水泥穩定碎石和二灰碎石在城市道路路面基層中的應用比較

程思勝

（徐州市政建設集團有限責任公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的高速發展，城市化進程在不斷加快，城市道路的基建工作在如火如荼的開展，為了應對日益增長的交通量，保障市民的出行，城市道路的結構質量無疑起到很重要的作用，要提高城市道路的承載力，城市道路路面基層采用何種形式顯得尤為重要。路面基層是指直接位于瀝青面層或水泥混凝土面層下，用高質量材料填筑的主要承重層，路面基層是路面結構的主要承重層，它應具有足夠的強度和剛度，并具有良好的承載力、抗沖刷能力、水穩定性、干縮性能、疲勞性能。高等級路面基層主要包括水泥穩定碎石、石灰粉煤灰穩定碎石（以下簡稱二灰碎石）等，水泥穩定碎石和二灰碎石材料均屬于半剛性基層，都是城市道路路面基層中常用的材料。本文根據筆者的施工經驗對兩種材料的優缺點進行綜合分析比較，有利于在不同情況下的選擇使用[1-4]。

1 水泥穩定碎石和二灰碎石的各項技術參數比較

1.1 密實結構類型及組成比例

水泥穩定碎石、二灰碎石，按照級配類型可分為骨架密實型和懸浮密實型結構。

1.1.1 骨架密實型

碎石在壓實混合料中起到“骨架作用”，碎石用量在80%以上，最大粒徑較小，要求有一定的級配，粗集料之間緊密相連，而且有較多空隙，水泥，石灰粉煤灰起到填充空隙和膠結作用，水泥穩定碎石，水泥與碎石之比一般為3∶97～6∶94，由于水泥過多會產生裂縫，水泥一般不宜超過6%，水泥穩定碎石的最大干密度為2.2～-2.4 t/m3,最佳含水量在3%～5%之間，二灰碎石中二灰與碎石之比為15∶85～20∶80，而石灰和粉煤灰配比一般為1∶2～1∶3，常用的配比為 6；14∶80和 6∶12∶82，最佳含水量在7%～8%之間，最大干密度在2.0～2.2 t/m3，骨架密實型結構下的水泥穩定碎石強度和二灰碎石強度最大。

1.1.2 懸浮密實型結構

碎石在壓實混合料中處于“懸浮狀態”，粗集料被細集料擠開，密實度較高，但穩定性較差，碎石用量在50%左右，此種結構可選擇最大粒徑較大的碎石，級配要求不高，易形成板體，強度差別不大，粒徑較小的石屑用量較大，但干縮性較大、抗裂性能差、抗沖刷性能相比骨架密實型要差，抗凍性及耐磨性較差。

1.2 強度反應機理

兩者均以級配碎石作為骨料，采用一定數量的膠凝材料和足夠的灰漿體積填充骨料的空隙，按照嵌擠原理攤鋪壓實，其壓實度接近于密實度，強度主要靠碎石間的嵌擠鎖結原理，同時由足夠的灰漿體積來填充骨料的空隙。水泥穩定碎石中水泥與集料拌合后，水泥與水發生強烈的水解和水化作用，同時從溶液中分解出Ca（OH）2并形成水化物，在水泥水化后的膠體中，Ca（OH）2、Ca2+與構成集料中的 CaCO3、SiO2表面的 Na+、K+進行離子交換，在堿性環境下，組成礦物的SiO2和AI2O3的一部分與Ca2+進行化學反應，生成不溶于水的結晶礦物CaOSiO2nH2O，CaOAl2O3nH2O，同時水泥水化物中游離的Ca（OH）2不斷吸收水中的H2CO3和空氣中的CO2，生成CaCO3,這種反應使集料固結，提高集料強度。因此水泥穩定碎石強度的形成包含了水泥的水解水化作用、離子交換作用、硬凝反應和碳酸化作用。二灰碎石則是通過石灰漿體中的 Ca（OH）2、Ca2+與粉煤灰中的 SiO2和 Al2O3反應，產生離子交換和物理化學反應，經骨料緊緊膠結，形成結晶礦物CaOSiO2nH2O和CaOAl2O3nH2O，同時石灰漿體中游離的Ca（OH）2不斷吸收水中的H2CO3和空氣中的CO2，生成CaCO3，同樣使集料固結，提高集料強度。

由于水泥的水化反應較快，這也是水穩早期強度高于二灰碎石的原因。

1.3 承載能力

水泥穩定碎石及二灰碎石的承載能力主要通過無側限抗壓強度表示（見表1），水泥穩定碎石的早期強度較高，二灰碎石早期強度比水穩差很多，隨著齡期的增加，二灰碎石的強度在不斷增長，實際上由于城市道路交通量大，荷載較為頻繁，城市道路工期一般很緊，或二灰碎石剛達到7 d強度，就要攤鋪瀝青混凝土開放交通，二灰碎石在不間斷的荷載作用下，后期強度增長會受到很大限制，甚至沒來得及增長之前，二灰碎石基層受到破壞，由于二灰碎石中含有石灰，當瀝青面層級配不夠好時候，水易通過瀝青混凝土滲透到二灰碎石頂面，在大量過往車輛的反復碾壓下，石灰易形成道路唧漿，透過瀝青路面泛漿，形成白色一片，進而形成局部龜裂，瀝青脫落，損毀。

