高速公路路面基層水泥穩(wěn)定土配比及性能試驗(yàn)方法

葉安萍

（貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督執(zhí)法支隊，貴陽 550000）

1 水泥穩(wěn)定土的作用機(jī)理

在經(jīng)過粉碎的或原來松散的土中，摻入足量的水泥和水，經(jīng)拌和得到的混合料在壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后，抗壓度符合設(shè)計要求時，被稱為水泥穩(wěn)定土。其在土中與水化物發(fā)生反應(yīng)，形成具有一定承受能力的水泥石骨架，土中的自由粉粒數(shù)量顯著減少，產(chǎn)生豐富的粗顆粒，此類顆粒具有穩(wěn)定性突出、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對道路施工較為友好，產(chǎn)生的水泥穩(wěn)定土表現(xiàn)出良好的路用性能。

水泥穩(wěn)定土的關(guān)鍵作用在于改變土的塑性、提高土體的強(qiáng)度[1-3]。以某高速公路二標(biāo)段為例，取其中的粉質(zhì)土做顆粒分析，實(shí)測結(jié)果顯示粒徑小于0.075 mm 的顆粒占比為92.8%；其他方面，加州承載比CBR 值為1.3%、最佳含水量為13.9%、最大干密度為1.72 g/cm3、膨脹量1.79%、塑限值為16.1%、液限值為26.7%、塑性指數(shù)為10.6。

可以發(fā)現(xiàn)，選取的樣品的塑性指數(shù)不超過20，液限不超過45%，不均勻系數(shù)不小于5，可摻入適量的水泥用于改善粉質(zhì)土的性能。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知，最佳含水量、最大干密度分別為12%、1.95 g/m3。根據(jù)此類數(shù)據(jù)制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，置于25 ℃的恒溫環(huán)境中保濕養(yǎng)護(hù)6 d，然后浸水24 h。隨后開始對參與測試的各試件的處理工作，并就其實(shí)際抗壓強(qiáng)度值和承載力予以詳細(xì)記錄。考慮多種水泥摻量，經(jīng)試驗(yàn)后采集各組數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 不同水泥摻量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過測試可知，上述各試件中，水泥摻量值在2%時，水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度方可與設(shè)計規(guī)范中的數(shù)值呈統(tǒng)一狀態(tài)。

2 水泥穩(wěn)定土的具體應(yīng)用

2.1 工程概況

某高速公路一期工程全長19.5 km，施工中采用了水泥穩(wěn)定土，因?yàn)楫?dāng)?shù)厥匣蛘邼M足技術(shù)要求的石料貧乏，為了考慮經(jīng)濟(jì)性等，就地取材，使用水泥穩(wěn)定土。在該項目工程施工效果的過程中，需要充分關(guān)注到水泥穩(wěn)定土的作業(yè)情況，使其能夠充分滿足公路施工要求，主要是確保水泥穩(wěn)定土的2 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具備較高的抗開裂、抗沖刷性能。

1）作為路面基底層使用。在不同的公路等級條件下，水泥穩(wěn)定土在被用作路面基底層時，具備以下合理要求：顆粒粒徑最大值不可超出37 mm 和52 mm，實(shí)際使用類型由在建公路的等級而定。

2.2 含水量的控制

粉質(zhì)土含水量為6%，相比12%的最佳含水量該值明顯偏低，因此，施工時適時補(bǔ)充水分，將實(shí)測含水量調(diào)節(jié)至約12%。在施工中，加強(qiáng)對含水量的檢測與控制，確認(rèn)無誤后方可碾壓。

2.3 撒鋪

水泥撒鋪采用面積法，先灑水并平整粉質(zhì)土，安排光面鋼輪壓路機(jī)做1～2 遍的碾壓處理，此時土層具有平整性，然后安排人工撒鋪，再用旋耕犁做5 遍及以上的翻拌處理。

2.4 碾壓

拌和平整后，先靜壓1 遍，再用平地機(jī)整形；隨后啟用14 t振動壓路機(jī)，依次完成1 遍靜壓和振壓作業(yè)，類似的，用18 t振動壓路機(jī)依次完成1 遍靜壓、振壓；最后為提升各路段的平整性和密實(shí)性，可選擇16 t 的膠輪壓路機(jī)予以碾壓操作。

