填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層在重交通道路大修工程中的應用

王 勇 （全椒縣交通運輸局公路管理服務中心，安徽 滁州 239500）

1 前言

以石灰粉煤灰及水泥穩(wěn)定粒料為代表的半剛性結(jié)構(gòu)，具有承載力強、整體性好、強度高的優(yōu)點，廣泛用于各級公路基層和底基層。但是半剛性材料易產(chǎn)生收縮裂縫，導致基層出現(xiàn)自身損壞，影響耐久性。往往在使用幾年后就出現(xiàn)反射裂縫、網(wǎng)裂、唧漿、坑槽等一系列病害，路面耐久性、舒適性、安全性大幅下降，進而影響道路使用壽命。為解決這一技術(shù)難題、豐富路面基層結(jié)構(gòu)類型、延長路面使用壽命、提高公路瀝青路面基層的抗裂性能，安徽省滁州市交通部門經(jīng)過多年研究，自主創(chuàng)新了一種新型路面基層結(jié)構(gòu)，即填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)，通過近二十年的實踐應用，有效解決了半剛性結(jié)構(gòu)反射裂縫這一技術(shù)難題，大大提升了瀝青路面的使用壽命。下文以S210 省道來和路全椒至官渡段重交通干線公路大修工程實踐為例，詳細闡述填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)在重交通干線公路上的應用。

2 工程特點、技術(shù)難點及大修設計的技術(shù)方案

2.1 老路路況特點、大中修歷史及老路結(jié)構(gòu)

S210 來和路全椒段路面大修工程（K58+340～K63+700）位于安徽省滁州市全椒縣境內(nèi)，路線大體呈南北走向，起于武崗南，往南至滁河大橋，全長5.36km。道路等級為二級公路，路面寬9.0m，為滁州市及全椒縣通往馬鞍山和縣除高速公路外的必經(jīng)之路。由于滁州市礦山整治，所有礦山關閉，導致和縣石楊的石料成為滁州及全椒縣建設用碎石的主要來源，交通量大、重載車輛多、老路路況差、病害嚴重、半幅通行、半幅施工，施工難度大。老路養(yǎng)護大中修歷史及老路結(jié)構(gòu)見表1。

表1 老路結(jié)構(gòu)統(tǒng)計一覽表

2.2 大修前交通量調(diào)查

該道路為全椒縣一條南北向的重要干線道路，道路沿線交通量根據(jù)原安徽省公路管理局統(tǒng)計的全椒武崗觀測站（編號為S206J102341124）的數(shù)據(jù)，同時結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)查，從2017-2019 年平均日交通量來看，全椒武崗觀測站交通量較大，結(jié)合當?shù)毓凡块T2017-2019 年交通量調(diào)查顯示總體呈上升趨勢，并且交通量大、重載車輛多，詳見表2。

表2 2017-2019年交通量觀測資料（單位：輛/日）

2.3 老路面現(xiàn)狀調(diào)查

老路運行多年以來，出現(xiàn)了多種路面病害，老路面破損詳細調(diào)查統(tǒng)計及破損評定情況見表3～表6。

表3 水泥混凝土路面主要破損調(diào)查表

表4 瀝青路面主要破損調(diào)查表

表5 瀝青路面破損評定表

表6 混凝土路面破損評定表

2.4 大修技術(shù)方案

該道路全長約5.415km，路面寬9m，養(yǎng)護設計為大修工程。一般路段采用老路面病害挖補處理+18cm 填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層+5cmAC-20SBS 改性瀝青混凝土+40cmAC-13SBS 改性瀝青混凝土；損壞嚴重段采用老路銑刨30cm 后摻骨料重鋪+18cm水泥穩(wěn)定碎石+18cm 填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層+5cmAC-20 SBS 改性瀝青混凝土+4cmAC-13SBS 改性瀝青混凝土；老路混凝土路面段采用老路混凝土路面碎石化+18cm 水泥穩(wěn)定碎石+18cm 填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層+5cmAC-20SBS 改性瀝青混凝土+4cmAC-13SBS 改性瀝青混凝土；維持原技術(shù)標準。

