朱海華

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層施工初期造價(jià)低，整體結(jié)構(gòu)好。然而，由于脆性材料的水泥穩(wěn)定碎石基料對(duì)濕度和溫度的變化敏感，在施工或負(fù)荷作用時(shí)，濕度或溫度變化容易造成裂縫等損壞。雖然小裂縫對(duì)基層和交通量的影響很小，但是重型荷載在路面結(jié)構(gòu)上反復(fù)出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致基層強(qiáng)度下降，促進(jìn)路面裂縫發(fā)育。如果不及時(shí)采取措施來(lái)控制這些變化，路面耐久性將大幅度降低，進(jìn)而影響水泥穩(wěn)定碎石基層性能。針對(duì)這種現(xiàn)象，文章分析了影響水泥穩(wěn)定碎石基層質(zhì)量的各種因素，研究其主要影響因素及影響規(guī)律。依托廣西馬山至平果高速公路現(xiàn)場(chǎng)施工，加強(qiáng)監(jiān)督力度和技術(shù)指導(dǎo)，及時(shí)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)進(jìn)行完善；從源頭上加強(qiáng)對(duì)水泥用量、集料等原材料的質(zhì)量把控，做好前場(chǎng)、后場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)工作。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層失效破壞的癥狀

水泥穩(wěn)定碎石基層失效破壞一般都是因?yàn)槭┕べ|(zhì)量措施不到位造成的，常見(jiàn)癥狀包括不正確的施工縫的處理措施、收縮造成的裂縫、基層推移和發(fā)生不均勻沉降等。

1.1 裂縫

水泥穩(wěn)定碎石基層固結(jié)后相對(duì)容易破裂，一般沿著路面中心線呈有規(guī)律的橫向裂縫，縱向間隔為5～10 m左右，裂縫自身寬度為1～3 mm左右。產(chǎn)生原因有：

(1)不合格的原料，如物料品質(zhì)，雜質(zhì)含量、粒徑等。

(2)不正確的配合比，水泥含量過(guò)大，砂率過(guò)高等造成的小裂縫。

(3)混合不均勻，水泥料在骨料表面不均勻分散，經(jīng)過(guò)雨水浸染后，碾壓路面引起路面不均勻濕潤(rùn)。

(4)不正確的施工方法，碾壓不密實(shí)、不及時(shí)。

(5)溫度收縮裂縫，即隨著水泥穩(wěn)定碎石基層溫度下降，收縮應(yīng)力減小，水泥穩(wěn)定碎石基層的拉伸強(qiáng)度不夠；為了抵抗收縮應(yīng)力，發(fā)生裂紋，產(chǎn)生溫度收縮裂紋。

(6)干縮裂縫，基層施工后，水分蒸發(fā)造成干縮應(yīng)力，引起干縮裂縫。

(7)施工冷縫，由于未按施工工藝要求處理施工縫而形成。

(8)提前通行，路面基層的抗拉強(qiáng)度很低，形成一些小裂紋，隨著時(shí)間的推移，路基產(chǎn)生反射裂縫和出現(xiàn)裂縫加大現(xiàn)象。

1.2 不均勻沉降

不均勻沉降常常在高填方區(qū)段發(fā)生。主要原因包括：(1)施工方面未嚴(yán)格按照分層填料壓實(shí)工藝，路基欠壓實(shí)；(2)對(duì)原地面未進(jìn)行完善處理，在動(dòng)態(tài)載荷中造成路面變形沉降；(3)由于缺乏對(duì)混合料含水量的控制，造成壓實(shí)不充分而發(fā)生變形沉降等。

1.3 推移

由于基層與基層之間粘接不夠牢固，再加上公路提前通行，例如重型卡車等超重動(dòng)荷載引起路面荷載及其剪力過(guò)大，繼而導(dǎo)致推移。

2 水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度影響因素研究

2.1 馬平高速公路工程概況及施工質(zhì)量控制要求

馬山至平果高速公路路線(以下簡(jiǎn)稱馬平高速)起于馬山縣喬利鄉(xiāng)那料村附近，與在建的來(lái)賓至馬山高速公路相接，經(jīng)周鹿鎮(zhèn)蓮塘、武鳴縣靈馬、平果縣四塘、坡造、馬頭鎮(zhèn)同仁、新安鎮(zhèn)雅龍，止于果化鎮(zhèn)玻利村附近，與南寧至百色高速公路相接，路線全長(zhǎng)82.463 km，同步建設(shè)大化連接線23.14 km，周鹿連接線0.664 km。雙向四車道，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度26 m；連接線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬12 m。全線設(shè)置周鹿、四塘、坡造、平果東、玻利(樞紐)5處互通式立交，預(yù)留靈馬互通1處。