3 對水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度造成影響的關(guān)鍵因素

3.1 土的特性

1）顆粒級配。顆粒級配是選擇水泥穩(wěn)定土?xí)r的重點(diǎn)考慮對象，其會直接對混合料的密實(shí)度造成影響。在級配欠佳時，往往含大量的軟弱顆粒，顆粒間的接觸面積有限，彼此間的空隙較大，受擊實(shí)作業(yè)的影響，部分顆粒被壓碎，顆粒的整體強(qiáng)度難以有效提高。

2）顆粒粒徑。通常，粒徑在0.075 mm 以內(nèi)時，對水泥穩(wěn)定混合料工程性能的影響較為顯著，主要體現(xiàn)在彎拉強(qiáng)度和彈性模量兩個方面。根據(jù)規(guī)律，隨著該類顆粒用量的增加，強(qiáng)度和彈性模量均有減小的變化趨勢。

3）土中有機(jī)質(zhì)含量。隨著土中有機(jī)質(zhì)含量的增加，水泥硬化的時間有延緩的趨勢，且此時水泥的強(qiáng)度有限；對于不存在有機(jī)質(zhì)或是含量較低的土壤，水泥硬化時間較短，強(qiáng)度較高。常規(guī)的路面底基層作業(yè)中，水泥穩(wěn)定土的有機(jī)含量要控制在2%以下方算合格。

4）硫酸鹽。結(jié)硬水泥中存在鋁酸三鈣，硫酸鹽與之接觸后發(fā)生反應(yīng)，形成硫酸鋁酸鈣，此類反應(yīng)帶來的變化是土體積較之于反應(yīng)前有明顯的增加，進(jìn)而影響水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)。

3.2 水泥的影響

1）水泥按用途及性能可劃分為：通用水泥，包含國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽、火山灰質(zhì)硅酸鹽及復(fù)合硅酸鹽這幾大類型。此次試驗(yàn)中選用的水泥標(biāo)號為32.5，因此，在路拌施工環(huán)節(jié)可選擇終凝時間相對較長的水泥，不采用早強(qiáng)水泥。

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2）水泥摻量。隨著水泥用量的增加，水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度有提高趨勢，且在0～90 d 的齡期范圍內(nèi)，該增量變化愈發(fā)顯著。抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量呈冪函數(shù)關(guān)系，因此，可以綜合考慮此關(guān)系和工程質(zhì)量要求，合理控制水泥摻量。

3）其他因素。（1）水泥的攤鋪狀態(tài)。盡可能均勻地攤鋪水泥，以便發(fā)揮其在提高穩(wěn)定土性能方面的作用。（2）拌和方式。按比例摻入各類原材料后，做充分的拌和，保證拌和的均勻性，否則也將影響水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度。在拌和時，水泥用量的控制尤為關(guān)鍵，偏低時局部強(qiáng)度未達(dá)到要求，偏高時易出現(xiàn)裂縫。（3）延遲時間。水泥遇水易水化，延長拌和至壓實(shí)的間隔時間，水泥的水化作用愈發(fā)劇烈，成型結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂縫。

4 水泥穩(wěn)定土配比和性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原材料

4.1.1 土料取樣

在應(yīng)用級配良好的粗粒土和顆粒良好的細(xì)粒土后，產(chǎn)生的混合料具有較高的強(qiáng)度。在分析土壤的技術(shù)指標(biāo)時，從路床頂面30～80 cm 深度內(nèi)取樣加以分析。

4.1.2 添加劑特性

添加劑的應(yīng)用對于改善水泥穩(wěn)定土的性能有積極作用，按水泥劑量的1%～2%控制添加劑的用量。通過添加劑的合理應(yīng)用可增強(qiáng)水泥穩(wěn)定土的致密性，避免空洞、空隙現(xiàn)象，此現(xiàn)象說明水化產(chǎn)物能夠逐步匯聚至土顆粒的內(nèi)部，在其中發(fā)揮骨架支撐作用，由于此“框架”的存在，土體的力學(xué)性能有顯著提升。添加劑與黏土中的活性礦物接觸，經(jīng)過反應(yīng)后產(chǎn)生晶體，由于晶體結(jié)構(gòu)的存在，將填充結(jié)構(gòu)的空隙，提升土體密實(shí)性，并將原本賦存在土顆粒的吸附水大量外排，養(yǎng)護(hù)期間可促使水泥穩(wěn)定土盡快達(dá)到早期強(qiáng)度。

