重凍區級配碎石混合料設計及施工技術研究

趙三元

（河北高速公路集團有限公司承德分公司，河北承德067000）

1 引言

一般情況下，凍土地區具有低溫時間長、降溫速率快以及晝夜溫差大等特點， 所用路面材料及結構往往需要滿足特殊要求[1]。級配碎石是一種由各種集料和石屑按照一定比例混合而成的混合料，已經在公路路面結構中得到廣泛應用。 在凍土地區修建公路時， 在其路面結構應用級配碎石不僅可以起到消除反射裂縫等功能， 還可以使路面結構變形和溫度狀況等得到較大改善[2]。 因為凍土地區具有較長的負溫時間，且路面結構時常受到凍融循環作用， 為確保級配碎石的功能得到有效發揮，必須對其設計和施工進行一定控制，以確保級配碎石具有更長的使用壽命。

2 重凍區級配碎石設計方法研究

當前， 相關規范中關于級配碎石組成設計的規定較為簡單，碎石材料以原材料技術要求進行選定之后，初選級配按照其推薦的級配范圍進行擬訂， 再通過擊實試驗得出最佳含水量以及最大干密度，最后，以CBR 試驗對所選定的級配進行驗證，確定其是否和目標級配相符即可[3]。 該種設計方法在具體應用時存在過寬推薦范圍以及單一控制指標等問題。 特別是對重凍區的級配碎石所能起到的指導意義較為有限， 規范中并未對其做出特殊規定。

針對該種情況， 人們對凍土地區的級配碎石設計方法展開了較多研究， 并基于對CBR 試驗和剪切強度的研究提出，通過雙指標控制重凍地區級配碎石質量的設計方法， 即CBR值應在180%以上，剪切強度應在0.52 MPa 以上[4-6]。 并在此基礎上得到級配碎石關鍵篩孔和相應通過率的推薦范圍， 具體如表1 所示。

表1 關鍵篩孔通過率合理變化范圍

當設計級配符合CBR 值和剪切性能的要求之后，再以抗凍性能對所確定的最佳級配進行驗證， 即通過一次凍融循環后所確定的最佳級配碎石應該具有180%的CBR 值。 其具體設計流程如圖1 所示。

圖1 重凍區級配碎石組成設計流程圖

（1）選擇并試驗原材料。 針對所確定原材料的表觀密度、液塑性指標等進行試驗，確保原材料各項指標滿足要求，建議塑性指標在4 以下，最好是不具備塑性，若部分指標無法符合要求，則需要重新進行原材料的選擇，直至符合要求。 （2）初選級配。 基于所給出的關鍵篩孔通過率變化情況，確定3 組左右級配。（3）CBR 試驗和抗剪試驗優選級配。通過CBR 試驗和抗剪試驗對所確定級配是否符合指標要求進行測試， 若符合則選擇最佳組合，若不符合，則需要重新進行級配選擇。 （4）驗證抗凍、滲水等試驗。 對所確定的級配開展抗凍和滲水等試驗，對級配碎石經過凍融后的強度和滲水性能進行驗證， 在有條件的情況下，還可開展動三軸試驗。（5）確定目標級配?；谏鲜鲈囼灲Y果以及CBR 值確定所需要的級配。

3 重凍區級配碎石施工方法

因重凍區施工特殊性，為確保施工質量，一般在重凍區中進行級配碎石的施工必須要遵守以下原則： 一是確保原材料質量；二是確保按照設計的目標級配確定混合料級配；三是確保混合料攤鋪足夠均勻且碾壓足夠密實。

3.1 施工準備

重凍區的級配碎石施工準備類似廠拌法。 因重凍區雨季較長，且降水量多變，主要為陣雨，因此，必須按照相關要求進行防雨棚的搭設，確保礦料處于干燥水平。

此外， 因為要在靜碾初壓下層之后再將瀝青灑到級配碎石層，因此，要預先準備好相應數量的瀝青。

3.2 混合料拌和

3.2.1 級配控制

原材料碎石和石屑適宜采用不同粒徑級且尺寸單一的，在拌和機內以預定配合比進行級配碎石混合料的拌制。 在現場堆放碎石時，應根據粒徑的不同分堆進行放置，避免出現混放的情況。 施工前應該嚴格篩分各級配和石屑，并繪制篩分曲線。 各級配碎石和礦粉所需摻配的比例應該根據目標級配進行確定，再基于各自松裝密度對各自體積比進行計算，最后再以拌和機進行試拌，并相應測試其含水量和開展篩分試驗，確定所得級配和含水率是否和目標一致，若出現偏差，應基于篩分結果對各級集料比例及用水量做出調整， 直至與目標級配相符。 若所調整級配無法全部滿足目標要求，則應使關鍵篩孔通過率和目標級配相接近。

3.2.2 控制均勻性

一般情況下通過強制式水泥混凝土拌和機開展1 min 以上的拌和， 在出料時不會有顯著的離析現象時為最佳的拌和時間。 因混合料存在慣性下落的情況，因此，不管是料斗取料或者料車取料，都會有離析現象出現。 解決方法為在出料穩定之后停止拌和，使傳送皮帶上的混合料有所停留。 混合料的用料量應根據試驗進行確定，截取一段開展篩分試驗。 傳送帶應滿足如下要求：根據現場情況對傳送帶傾斜角度進行調整，避免傳送帶上的混合料在停止拌和后下滑到地面。 若篩分數據和目標級配要求相符，則可進行大規模施工，若不相符則需再次進行級配的調整。