3 填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)的起源與抗裂機理

3.1 技術(shù)起源

填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石是由大粒徑主骨料組成骨架、水泥穩(wěn)定碎石填充料填充骨架空隙并經(jīng)壓實形成的一種新型路面結(jié)構(gòu)，整體呈現(xiàn)柔性特征，并且有良好的承載能力。其強度主要來源于主骨料間的骨架嵌鎖作用，填充料起到穩(wěn)固主骨料的作用，具有克服收縮裂縫、模量合適、抗變形能力強和耐久性能好等優(yōu)點。該結(jié)構(gòu)最早于2005 年由滁州市交通部門自主原創(chuàng)，首次在縣道X003滁梁路上試鋪，2006 年首次應用于重交通一級公路S206 滁州至全椒段一級公路改造工程中。該段長6.8km，路面寬23m，其中應用填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石新技術(shù)約4km，加鋪結(jié)構(gòu)為18cm普通水泥穩(wěn)定碎石底基層+17cm 填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層+10cm 瀝青面層（普通瀝青）。在極重交通下使用17 年后，經(jīng)檢測道路整體狀況良好，基層無收縮裂縫和車轍，承載能力未降低，預測將成為50 年內(nèi)無需結(jié)構(gòu)性大修的長壽命公路。

3.2 抗裂機理

填充式大料徑水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的抗裂機理為采用物理的方法，由大粒徑主骨料框架嵌鎖產(chǎn)生的拒壓作用，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分水泥穩(wěn)定碎石填充材料處于“欠密”狀態(tài)，形成微細裂縫源。同時大粒徑主骨料與水泥穩(wěn)定碎石填充材料，粘結(jié)力弱化，形成微細裂縫，兩者相互作用，收縮時產(chǎn)生“化整為零”的應力釋放效應，以達到克服反射裂縫的作用。

4 填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層的應用

4.1 基本情況

該道路全長約5.415km，基層全部采用了填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石這一新技術(shù)，由于項目施工區(qū)域交通量大、重載車輛多，因此邊施工邊維持通行的施工難度大。下文將詳細介紹填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)在該道路上的應用情況。

4.2 原材料要求及配合比設計

4.2.1 原材料

大粒徑碎石采用地產(chǎn)石灰質(zhì)硬質(zhì)巖石，采用反擊破碎工藝加工，表面清潔無風化，質(zhì)地堅硬，粒徑53～73mm，粒徑及技術(shù)要求見表7、表8。

表7 本項采用的大粒徑碎石規(guī)格要求

表8 本項目采用的大粒徑碎石技術(shù)要求

水泥穩(wěn)定碎石填隙料最大粒徑為19.0mm，對主骨料形成的框架的干涉盡量減小，以利于密實；用作填充主骨料空隙的填隙料（Ⅰ型），水泥劑量按7.5%～8.5%控制；用作基層表面最后找補的嵌縫料（Ⅱ型），水泥劑量按11.5%～12.5%控制。填隙料中的礦料之間的比例，根據(jù)篩分試驗，參照規(guī)范普通水泥穩(wěn)定碎石基層材料組成基本思路與方法，用數(shù)解或圖解法確定，Ⅰ型填充材料7d無側(cè)限抗壓強度代表值不低于6.0MPa，Ⅱ型嵌縫料7d 無側(cè)限抗壓強度代表值不低于10.0MPa。填充料和嵌縫料級配范圍見表9。

表9 Ⅰ型水泥穩(wěn)定碎石填隙料Ⅱ型嵌縫料的顆粒組成范圍

水泥：本項目采用32.5 級的普通硅酸鹽水泥，各項指標均符合設計及相關規(guī)范要求。

4.2.2 主骨料和填隙料之間的比例設計

①根據(jù)振實狀態(tài)下大粒徑碎石的空隙率，按式（1）計算單位填充料和嵌縫料的總體積Vt。

式中，Vt——單位填充料及嵌縫料的總體積，m3；V——振實狀態(tài)下大粒徑碎石的空隙率，%；kf——填充料及嵌縫料的調(diào)整系數(shù)。

Kf一般取1.14～1.24，通常情況下取中值，對于新建道路、老路下承層較為平整，大粒徑碎石粒徑波動較小時，宜取小值；對老路不平整、大粒徑碎石粒徑波動較大、施工管理水平較低時，宜取大值。