4.2 試驗(yàn)方案

原始土樣為細(xì)粒土，根據(jù)水泥穩(wěn)定土配比計算方法，要求在塑性指數(shù)超過12 時，水泥劑量取8%～16%（以基層施工為例），底基層施工則調(diào)整到6%～14%。考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性和結(jié)果的有效性，此處取6%、9%、12%、15%、18%這5 種水泥摻量，在此基礎(chǔ)上取水泥質(zhì)量的1%、2%作為添加劑的摻量，形成多種摻量組合形式。在確定水泥和添加劑的摻量后，配套多功能電動擊實(shí)儀，借助該儀器組織重型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)層數(shù)為3 層，每層分別做98 次擊實(shí)處理，擊實(shí)試驗(yàn)期間全面采集數(shù)據(jù)并記錄。經(jīng)過試驗(yàn)后，探尋最優(yōu)含水率和最大干密度，在保證兩項參數(shù)的合理性后，提升水泥穩(wěn)定土的工程性能。

4.3 水泥穩(wěn)定土試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)分析

該項試驗(yàn)操作前，要以國家相關(guān)規(guī)定作為參考依據(jù)，由此得出的最大干密度值和最佳含水量值方算合格。

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥劑量的增加，最優(yōu)含水率有減小的趨勢，最大干密度則呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律；隨著添加劑摻量的變化，兩項試驗(yàn)數(shù)據(jù)均有所變化，但程度輕微，意味著添加劑對水泥穩(wěn)定土帶來的影響有限；添加劑摻量由1%增至2%時，最大干密度增加0.001～0.002 g/cm3，最優(yōu)含水率增加0.1%。

4.3.2 7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

水泥穩(wěn)定土配比設(shè)計所考慮的對象較多，其中，7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度屬于重點(diǎn)指標(biāo)，加強(qiáng)對此項指標(biāo)的分析具有必要性。在水泥劑量增加的變化條件下，水泥穩(wěn)定土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有增加的變化，即兩者呈正相關(guān)關(guān)系；同時，強(qiáng)度變異系數(shù)降低，此時結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度具有更突出的均勻性特征，整體穩(wěn)定性得到保證。

5 結(jié)語

綜上所述，本文著重圍繞水泥穩(wěn)定土配比及性能試驗(yàn)方法展開分析，分析結(jié)果總結(jié)如下：

1）水泥穩(wěn)定土的含水量和干密度均隨著水泥摻量的變化而變化。

2）隨添加劑摻量多少變化的情況，含水率和干密度的最佳值也會出現(xiàn)浮動，但程度有限。對比分析添加劑摻量為1%、2%的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)含水率僅增加約0.1%，最大干密度增加約0.001～0.002 g/cm3，無顯著的影響。

3）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為一項物理測試值，在具體的水泥穩(wěn)定土性能評測工作中占據(jù)重要的位置，在水泥劑量增加時，該值增加，對應(yīng)的強(qiáng)度變異系數(shù)降低，意味著結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均勻性較好，相比于低摻入量的水泥劑量使用方法，出現(xiàn)薄弱區(qū)域的概率明顯降低。

4）根據(jù)結(jié)構(gòu)層的類型合理控制水泥劑量，以基層、底基層為例，各自分別以12.00%、6.75%較為合適；對于添加劑的取用，可考慮2%的摻量，具體需根據(jù)水泥摻量做靈活調(diào)整。在合理控制水泥和添加劑的摻量后，充分發(fā)揮水泥和添加劑的性能優(yōu)勢，進(jìn)而提高水泥穩(wěn)定土的路用性能，確保由水泥穩(wěn)定土建設(shè)的道路結(jié)構(gòu)有良好的質(zhì)量。