3.2.3 控制含水率

從運輸到碾壓的過程中， 級配碎石的含水率均會有所損失，為使級配碎石碾壓時保持在最佳含水率下，應基于現場條件調整拌和的加水量。 較好的含水率控制方法為， 溫度較高時，在混合料拌和前一晚先澆灑適量的水，以達到預先吸水飽和的目的，一般基于路途長短確定拌和場的含水率，確?；旌狭线\輸到現場并通過攤鋪機攤鋪時， 混合料的含水率高于最佳含水率約1.5%，以平地機施工時可以高出約2.5%。 在低溫和潮濕的環境下， 攤鋪機施工時混合料的含水率宜高出1.8%，平地機施工時宜高出1.5%。 在攤鋪機施工完并碾壓后，應基于具體情況通過灑水車補水。

在正式開展拌和之前，應先開展試拌以及攤鋪。 以試驗確定的施工級配開展試驗路段的試鋪， 以此確定施工時的松鋪厚度和密實度等，為后續施工提供指導。

3.3 下層攤鋪與初壓

基于現有的施工經驗， 作為松散性材料的級配碎石在施工時難以碾壓密實，特別是在邊緣位置該情況更為顯著，將會對施工質量造成較大影響。 在攤鋪和碾壓施工時應分層進行，基于級配碎石結構層厚度確定分層層數。

按照分層厚度以及試攤取得松鋪系數之后， 通過攤鋪機等攤鋪下層。 廠拌混合料適宜通過攤鋪機以松鋪厚度進行均勻攤鋪，針對個別離析的集料，需通過人工的方式進行重新拌和，確保級配碎石攤鋪均勻。 現場集中翻拌的混合料攤鋪時可通過平地機進行施工， 但應確保施工后的混合料有均勻的含水率，且應大于最佳含水率1%左右。 攤鋪施工后應再次進行靜碾初壓2 次左右，確保下層混合料保持穩定。

在高速公路或一級公路進行級配碎石的攤鋪施工時，應注意如下幾點內容：（1）針對路幅較寬的路段，可通過兩臺攤鋪機以全半幅的方式攤鋪級配碎石混合料， 此時兩臺機器應保持約6～7 m 的距離，以0.5 m 重疊的方式同步攤鋪，并在機器后面選派專人跟蹤避免集料離析的情況出現。 （2）一般應該以2.5～3 m/min 作為攤鋪速度，具體可結合攤鋪厚度以及級配類型對速度進行調整。 （3）基于試驗段確定松鋪系數，一般保持在1.1～1.30。

在二級及以下公路進行級配碎石的攤鋪施工時， 若場地中沒有攤鋪機，也可通過平地機進行施工，此時應注意如下幾點內容：（1） 攤鋪前應基于攤鋪層厚度所需達到的壓實干密度，對每臺車輛混合料的攤鋪面積進行計算，在路幅中央均勻卸載混合料， 對于寬路幅路段也可以同時用兩臺攤鋪車對稱卸載混合料。（2）通過平地機整平場地時，應反復進行刮料。但刮平次數過多將會導致水分蒸發越嚴重， 導致混合料出現越嚴重的離析， 因此， 應該結合具體情況在刮平前進行補水。（3）整平后應及時進行碾壓，若過程中有補水行為，則應該待水分下滲后再壓實混合料。

3.4 上層攤鋪及碾壓成型

鋪設約2 cm 厚的瀝青后再攤鋪上層混合料， 并開展穩壓、復壓和整平等工作，一直循環到設計厚度。

在級配碎石的施工中，碾壓是其關鍵步驟，對級配碎石結構是否密實有重要影響。 在攤鋪完混合料之后，應確保其含水率大于最佳含水率約1%，之后再進行碾壓。 碾壓施工工序共包含3 個，分別是靜壓初壓、振壓復壓以及靜壓終壓。初壓時可采用8 t 重、360 kN 激振力的振動式壓路機進行施工，復壓時可以采用120 kN 以上的振動壓路機進行施工， 直到壓實面保持穩定。 終壓時可以通過光面壓路機進行靜壓。 碾壓施工時應注意以下內容：（1）針對級配碎石混合料，應通過振動壓路機和重型輪胎壓路機進行碾壓，先以靜壓的方式開始，在其保持大致穩定且密實度一定之后， 再通過高低頻結合的方式進行施工，確保結構層內部足夠密實，使空隙率有所減小，最后再通過膠輪進行碾壓，使結構層密實度更大。 （2）碾壓施工時，后輪應有1/2 輪寬的重疊，且需要超出兩段接縫處。 碾壓施工時，對于直線或未設超高平曲線路段，應按照從兩端路肩朝向路中心的方式進行施工，針對設置超高的平曲線路段，應按照從內側到外側路肩的方式進行施工，且路面兩側應多碾壓2 遍左右，直到其密實度滿足要求。 （3）通過壓路機進行碾壓時，應將前兩遍的速度控制在1.6 km/h 左右， 再按照2.3 km/h 的速度進行施工。（4）碾壓施工時應注重均勻性，避免出現超壓或有薄弱點出現。

4 結語

在凍土地區應用的級配碎石混合料的設計與施工需滿足更高的要求。 在級配碎石設計時，以往的設計規范僅對一般性情況下做出限制， 而未針對性地面向重凍區的級配碎石設計作出解釋。 而因重凍區環境的特殊性，一般性情況下的規章往往不符合要求，據此，本文根據現有研究論述了以雙控制指標進行重凍區級配碎石設計的方法， 對其具體設計流程進行分析。 此外，針對性地提出重凍區級配碎石的施工要點，以盡可能確保重凍區級配碎石的應用質量。