郭海陽，徐獻軍，田國棟

（中交一公局第七工程有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引 言

目前中國絕大多數(shù)高等級公路的路面是半剛性基層瀝青路面。半剛性基層具有強度高、板體性好等優(yōu)點，但同時其剛度大、變形能力差，成型后的基層反射裂縫問題一直是路面施工和后期養(yǎng)護的難點［1］。新疆由于地處內陸干旱地區(qū)，晝夜溫差大，降雨量少，基層施工受干縮和溫縮影響較大，基層裂縫問題尤為突出。新疆地區(qū)基層施工石料以天然砂礫石為主，質地堅硬，含泥量較高，采用水泥穩(wěn)定砂礫材料修筑路面基層，與普通水泥穩(wěn)定碎石相比，在混合料配合比設計和施工工藝方面會有較大不同［2］?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g細則》（JTG F／T20—2015）對于半剛性基層的強度要求有很大程度提高，例如高速公路、一級公路的7d無側限抗壓強度由原先的3～5MPa提高到5～7MPa［3］。基層強度要求的提高直接影響到材料的配合比設計，若盲目加大水泥結合料的摻量，雖然可以提高強度，但同時會加劇基層的開裂，尤其是在新疆地區(qū)，基層開裂的風險極大。因此，如何在保證滿足設計強度的前提下，通過配合比設計的優(yōu)化和施工工藝的改善來減少水泥用量就成為解決基層開裂問題的關鍵［4］。

長期以來，中國水穩(wěn)基層施工多采用集中廠拌法，由于基層材料用量大，為保證出料產量，絕大多數(shù)水穩(wěn)拌合站采用連續(xù)式拌合工藝。采用這種拌合方法的混合料在攪拌倉內的攪拌時間只有7～8s，難以將大粒徑的水泥穩(wěn)定類材料攪拌均勻，粗細集料和水泥在混合料中的分散不均勻，容易出現(xiàn)水泥水化不充分、粗細集料易離析的問題［5］。后場拌合不均勻的水穩(wěn)材料會對前場攤鋪碾壓造成很大影響，成型后的基層存在較大質量隱患。

本文依托新疆G218線吐爾根至阿熱勒托別和連霍高速（G30）新疆境內烏魯木齊至奎屯改擴建項目路面工程項目，對水穩(wěn)拌合站進行改造，在室內試驗配合比設計環(huán)節(jié)采用振動攪拌試驗機進行拌合，通過對比普通攪拌和振動攪拌混合料在強度、變異系數(shù)等方面的技術指標，研究拌合工藝對水泥穩(wěn)定砂礫基層施工質量的影響。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥采用強度等級為32.5的普通硅酸鹽水泥，技術指標如表1所示。實驗室粗細集料采用的是拌合站料倉取樣的水洗天然砂礫石，分為0～5mm、5～10mm、10～15mm和15～20mm四檔，規(guī)格屬于XG3、G11、G9、G5。技術指標均符合標準規(guī)定，篩分結果如表2所示。

表1 水泥各項指標檢測結果

表2 天然砂礫篩分試驗結果

1.2 配合比設計

采用的C－B－1級配如表3所示，根據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中標準重型擊實和振動擊實試驗規(guī)程，確定混合料最大干密度和最佳含水量。本文試驗采取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%共5個水泥劑量，測定不同成型方法下的試件最大干密度和最佳含水量（表4），并對比普通攪拌和振動攪拌水泥穩(wěn)定砂礫7d無側限強度和變異系數(shù)的差別，如圖1、2及表5所示。

2 試驗結果分析

2.1 不同擊實方法對比

表3 水泥穩(wěn)定砂礫級配

由表4可知，重型擊實法測得的最大干密度要明顯小于振動擊實法，且隨著水泥劑量的增大，最大干密度值增大。重型擊實法測得最佳含水量也比振動擊實法要小。分析其原因為，重型擊實法來源于土工試驗，土顆粒粒徑較小時比較適用于該方法，但水泥穩(wěn)定類粒料顆粒中，粗集料普遍在60%～70%以上，0.075mm以下粉粒只有1%～6%，由于顆粒粒徑大且硬度高，重型擊實試驗往往很難使其達到密實狀態(tài)［6］。振動擊實法是通過施加激振力，使水泥穩(wěn)定粒料粗細顆粒不斷改變位置、重新排布后達到密實狀態(tài)。振動擊實法測得的最大干密度是重型擊實法的1.02～1.03倍，實際施工時，不會出現(xiàn)重型擊實法最大干密度較小、壓實度超百的現(xiàn)象［7］。振動擊實法能夠和現(xiàn)場基層成型施工中振動壓路機相吻合，可以更好地指導現(xiàn)場施工。

表4 水泥穩(wěn)定砂礫最大干密度和最佳含水量

圖1 水泥劑量－強度關系

圖2 水泥劑量－變異系數(shù)關系

2.2 不同拌合工藝對比

由圖1、2可知，非振動拌合方式水泥穩(wěn)定砂礫的強度要小于振動拌合方式，且隨著水泥劑量的增加，振動拌合相較于非振動拌合，變異系數(shù)降低的趨勢愈加明顯。