在馬平高速施工過(guò)程中，主要從四個(gè)方面來(lái)控制水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度：(1)水泥穩(wěn)定碎石基層施工是高速公路施工的最關(guān)鍵部分，因此需要加強(qiáng)施工管理；(2)加強(qiáng)監(jiān)督力度和技術(shù)指導(dǎo)，及時(shí)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)進(jìn)行完善；(3)從源頭上加強(qiáng)對(duì)水泥用量、集料等原材料的質(zhì)量把控，做好前場(chǎng)、后場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)工作；(4)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)施工人員的培訓(xùn)，提高施工規(guī)范性。

2.2 正交化試驗(yàn)

為了研究多影響因素水平，一般常用正交化試驗(yàn)作為研究方法。在水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)中，多種因素會(huì)影響水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮率和強(qiáng)度。在維持水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度不變的前提下，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)試部分的結(jié)果進(jìn)行了比較。

2.3 設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果分析方法

2.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)公路工程相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范的規(guī)定，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法共分為三類，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)及擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，選用丙法。然后繪制含水率-干密度曲線圖，如表2和圖1所示。

表2 水泥穩(wěn)定碎石混合料擊實(shí)結(jié)果表

圖1 含水率-干密度曲線圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試如表3。室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。為了嘗試模擬水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)性能參數(shù)的變化，現(xiàn)場(chǎng)施工工藝實(shí)驗(yàn)中，將以現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)作為下一步試驗(yàn)基準(zhǔn)，并制作成型試塊模件，做材料因素性能的混合效應(yīng)分析試驗(yàn)。

表3 測(cè)試結(jié)果表

2.3.2 影響水泥穩(wěn)定碎石基層性能因素的選擇

材料因素性能的混合效應(yīng)是影響強(qiáng)度的主要因素，包括級(jí)配、含水量、水泥用量和壓實(shí)度。因此，針對(duì)正交化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取級(jí)配、含水量、水泥用量和壓實(shí)度四種因素的三個(gè)層次作為試驗(yàn)工況，對(duì)4.75 mm孔隙通過(guò)量為39%為基準(zhǔn)作調(diào)整，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度特性正交化試驗(yàn)因素水平的選擇結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 強(qiáng)度正交化試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)各參數(shù)之間的相互作用，將級(jí)配、含水量、水泥用量和壓實(shí)度作為正交化試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素。水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度的正交化試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案分別如表5和表6所示。

表5 水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度正交設(shè)計(jì)表

表6 強(qiáng)度正交化試驗(yàn)安排表

2.4 方差分析

方差反映了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度，是衡量試驗(yàn)條件穩(wěn)定性的重要工具，離散程度對(duì)方差有重要影響。如果來(lái)自影響因素的測(cè)試條件和測(cè)試因素是總方差，方差和測(cè)試因子將屬于實(shí)驗(yàn)誤差類別的范圍，它們與方差的相互作用被分離，并且在一定條件下比較兩個(gè)類方差，可以影響每個(gè)測(cè)試的相互影響因素，對(duì)測(cè)試指標(biāo)大小進(jìn)行測(cè)試，從而控制了各種客觀或主觀因素，改良試驗(yàn)條件的可靠性。方差分析的常用處理手段為分解數(shù)據(jù)的總偏差，然后將由因子引起的偏差和平方誤差和進(jìn)行匯總計(jì)算，結(jié)果就是總偏差的平方和。

方差分析主要是解決以下問(wèn)題：(1)確定主要和次要參考因素及其相互作用；(2)對(duì)由因子引起的偏差和和平方誤差和的分析；(3)確定結(jié)論的置信度；(4)確定最優(yōu)組合并表示置信區(qū)間。

通過(guò)方差分析，分析正交試驗(yàn)的結(jié)果，表明計(jì)算量大為減少，可以確定影響試驗(yàn)的主要因素和次要影響因素，以及代表的置信區(qū)間或置信水平。

