同時壓實度提高后混合料的空隙減少，干縮量減小，干縮應力減小。

（4） 現行規范基層混合料的級配范圍屬于懸浮密實結構，且其中0.075 mm以下粉料含量較多，采用骨架密實型結構、并控制0.075 mm以下粉料含量，能夠有效減少基層開裂。

（5） 實體工程應用表明，采用振動法設計的骨架密實結構低劑量水泥穩定碎石基層可以提高基層抗裂性、節約工程造價。

參考文獻：

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[2] JTJ 057—94，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[3] JTJ 051—93，公路土工試驗規程[S].

[4] 沙愛民，賈 侃，李小剛.半剛性基層材料的疲勞特性[J].交通運輸工程學報，2009，9（3）：2933.

[5] 王 艷，倪富健，李再新.水泥穩定碎石混合料疲勞性能[J].交通運輸工程學報，2009，9（4）：1014.

[6] 盧明波，訾繪霞.水泥穩定碎石離析控制及壓實工藝優化[J].筑路機械與施工機械化，2012，28（8）：4547.

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3 實體工程應用

3.1 施工質量控制

大廣線濮陽段高速公路采用振動成型法設計的低劑量骨架密實水泥穩定碎石抗裂基層技術取得了較好的效果，采取了以下措施。

（1） 控制原材料質量。

（2） 控制離析[46]。該項目采用的方案為：控制拌和樓出料口與自卸車車斗之間的高差不超過50 cm；自卸車采用前、后、中三次上料；自卸車向攤鋪機供料時快速卸料，以防止大料滾落；減少攤鋪機收斗次數；攤鋪機螺旋布料器前擋板加橡膠墊，防止大料向前滾落，造成上下離析；適當降低攤鋪機熨平板的高度；采用抗離析攤鋪機。

（3） 控制含水量。施工時應根據天氣和季節的變化，嚴格控制含水量。

（4） 加強路面層間粘結。為保證層間粘接，業主撥?？钣糜谙禄鶎优c底基層之間、上基層與下基層之間撒水泥漿，單幅用量為每5 m一袋。

（5） 碾壓。每個標段配1臺28 t以上膠輪壓路機、1臺18～20 t的鋼輪振動壓路機、2臺20 t以上的鋼輪振動壓路機（總數不少于4臺），疊二分之一輪，速度小于4 km·h-1，碾壓8遍（振壓不少于6遍），邊沿用手持夯補壓。

（6） 控制級配。各標段每4 h做一次原材料篩分和攤鋪機后取樣篩分，確保生產配合比變異小，設專人監控配合比。

3.2 應用情況

3.2.1 強度

以下是大廣線濮陽段高速公路基層施工段抗壓強度的檢測結果，混合料設計水泥劑量為3.5%，施工控制水泥劑量為4.0%，強度檢測結果見表8。

綜合7個標段的統計資料，強度規律如下。

（1） 相同的水泥劑量（4%）下，各標段的室內靜壓成型試驗7 d無側限抗壓強度在4.8～5.6 MPa之間，振動成型7 d無側限抗壓強度在6.8～8.0 MPa之間，前者為后者的1.5～1.8倍。

（2） 相同的水泥劑量（4%）下，7 d取芯無側限抗壓強度在5～8 MPa左右，與振動成型7 d無側限抗壓強度比較接近。

（3） 相同的水泥劑量（4%）下，冬季7 d取芯無側限抗壓強度一般在5～6 MPa之間，28 d取芯無側限抗壓強度在7～9 MPa之間，前者為后者的50%～60%。

3.2.2 裂縫情況

大廣線濮陽段高速公路全線共分為7個土建標段進行基層施工，從裂縫情況來看，1標、7標最好，2、4、6標次之，相對而言3標、5標裂縫較多，但與傳統的基層施工效果相比，裂縫間距大大提高。從施工季節來看，冬季施工裂縫較多，春、秋、夏3個季節施工裂縫較少。

此外，大廣線濮陽段全線60 km，基層寬度為27 m，厚度為0.36 m，施工水泥劑量為4%～45%，而常規施工水泥劑量為55%～6%，該工藝可節約水泥15%，全線共節約水泥21 465 t，若1 t水泥成本以260元計，全線可節約水泥成本558萬元。

4 結 語

（1） 改變室內混合料成型方式，使室內試驗與現場振動碾壓施工基本一致，用室內振動成型的最大理論干密度控制現場壓實度；室內振動成型試件的強度與現場取芯的強度一致，說明用室內強度控制室外強度可以實現。

（2） 振動成型方式降低了水泥添加劑量，最佳含水量變小，強度增長均勻，收縮產生的應力均勻，應力集中小，基層抵抗開裂的能力增強。

（3） 振動成型最大干密度提高后，壓實度相應提高，混合料間的粘結力增大，抵抗拉應力的能力增強；同時壓實度提高后混合料的空隙減少，干縮量減小，干縮應力減小。

（4） 現行規范基層混合料的級配范圍屬于懸浮密實結構，且其中0.075 mm以下粉料含量較多，采用骨架密實型結構、并控制0.075 mm以下粉料含量，能夠有效減少基層開裂。

（5） 實體工程應用表明，采用振動法設計的骨架密實結構低劑量水泥穩定碎石基層可以提高基層抗裂性、節約工程造價。

參考文獻：

[1] 沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] JTJ 057—94，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[3] JTJ 051—93，公路土工試驗規程[S].

[4] 沙愛民，賈 侃，李小剛.半剛性基層材料的疲勞特性[J].交通運輸工程學報，2009，9（3）：2933.

[5] 王 艷，倪富健，李再新.水泥穩定碎石混合料疲勞性能[J].交通運輸工程學報，2009，9（4）：1014.

[6] 盧明波，訾繪霞.水泥穩定碎石離析控制及壓實工藝優化[J].筑路機械與施工機械化，2012，28（8）：4547.

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