宏觀上的技術指標說明，振動拌合對于水泥穩(wěn)定砂礫基層的技術性能具有良好的增強作用。究其原因是：在拌合的過程中，通過軸振動帶動攪拌臂和攪拌葉片釋放高頻激振力，物料包裹攪拌軸，激振力完全被物料所吸收，促使了微小水顆粒、水泥和細集料在整個混合料體系中的分散［8］；高頻激振力使水泥顆粒處于顫振狀態(tài)，可以打破水泥顆粒團粒，使其充分水化；同時激振力使得集料顆粒運動速度增大，增加了顆粒之間的有效碰撞次數(shù)，增強骨料與水泥水化物之間的界面黏結強度［9］。

表5 水泥穩(wěn)定砂礫無側限抗壓強度和變異系數(shù)

水泥穩(wěn)定材料中，水泥顆粒粒徑為3～80μm，粉煤灰顆粒粒徑為45μm，水滴最小直徑為20μm，當這些微小粒徑的顆粒性材料在混合料中均勻彌散分布，才能實現(xiàn)微觀上的均勻。傳統(tǒng)拌合技術由于攪拌機理方面存在缺陷，很難實現(xiàn)微觀均勻［10］。同配比情況下，將傳統(tǒng)拌合和振動拌合水穩(wěn)材料在掃描電鏡下放大2 000倍（圖3），兩者的區(qū)別非常明顯［11］。傳統(tǒng)拌合水穩(wěn)材料中，細小松散的CSH（水化硅酸鈣）凝膠顆粒散落于骨料表面而沒有強力黏附，粗細骨料和水化產物界面明顯，期間的過渡相結構疏松；而振動拌合水穩(wěn)材料水泥水化充分，粗細骨料和水化產物渾然一體，微小顆粒材料均勻彌散，整體結構致密均勻［12］。

圖3 2 000倍掃描電鏡照片

對于新疆地區(qū)典型的水泥穩(wěn)定砂礫來說，由于料源的限制，大部分骨料采用未經破碎的天然砂礫石，顆粒形狀不規(guī)整，硬度高，含泥量大，普通連續(xù)式攪拌工藝難以保證物料的拌合均勻性［13］。振動拌合技術通過對機械設備的改進，在保證拌合均勻性的同時，可以縮短拌合時間，提高施工后場的生產效率，特別適用于規(guī)模化施工作業(yè)、需要大方量物料的工程［14］。

3 試驗路鋪筑

本項目依托工程為新疆G218線吐爾根至阿熱勒托別項目，路線全長29.3km。路面結構形式為：5cm厚中粒式SBS改進性瀝青混凝土（AC－16C SBS改進性瀝青）上面層、7cm厚粗粒式瀝青混凝土（AC－25F）下面層、1cm改性乳化瀝青下封層，38 cm水泥穩(wěn)定砂礫基層（5%）、20cm級配砂礫底基層。根據前期研究確定的配合比設計方案，鋪筑了100m水泥穩(wěn)定砂礫基層試驗段。

水泥穩(wěn)定砂礫拌合階段控制含水量為5.5%，水泥劑量采用5%。在從拌合站運輸?shù)綌備佔鳂I(yè)面的過程中，必須用篷布覆蓋水穩(wěn)料，并嚴格控制物料中轉時間，以防在運輸中水分蒸發(fā)損失。到達施工現(xiàn)場后立即測定含水量，保證碾壓含水率控制在最佳含水率范圍以內。攤鋪全程采用攤鋪機操作，配合人工整平，攤鋪寬度為19.95m，采用3臺攤鋪機梯隊作業(yè)連鋪施工。采用組合式碾壓工藝：18t振動壓路機靜壓1遍，弱振1遍，強振2遍，再弱振1遍，最后26t膠輪壓路機收面。采用土工布覆蓋灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生期不少于7d。現(xiàn)場檢測壓實度均在98%以上，芯樣完整度較好。

4 結 語

通過室內試驗對比分析了重型擊實和振動擊實配合比設計方法對水泥穩(wěn)定砂礫最大干密度和最佳含水率的影響；對比分析了非振動拌合和振動拌合工藝對水泥穩(wěn)定砂礫強度和變異系數(shù)的影響；最后現(xiàn)場鋪筑試驗段，取得了良好的效果，并得到以下結論。

（1）不同水泥劑量下，振動擊實法測得的最大干密度是重型擊實法的1.02～1.03倍，最佳含水量也有所增大。

（2）不同水泥劑量下，非振動拌合水泥穩(wěn)定砂礫的強度要小于振動拌合，且變異系數(shù)大于振動拌合方式。

（3）振動擊實法和振動拌合工藝相結合的施工技術，對于水泥穩(wěn)定砂礫的施工質量有很好的改善效果。