水泥穩定土和碎石摻拌改良土在公路施工中的應用對比

魯 凱

(中交一公局集團有限公司，北京 100024)

0 引言

隨著“一帶一路”的不斷推進，越來越多的中國基建企業開始在非洲土尋求合作與發展機遇。“要致富，先修路”，越來越多的非洲國家也意識到想要快速發展，便利的交通是不可或缺的先決條件之一，隨著國際社會的幫助和中國政府“一帶一路”的推進，給非洲國家的發展注入了強大的精神與活力，以此為契機，烏干達機場、公路、橋梁、隧道等基礎設施建設項目如雨后春筍般出現。

烏干達公路施工中，應用于底基層的有水泥穩定土、碎石摻拌改良土和天然礫料三種，其中公路工程中又以水泥穩定土和碎石摻拌改良土為主。本文以烏干達某公路M項目為案例，從設計參數、選材用料、施工方案、經濟效益四個方面，對兩種材料作為底基層的施工效果進行對比，得出兩種不同底基層施工方案的優缺點，為烏干達公路項目底基層施工方案選擇提供參考。

1 設計參數對比

以M項目為例，結構層設計驗算中分別采納了南非、肯尼亞和烏干達各自的道路設計規范，最后取最優結果用于最終設計方案。

以參照南非設計規范為例，利用線上驗算軟件Rubicon Toolbox Software 中LET Standard Axle Design Tool驗算工具對水泥穩定土底基層（以下簡稱：水穩土底基層）和碎石摻拌改良土底基層分別進行了相同設計交通荷載等級下的承載力、有效車軸容量等設計參數的驗算和對比。此工具是基于南非道路結構層設計規范的要求，以South African Mechanistic-Empirical Design Method-SAMDM 設計方法進行結構層驗算分析，下文對驗算過程進行簡要介紹。

（1）根據南非道路結構層設計手冊中道路分類確定項目所屬道路類型，根據項目道路設計等級和交通量等參數確定符合上表中Road Category B 類型的相關要求。

（2）M項目結構層設計所要求采用的交通量根據交通調查和分析預測，確定為548 ESALs per day (4.0 million for 20 years design life)，即滿足每日等效標準軸負載548（20年的設計使用年限內能夠滿足400萬等效標準軸負載）。

（3）結構層驗算-水穩土底基層和碎石摻拌底基層參數確定：在LET Standard Axle Design Tool驗算工具中定義每一層的材料類型和模量，按照規范要求，確定水穩土底基層的參數。

由于烏干達規范中水穩土底基層C1.5-C3.0MPa與南非規范中材料代號為C3 的材料相匹配，因此，水穩土底基層材料參數選擇設置為RSA C3 Cement Stabilized，模量為2000MPa。

一天，愛德華多很晚才從街上回家，看到克里斯蒂安的黑馬拴在木樁上。老大穿著他那身最體面的衣服在院子里等他。女人捧著馬黛茶罐進進出出。克里斯蒂安對愛德華多說：“我要到法里亞斯那兒去玩。胡利安娜就留給你啦；如果你喜歡她，你就派她用場吧。”

根據規范要求，需要定義階段二：水穩土底基層在達到設計承載力上限發生開裂后的承載情況，代號為EG4的材料其承載能力與開裂后的C3水穩土底基層承載力相當。

水穩土底基層厚度為200mm時整體結構才能滿足設計交通荷載要求（20年內承受4百萬標準軸負載）。當采用碎石摻拌底基層時，對應的材料選擇G5 Wet代號的材料，其模量為200MPa。

（4）驗算結果分析：采用水泥穩定土底基層的結構層在達到設計承載力上限的驗算結果，軸負載設置為雙輪分別為20kN，750kPa，間距350mm，最后得出有效結構承載能力為2.5百萬標準軸負載，整體結構預計12.5年后達到承載能力上限，即水穩土底基層會發生開裂，承載力下降至與代號EG4材料相持平，即約300MPa。

水穩土底基層的不大于水平拉應變為101，水穩層最不利位置是在水穩土底基層底部和負載之間。結構層整體最不利層為水穩土底基層，在水穩層開裂的情況下，整體結構層有失效的風險。

此階段結構層整體在21.75年后達到設計承載力上限，有效承載能力為1.9百萬標準軸負載，在此階段由于水穩土底基層開裂，導致整體結構最不利層為級配碎石基層，當級配碎石基層開裂后整體結構存在失效的風險。水穩土底基層開裂后其最不利位置為層中和負載之間。綜上所述，水穩土底基層方案（200mm厚度）對應的最不利情況下結構層設計使用壽命能達到21.75年，整體結構交通承載能力為4.4百萬標準軸負載，滿足設計交通荷載要求。

從驗算結果可以看出，采用碎石摻拌/天然粒料底基層的方案，結構層整體承載能力相較于水穩土底基層要低，以至于底基層厚度增加了50mm的情況下才能滿足設計要求，結構層整體承載能力為21.5年內承受4.3百萬標準軸負載。采用碎石摻拌/天然粒料底基層時，結構層整體最不利層為路床，這是因為路床上部結構整體剛度較小所導致的（水穩土底基層剛度達到2000MPa）。