表1 無機結合料穩定材料7 d無側限

1.4 抗沖刷能力和抗凍性

水泥穩定碎石與二灰碎石相比，其抗沖刷能力要優于二灰碎石，兩種級配類型中，由于懸浮密實型細集料較多，在荷載作用下，易脫落，骨架密實型結構要遠遠好于懸浮密實型結構。由于水泥穩定碎石的強度高于二灰碎石，水泥穩定碎石的抗凍性也要遠遠好于二灰碎石。

1.5 抗疲勞性能

水泥穩定碎石和二灰碎石同屬于半剛性材料，根據相關經驗數據，水泥穩定碎石的抗疲勞性能要稍弱于二灰碎石。

1.6 干縮性能

水泥穩定碎石的干縮應變要大于二灰碎石，這主要由于水泥的干縮應變大于石灰造成的，因此在進行級配時，要嚴格控制水泥用量，采用骨架密實型結構，對水穩采取全覆蓋保濕養護，盡可能減少因水泥的干縮應變而導致的裂縫。

二灰碎石基層具有較高的強度、板體性能，由于其含有粉煤灰，比其他基層材料有較高的抗裂性能，應用二灰碎石可以變廢為寶，減少工業廢渣對環境的危害。

2 水泥穩定碎石與二灰碎石的造價對比

根據徐州市近期2019.1月份的造價信息，水泥穩定碎石（水泥：碎石4.5∶95.5/3∶97的單價在142/140元/t），二灰碎石8∶12∶82的單價在141元/t。水穩的最大干密度為2.31 t/m3，二灰碎石的最大干密度為 2.1 t/m3，見表2。

表2 100 m2厚度為18 cm的水泥穩定碎石和二灰碎石造價對比 單價（元/t）

3 水泥穩定碎石與二灰碎石施工難易度對比

由于水穩中含有水泥等膠凝材料，因而要求整個施工過程要在水泥初凝前完成，水泥的初凝時間不低于3 h，終凝時間不低于6 h，并且要一次性達到質量標準，否則不易修正，此外水穩基層的最佳含水量在3%～5%之間，取值區間很小，水泥劑量如果高出此范圍容易導致水穩出現干縮裂縫，水泥劑量低于此范圍又不能達到強度要求，因而施工中要求加強施工組織管理，提高現場施工人員的緊迫感和責任感，加快施工進度，加大機械化施工水平，提高作業效率。二灰碎石在施工中沒有初凝時間和終凝時間的要求，這也是二灰碎石的一大優勢。

4 和下一道工序的銜接時間對比

在搶工或工期緊的情況下，二灰碎石可采取流水作業，即二灰碎石底基層鋪設完能成后，由于不存在初凝及終凝的影響，第二天可以進行二灰碎石上基層施工，養生期間，進行正常的灑水養護，7 d后，采取底上基層同時取芯并作檢測，但是生石灰進場后需要消解不小于7 d，由于水穩中含水泥，受水泥的初凝時間和終凝時間影響控制，理論上水穩不具備流水作業的可能性，如果要兩層先后鋪設，必須保證在水泥初凝時間內完成，這會給施工組織帶來更大的挑戰，需要更快，組織更加嚴密。一般為保證工程質量，水穩必須保證取芯且能滿足設計要求的抗壓強度指標后，才能進行下一道工序施工，一般需要5～7 d，溫度低時，時間更長些。

5 受封閉交通的影響對比

由于二灰碎石成型慢，強度上漲時間周期長，過去認為二灰碎石養生期間，城市道路中在不能封閉交通的情況下，車輛在通行過程中不會對二灰碎石有破壞性影響，而水穩一旦被車輛碾壓，就是破壞性的，不可逆的，這種觀點是錯誤的，水泥穩定碎石和二灰碎石都需要封閉養護，如果認為二灰碎石強度增長較慢，就可以通車，這會導致二灰碎石早期強度達不到設計要求之前就受到破壞，這將給質量帶來嚴重隱患。

6 結語

通過對水泥穩定碎石與二灰碎石的技術參數、造價、施工難易度對比相比較，可以得出，兩者造價相差不大，二灰碎石雖然易于施工操作，具備流水施工操作條件，但水穩對重載交通承受力更強，且早期強度更高。二灰碎石的干縮性能較好，二灰碎石的抗疲勞性能比水泥穩定碎石略好，但是水泥穩定碎石的抗彎拉強度比二灰碎石高，可以彌補疲勞壽命衰減過快的不足。并且通過級配，減少水泥用量或適量加粉煤灰以便減少干縮裂縫的出現。在冰凍多雨的潮濕地區，二灰碎石宜用在特重、重交通的下基層。不宜用在上基層，因此在城市道路施工中，為保證質量，建議采取水泥穩定碎石，同時需要加強組織管理，確保水泥穩定碎石的質量得以實現。