3 水泥穩(wěn)定碎石基層施工質(zhì)量控制

3.1 拌合過(guò)程中的質(zhì)量控制

在實(shí)際施工過(guò)程中，一般采用特殊攪拌機(jī)進(jìn)行混合，可確保水泥穩(wěn)定碎石的穩(wěn)定性，保證基料的整體質(zhì)量。雖然該機(jī)的使用和混合生產(chǎn)以確保基層質(zhì)量，但水泥穩(wěn)定碎石混合料的一些技術(shù)指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的水含量和其他參數(shù)也不能做到與設(shè)計(jì)值完全相同。在這方面，從混合料級(jí)配、水泥含量、水含量、拌合設(shè)備的選擇等角度對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫基層材料進(jìn)行離析，分析其變化的原因，并提出相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。

依據(jù)庫(kù)倫定律可確定水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度，其公式為：

τ=c+σ×tanφ

各符號(hào)含義如下：

τ——由加載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力；

c——自身凝聚力；

σ——正常負(fù)載所產(chǎn)生的正應(yīng)力；

φ——內(nèi)摩擦角。

水泥穩(wěn)定碎石材料的內(nèi)摩擦角φ主要由級(jí)配碎石的摩擦力和水泥硬化后的強(qiáng)度產(chǎn)生。從以上公式可以看出，水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度的形成主要有兩個(gè)組成部分：級(jí)配碎石夾層和水泥膠結(jié)力。綜上所述，為了使水泥穩(wěn)定碎石基層達(dá)到高強(qiáng)度，原材料必須嚴(yán)格檢驗(yàn)和控制。

3.2 運(yùn)輸與攤鋪過(guò)程中的質(zhì)量控制

采用廠拌法將混合料與水泥穩(wěn)定碎石混合，將混合料運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)輸壓實(shí)，以維持材料性能穩(wěn)定性。在水泥穩(wěn)定碎石基層混合料輸送過(guò)程中，由于室外溫度和車輛運(yùn)輸?shù)挠绊?，混合料性質(zhì)被改變，如顆粒分離、失水等。因此，在混合運(yùn)輸和分離過(guò)程中確?；旌衔锏馁|(zhì)量是重要的一環(huán)。

3.3 壓實(shí)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的質(zhì)量控制

在施工過(guò)程中，水泥穩(wěn)定碎石基層混合料中不可避免會(huì)混入氣體形成空腔，因此需要對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行壓實(shí)，水泥穩(wěn)定碎石基層的壓實(shí)過(guò)程是最關(guān)鍵的施工質(zhì)量控制措施之一。在壓實(shí)過(guò)程中，骨料聚集形成更緊湊有效的排列形式。足夠的壓實(shí)力讓基層滿足一定的強(qiáng)度和耐久性要求。此外，基礎(chǔ)平整度為瀝青路面施工提供了較好的平整度保證。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)正交試驗(yàn)研究了水泥含量、含水量和級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度和收縮率的影響。在保障基層強(qiáng)度的前提上，將試驗(yàn)路段驗(yàn)收結(jié)果(馬平高速公路K157+950～K158+350右幅)與實(shí)驗(yàn)室試件試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比分析，得到收縮性能較佳的水泥穩(wěn)定碎石基層的混合料配合比方案。最后，通過(guò)正交化試驗(yàn)分析并驗(yàn)證了各種影響因素對(duì)基層性能的影響。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工從水泥穩(wěn)定碎石的拌合、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓成型等方面控制質(zhì)量，保障了基層的施工和使用質(zhì)量。主要結(jié)論和建議為：

(1)影響基層施工和使用質(zhì)量的主要因素為級(jí)配和水泥劑量及含水量等，且影響大小不同。

(2)正交化試驗(yàn)時(shí)，采用7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90 d劈裂強(qiáng)度為試驗(yàn)考核指標(biāo)。結(jié)果表明，四個(gè)正交因素在影響因素的變化區(qū)間水平內(nèi)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度和收縮率存在影響，影響基層強(qiáng)度的大小次序?yàn)椋汉?壓實(shí)度<級(jí)配<水泥劑量。

(3)通過(guò)方差分析，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F的檢驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)選定的正交因素影響基層強(qiáng)度的顯著性程度次序也是：含水量<壓實(shí)度<級(jí)配<水泥劑量。

(4)水泥用量是影響水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度的主要因素。

(5)級(jí)配變異性對(duì)高速公路的運(yùn)維質(zhì)量和抗裂性存在顯著影響，因此針對(duì)骨料級(jí)配的變異性，在生產(chǎn)和施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督力度和技術(shù)指導(dǎo)，及時(shí)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)施工人員的培訓(xùn)，提高施工規(guī)范性。