2 選材用料

水泥穩定土是指在滿足一定性能條件的天然礫料中，加入一定摻量的水泥，經過拌合、壓實以及養護等工序后，形成的一種具有良好力學強度和抗雨水沖刷的路面結構。

烏干達公路項目中，通常水泥穩定土應取用等級C1.5，碎石摻拌改良土則應符合G45要求（通常要求天然礫料符合G30要求）。

2.1 基質材料

兩種材料的基質材料均為天然礫料土，兩種材料對天然礫料選用的指標對比見表1。

表1 兩種材料基質天然礫料指標要求

由表1可知，兩種材料對基質材料的CBR要求一致，除化學指標外，碎石摻拌改良土多數指標要求高于水泥穩定土，則在實際生產中，水泥穩定土更易于找到合適的天然礫料料場。

2.2 成品材料

針對成品材料，水泥穩定土的關鍵性控制指標為UCS，即無側限抗壓強度，而碎石摻拌改良土的關鍵控制指標則為CBR，兩者指標對比見表2。

表2 成品材料指標要求對比

從表2可看出，水泥穩定土的CBR要求是大于碎石摻拌改良土的，即水泥穩定土的承載能力通常情況下是大于碎石摻拌改良土的。

2.3 兩種材料的配合比設計

2.3.1 水泥穩定土配合比設計

以M項目為例，使用合格的天然礫料作為基質，水泥選用Hima Multipurpose PPC32.5水泥，以不同的外摻水泥量分別制作兩組試件，其中一組氣密養護14d，另一組在7d氣密養護后需浸水養護7d。養護期結束后進行無側限抗壓強度測試，同時也要對成品料進行CBR試驗。總結試驗結果如表3，通過試驗結果確定配比所需的水泥摻量。

表3 無側限抗壓強度試驗結果

由于3.0%摻量CBR未達到80%，不予以考慮。將其他數據進行分析，并考慮經濟性，4%水泥摻量應被選用，同時當水泥用量為4%時，7d氣密、7d浸泡養護與14d氣密養護的UCS比也滿足規范大于75%的要求。

2.3.2 摻拌碎石底基層配比設計

以M項目某G30料場天然粒料摻拌碎石為例，碎石使用項目的基層級配碎石，配合比設計應使用不同的級配碎石體積摻量進行試驗，通常使用30%、40%、50%，從表4匯總結果判斷，同時考慮經濟性，則30%摻量碎石應被選用。

表4 不同比例碎石摻拌試驗結果

3 施工方案

3.1 水穩土底基層施工方案

水穩土底基層施工流程中有三道工序需特別注意：（1）人工攤鋪水泥需在初壓完的天然礫料上畫格子，保證水泥計量的準確；（2）路拌機加水拌合后4h內必須完成碾壓成型（烏干達規范規定）；（3）水泥穩定土經過拌合、壓實整形成型后立即養護，養護時間不少于7d。采用灑水車通過間歇灑水以保持表面始終處于濕潤狀態，直到底基層驗收通過并達到一定強度。同時，水泥穩定土有易于產生裂縫的風險，在拌合及養護過程中需特殊注意。

3.2 碎石摻拌底基層施工方案

相較水泥穩土底基層施工而言，碎石摻拌底基層施工程序基本與水穩土一致，但過程控制相對要簡單，在確定工作面準備完畢后開始上料，先上天然礫料，攤鋪拌合后初平，然后在初平的面上攤平計量好的級配碎石料，最后加水使用拌合機將兩者材料拌合，之后整平壓實成型。完成后無需養護，只需驗收后進行下一層施工。

4 對比分析

4.1 經濟效益分析

以烏干達M項目為例，若選擇使用水泥穩定土做底基層，則水泥摻量為4%；而選擇碎石摻拌改良土為底基層，則碎石摻拌量為30%時。如只考慮材料成本，根據烏干達市場材料價格，每公里成本如表5所示（價格以美元計）。

表5 以烏干達M項目標準橫斷面為例

如兩種底基層厚度均為20cm，兩種材料成本相差不大。但根據設計驗算，水穩土底基層應為20cm，碎石摻拌底基層應為25cm,則水穩土底基層有明顯的經濟效益。且由于碎石摻拌底基層的工程量明顯增加，會進一步增加人工和機械成本。

4.2 綜合分析

通過以上對比，水穩土底基層有成本低，材料易取得，承載能力更好等優點，但水穩土底基層試驗復雜、周期長，成型路面需要長時間養護，不利于下一層開展。同時由于水泥穩定土易于產生裂縫，對原材料選用，施工過程控制和后期養護也提出了更高的要求。

而碎石摻拌底基層施工成本高于水穩土底基層，但施工工藝簡單，施工及試驗周期短，有利于下一步施工的開展，同時對施工團隊來說，也更容易把控施工質量，減少管理成本。

5 結束語

烏干達在公路施工過程中有水泥穩定土、碎石摻拌改良土及天然礫料三種底基層可以選用，但水泥穩定土及碎石摻拌改良土應用較為廣泛。通過以上分析可知，水泥穩定土及碎石摻拌改良土兩種材料各有千秋，具體選用需要根據業主要求、項目周邊環境、材料供應、項目地質條件等多方位綜合考慮來決定。