②填充料及嵌縫料與大粒徑碎石的質(zhì)量比應按下列規(guī)定進行計算。

計算單位填充料的質(zhì)量mt 的表達式為：

式中，mt——單位填充料的質(zhì)量，kg；Vt——單位填充料及嵌縫料的體積，m3；Pt——填充料及嵌縫料的擊實最大干密度，kg/m3。

計算單位大粒徑碎石質(zhì)量ms 的表達式為：

式中，ms——單位填充料的質(zhì)量，kg；ρs——大粒徑碎石的表觀密度，kg/m3。

計算填充料及嵌縫料與大粒徑碎石質(zhì)量比W的表達式為：

式中，W——填充料及嵌縫料與大粒徑碎石的質(zhì)量比，%。

③嵌縫料宜占填充料和嵌縫料總質(zhì)量的6～9%。

為保證填隙料在骨料空隙間能被壓實，以主骨料碎石在振實與堆積狀態(tài)下的空隙率來確定填縫料的數(shù)量，保證填縫料的量能夠填滿主骨料間的空隙并略有富余。本項目主骨料與填隙料的質(zhì)量比在51:49～54:46 之間。填隙料的攤鋪分兩次，第一次攤鋪Ⅰ型填隙料，攤鋪的量約為總填隙料的80%，要求控制在翻樣后基層表面留下一層未填充的骨料，用Ⅱ型嵌縫料填充、找補基層表面剩余空隙。

4.3 施工程序與技術(shù)要點

4.3.1 施工準備

水穩(wěn)填充大粒徑上基層施工前，應做好施工準備工作，對底基層進行徹底清洗，以清除各類浮塵、松散及垃圾物，測量放樣，培好路肩或安裝側(cè)模。碎石攤鋪前，可適量灑水潤濕底基層表面，并灑一定劑量的水泥凈漿，水泥用量為1.6～2.2kg/m2，以利層間緊密聯(lián)結(jié)。

4.3.2 材料攤鋪與拌合

大粒徑碎石采用普通水穩(wěn)攤鋪機攤鋪，不得有細集料窩，細集料窩應清除干凈并換填合格材料。填隙料根據(jù)施工配比，采用拌合站集中拌合。

填隙料采用0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm 規(guī)格碎石和水泥用拌和機拌和。料倉或拌缸前應有剔除超粒徑石料的篩子，拌和機必須配料精確，自動配料上料。拌和現(xiàn)場各料斗下料，不得出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，拌合場內(nèi)要設置專職質(zhì)量檢測人員，及時檢測拌和時的水泥劑量、集料配比等實驗參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常要及時調(diào)整或停止生產(chǎn)，水泥劑量按要求的頻率檢查并做好記錄。

攤鋪前兩側(cè)均設基準線，按設計配合比用高程控制樁帶線控制。將拌和好的填隙料用輕型車輛運至施工現(xiàn)場，用攤鋪機在大粒徑粗骨料上攤鋪填隙料，用經(jīng)特殊改裝的旋耕機進行現(xiàn)場翻拌，人工整平，零星漏拌處人工用羊鎬補充翻拌。

4.3.3 整形穩(wěn)壓

用橫坡線、對角線的控制方法，將拌合好的混合料進行初次人工整平，而后用振動壓路機進行靜壓穩(wěn)壓，再用自制5m鋁合金尺再次整形，同時逐樁控制高程與橫坡。

4.3.4 找補Ⅱ型水穩(wěn)嵌縫料

振動壓路機碾壓后，部分大粒徑粗骨料表面的填隙料形成空隙，此時采用Ⅱ型嵌縫料找補。因本項目為重交通道路，載重車量多，交通量大，路面寬僅9.0m，施工過程中又要維持道路通行，而且基層施工結(jié)束后要立即開放交通，沒有專門的封閉養(yǎng)生時間。因此整平后的II型填隙料全部覆蓋粗骨料并高出2～3cm 為宜，人工用自制鋁合金條刮平并碾壓成型，以利于行車磨耗。

