試論道路水泥穩定基層施工的質量控制要點

孟憲武

（山西路橋集團國際交通建設工程有限公司，山西 太原 030006）

在高等級道路中，無論是瀝青混凝土路面，還是水泥混凝土路面，其下部承重層都是由水泥穩定土材料鋪筑而成。雖然道路上部的荷載（包括車輛及其他路上荷載）直接由道路面層承擔，但道路的經典承載理論顯示，水泥穩定土基層是道路的主要荷載承受層。特別是瀝青混凝土路面，作用在其上的載荷都要經過路面傳遞到下面的水泥穩定土基礎。因此，水泥穩定土基礎也是抵抗道路面層變形的主要結構層。

1 問題的提出

綜上所述，保證水泥穩定土基層的施工質量是十分重要的，其中水穩基礎的材料組成、拌制工藝和攤鋪質量的優劣就成為影響高等級道路總體質量和服務壽命的關鍵因素。眾所周知，由于水泥穩定層處于道路面層的下部（即由上部加鋪的面層所覆蓋），在道路鋪就后的整個道路服務期間一般不會“再現”，因此水泥穩定土材料的質量和施工問題很容易得到忽視。但作為抵抗道路面變形的主要結構層，其質量問題將導致下述結果：

a）水泥穩定層的“不穩”導致道路整體承載能力的下降。

b）早期道路病害，如縱橫網裂、坑槽和松散的大量出現。

c）基礎的薄弱和面層病害勢必導致整個道路的大面積破壞。

長期以來，筆者曾參與山西臨離、長晉和忻黑等多條高等級道路的工程施工，并在現場進行了大量調查，發現水泥穩定土基層的施工作業有諸多急需改進之處。為了保證水泥穩定土基層的施工質量，就必須從材料選擇、穩定土制備和運送、攤鋪施工和后期養生等工序進行質量監控和工藝優化。

2 水泥穩定土基層的原材料

原材料的質量，包括嚴格的級配要求，是保證水泥穩定土混合料總體質量的基礎。不同等級的道路，其水穩層的材料組成也不同。一般講，水泥穩定土基層是由一定級配的礫石、砂、水和水泥等材料拌合而成。水泥和水混合產生水化反應形成凝膠狀物體，并以此作為黏結劑[1]，經拌合與級配礫石和砂等固體顆粒材料混合成水泥穩定土混合料。為了達到要求的強度和使用耐久性，水穩層所用原材料必須嚴格按照設計要求的比例進行配比。如在高等級道路的水泥穩定土基層材料配比時，一般要求路用水泥應使用不低于P42.5的早強型硅酸鹽水泥，且水泥的用量應大于等于0.3 t/m3。筆者曾參與山西大運高速忻州路段的工程施工，由于該路段處于我國北方較寒冷的地區，無霜期較短，為了盡量增大道路施工周期，改善低溫環境水泥穩定土材料的早期強度，采取上述水泥標號和用量比例是十分恰當的，這已在實體道路工程中得到成功的應用。而水穩材料中的細骨料應采用級配良好的硬質中砂（若以塊石粉碎制作，則應以酸性石料，如花崗巖、閃長巖等高硬耐磨石料作為原材料的首選）。砂中的土含量必須小于等于2%。這對于保證水穩材料的制備質量是十分必要的。

3 水穩材料的拌制和運送

作為道路的基層部分，水穩材料是由多種材料混合拌制而成。而水穩材料的拌制工藝直接影響到水穩基層的整體質量，為了保證混合料的拌制質量，應特別注意下述問題。

3.1 采用間歇強制式拌合設備

目前，用于高等級道路施工的水穩材料均采用強制式攪拌設備完成。這種設備分為連續式和間歇式兩種。前者的進料、拌合和出料均為連續完成，作業效率較高。但一旦作業程序輸入完成，在作業過程中就很難進行再控制和再調整，而拌合過程中各種原材料的摻配受到多種因素的影響，因此其拌合質量的控制比較困難。后者為間歇作業式，其每次進料量能夠進行較為精確的稱量控制，且各種材料的稱量均可獨立進行，特別是拌合時間（即物料在拌合裝置中的存留周期）能夠根據需要方便調整。這些特點使得水穩材料的質量容易得到保證。因此，雖然作業效率相對較低，但間歇強制式拌合工藝在高等級道路施工的水穩材料拌制工序得到了更為廣泛的應用。有鑒于目前我國道路施工單位保有大量的連續式強制拌合設備，若將其用于高等級道路施工，筆者建議應特別注意下述技術條件。