4.3.5 碾壓

按照“先低后高，先快后慢，先穩(wěn)后振”的原則進行碾壓，碾壓設備宜采用激振力40t 以上的重型振動壓路機及25t以上膠輪壓路機或18～21t 以上三輪壓路機。碾壓時首先用振動式壓路機靜態(tài)穩(wěn)定一遍，然后振動碾壓4～6遍，以混合料接近規(guī)范規(guī)定的固體體積率，最后用三輪壓路機或膠輪壓路機碾壓4～6 遍，以達到規(guī)范要求的固體體積率，并確保表面無輪跡。

4.3.6 接縫處理

橫縫應于路中心線垂直設量，后一施工段施工時，應將前一施工段靠近銜接處1～3m 位置的混合料挖除至密實處止，斷面應垂直。兩幅合攏時，縱向施工縫應處理，已施工半幅的混合料挖除至密實處，斷面應垂直。

4.3.7 養(yǎng)生與交通管制

碾壓結(jié)束并經(jīng)檢驗合格后，用灑水車灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生時間不少于7～10d，每天灑水次數(shù)應視氣候而定，高溫期施工宜適當增加灑水頻次。養(yǎng)生期間，基層表面應始終保持濕潤，晴天開放交通，雨天臨時封閉或管控交通；養(yǎng)生用灑水車應采用噴霧式噴頭，嚴禁采用高壓式噴霧，以免破壞基層結(jié)構(gòu)。

4.3.8 質(zhì)量檢測

①水泥劑量試驗

檢測采用EDTA 滴定法，可以在施工現(xiàn)場或拌合場隨時進行抽樣檢查。水泥劑量應按填隙料Ⅰ、Ⅱ分別為7.5%～8.5%、11.5%～12.5%左右。

②固體體積率試驗

用灌砂法檢測，因各處粗骨料與填隙料的含量不一樣，因此它的綜合密度也不一樣，一般在2.565～2.663g/cm3之間，以此來推算基層的固體體積率。

現(xiàn)場切割法或挖坑法檢測：通過篩分級配，確定主骨料與填隙料之間的配比，同設計理論配合比進行比較。

③各項指標的檢驗應在一天內(nèi)完成

首先表面應均勻無松散等現(xiàn)象。各項質(zhì)量指標應滿足標準要求，它不僅影響對該層的質(zhì)量評定，同時也會對瀝青表面層的質(zhì)量和經(jīng)濟效益產(chǎn)生較大的影響。平整度指標必須在做封層之前逐段進行檢測。要求至瀝青混凝土面層施工前，對填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石的標高逐段進行復測，凡高出規(guī)范允許部分，必須用洗刨機去除。

5 結(jié)束語

S210 省道來和路全椒至官渡段大修工程自2019 年建成通車，已運行四年，在重交通作用下，該道路建成通車以來，路面狀況良好，彎沉與剛交工時相比無顯著變化。彎沉情況見表10。

表10 瀝青面層彎沉檢測結(jié)果匯總表（2023年10月）

通過填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石技在本重交通道路大修工程中的應用實踐，進一步驗證了該新型基層材料結(jié)構(gòu)能大幅減少路面養(yǎng)護維修，保持較好的公共服務品質(zhì)，延長大修周期。能有效克服反射裂縫，保證結(jié)構(gòu)自身耐久性，可顯著降低瀝青面層厚度。具有投資少、針對性強的特點，尤其適用于邊通車邊施工的重交通道路，符合“強基、薄面、穩(wěn)土基”設計思想，實現(xiàn)干線公路低成本、長壽命的目標。

雖然本項目填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石基層的施工已經(jīng)形成一套完整的工法體系和施工流程，二次路拌施工工藝中的攤鋪、拌和等工序也采用了常規(guī)工程機械施工，但還存在一些不足之處，主要為前場施工的輔助人工工作量增加。如果要進一步提高二次路拌施工效率和標準化水平，機械設備還需進一步改進，機械化程度有待于進一步提高。目前，本技術(shù)在國省干線一、二、三級公路上的應用已經(jīng)超過700km，但尚未在高速公路上應用，下一步有待于在高速公路上開展應用研究。