3.2 增加二次拌合工序

眾所周知，材料拌合的均勻性與拌合時間成正比，他們之間的關系見圖1所示。

圖1 材料拌合的均勻性與拌合時間的關系

水穩材料拌制的均勻性應達到96%以上，即拌合后的混合料不允許出現任何白料，各種材料必須均勻地互相裹覆在一起，這就要求材料在拌合機中的拌合時間不應小于50 s（見圖1）。而連續式強制拌合設備的作業特點決定了其材料的拌合時間往往小于該值且無法調整。為了達到相應指標，增加二次拌合工序是必要的。二次拌合工序可采用連續式，也可以是間歇式，但后者必須增加一套中間集料系統用于初次拌合后材料的收集。中間集料系統應具有計量和自動出料功能，以便實現系統的自動化作業。其作業工序為：原材料配比加入→連續式拌合→中間集料、計量和出料→二次間歇強制拌合。

增加二次拌合工序可使材料的拌合時間提高一倍左右，水穩材料的制作成本相應增加20%～25%，但卻有效提高了材料的制作質量。如山西大運、汾柳等高速公路和207、308、208等國道的水穩材料拌制和RCC路面（高碾壓混凝土路面）施工中增加二次拌合工序后均有效提高了拌合質量，特別是材料鋪筑后的壓實密實度和早期強度得到明顯提高。

3.3 注意保持材料的含水量

我國北方地區大多地處北緯35°～50°的溫帶，其氣候特點是四季分明，道路施工必須在較為適宜的春末、夏季和秋季進行。這些時節環境溫度較高，各種混合料的溫度易于保持，有利于材料的攤鋪、成型和壓實。但在水穩材料的拌合和成品料輸送過程中的水分蒸發較為迅速。因此，應在材料拌合、集料和成品料輸送過程中對其上部進行覆蓋，以減少水分蒸發，盡可能保持材料的含水量。同時，增加二次拌合工序后使得材料的拌合時間（包括中間集料時間）有所提高，而這些過程通常均為暴露作業，材料中的水分蒸發較多。為了保持其合理的含水量，為后續壓實工序提供必要條件，亦應在原材料配比時適當增加水分加入比例。根據實體工程經驗，一般應在原加水比例基礎上增加2%～5%（視環境溫度、濕度等情況而定）。

4 在面層攤鋪前，應對水穩層上部表面雜質進行徹底清理

道路水穩基層鋪筑的結束，即預示水穩層養生階段的開始。經過養生工序（養生時間依環境溫度的不同差異較大）的水泥穩定基礎才能達到一定的結構強度，才能以足夠的表面承載能力接受加鋪在其上部的道路面層。由于水泥穩定基層鋪筑時的工程施工質量（包括原材料的質量和級配的合理性）及養生期間各種環境的影響（包括灑水的數量和均勻性、表面覆蓋保濕的有效性、作業施工車輛的早期碾壓及各種自然光候的影響等），水穩層表面會出現很多不應有的各種雜質。這些雜質有些是懸浮于面層上的松散物料，有些是黏結在面層上的水泥混合物質。前者是松散物質，后者與路面有一定的黏結強度，因此其在水穩基層表面的存在狀態極不穩定。若無視這些雜質在水穩基層上部直接鋪設道路面層材料，則極易產生弊端。

4.1 產生的弊端

a）雜質存在狀態的不穩定會形成一個介于道路水穩基層和上部面層之間的雜質夾層，使本應良好結合的承重層和磨耗層之間存在互相滑移的趨勢而失穩。由于面層和基層難以形成整體強度而分別受力，因此當道路上部受到較大的荷載時，面層會因受力不勻而變形，嚴重時會出現大面積斷裂[2]。

b）在尚未形成一定的強度前，水穩層表面具有一定硬度的雜質在工程車輛碾壓下會嵌入水穩層內部與其混合，從而改變水穩材料上部的材料配比和礦料粒徑的級配，進而影響水穩基層的設計強度。

c）由于水穩層鋪就和壓實后與上部面層的攤鋪間隔時間較長，各種表面雜質的種類也會多種多樣，尤其是在筆者所在的山西省地處西北山區和丘陵地帶，也是我國的重點煤炭重化工基地之一，如此環境使得不少堅硬質地的煤炭和石料顆粒散落在道路表面。由于這些雜質的硬度較大（其中以閃長巖、花崗巖、玄武巖等酸性石料的硬度更甚），當遇到碾壓和其他較大的荷載時，就會有相當部分被壓嵌進水穩基層的上部而對水穩層的原有強度造成局部消弱。顯然，這也是道路進入使用后早期強度減弱和損壞的重要原因之一。

有鑒于此，在鋪筑面層前對水穩層表面的各種雜質進行徹底清除是十分必要的。

4.2 清除水穩層表面雜質的常用方法

a）以道路清掃設備（純掃或吸掃式）來完成水穩層表面雜質的清除，也可以人工清掃完成作業。

b）若施工地區的水資源（地表水和地下水)較為豐富且容易得到，則采用壓力水對水穩層表面雜質進行沖擊清除。由于施工單位往往保有一定數量的灑水車，其射水壓力多為0.4～0.7 MPa，單車水容量5～10 kL，能夠以射水方式用于路面雜質清除，亦可使這些設備的利用率得到有效提高。

長期的工程實踐表明，上述清除方法的作業效果尚有很多不盡人意之處，如前者難以較徹底地清除較小顆粒的粉狀物體，而我國北方的山西、內蒙和東北地區多為黃土高原、煤炭和礦石產區，在運輸道路上往往造成粉狀物體的散落和大量聚積，因此表面雜質的清除效果較差；后者雖具有相當的水壓沖洗，但對某些黏結在面層上的水泥混合物質仍無能為力，而且由于用水較多也造成了水源的浪費。近年來，針對傳統工藝方法的不足，山西省交通系統研發了以液壓動力鋼絲滾刷強制切除、多級風壓吹送為作業原理的水穩層表面雜質快速清除設備。其整機采用拖行式整架底盤，可由任何20 kW以上功率的車輛牽引作業，作業有效寬度為2 400 mm。整機主要由柴油機、液壓傳動系統、動力鋼絲滾刷、風力吹送系統及其控制部分等組成。專門設計了多級風壓吹送結構（圖2）Δ、δ、和ε表示各風道的進口風壓，由于各進口與高壓風機直接銜接，則其風壓值均處于高位且相等，即Δ=δ=ε；A、B和C、D分別表示風道的長度和寬度。這種結構設計的主要特點是各獨立風道與高壓風機的銜接方式能夠保證在較長的吹送距離上保持較大的吹送風壓[3]。作業時，先由液壓馬達直接驅動的鋼絲滾刷對道路表面雜質進行強力掃除，再由后部的風力吹送系統將雜質吹出路面。

圖2 前后接力多風道吹除作業原理

由于鋼絲滾刷可將黏結在面層上的水泥混合物質打掉，而后由多風道雜質強力吹除方式將各種顆粒（包括粉狀物質）的雜質清出路面，因此能夠較為徹底地完成水穩層表面各種雜質的清除作業（各種雜質的綜合清除率為98%以上）。目前，這種型號為SC-2400的水穩層表面雜質清除設備已在山西大（同）運（城）高速、忻（州）阜（平）高速和忻（州）（五）臺等國道的水穩層表面雜質清除工程中得到了成功應用，有效提高了道路的施工質量。

5 總結

眾所周知，如何保證道路的整體施工質量包括很多方面，但水泥穩定層的施工是其關鍵之一。本文基于工程中遇到的實際問題，從原材料制備、成品料運送、水穩攤鋪和養生等作業工序提出了解決問題的方案和意見，相信隨著道路等級的提高和施工工藝的逐步完善，我國道路的整體建造水平會更快提高。