余 琦，李佳佳，趙丁鑫，刁俊剛，胡光勝

(1. 中建橋梁有限公司，重慶 402260；2. 中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450004；3. 中國建筑第五工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410004；4. 河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450018)

0 引言

在公路路面結(jié)構(gòu)中，基層作為主要的承重層，承擔(dān)著面層傳遞下來的壓力，因此其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等路用性能必須滿足要求。半剛性基層由于強(qiáng)度高、剛度大、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前應(yīng)用最主要的基層結(jié)構(gòu)，其中水泥穩(wěn)定碎石的路用性能最為突出，但水泥穩(wěn)定碎石基層也存在著水泥用量較大，易開裂，容易引起瀝青面層反射裂縫，加速早期損壞的缺陷[1]。級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的路用性能有著決定性影響，其中骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和耐久性等指標(biāo)優(yōu)良，能夠很好地滿足基層的使用要求，但仍然存在著優(yōu)化的空間[2]。

調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料顯示，國道310洛三界至三門峽西段南移新建工程的路面設(shè)計(jì)交通等級(jí)為重交通，且超載現(xiàn)象嚴(yán)重，因此對(duì)路面基層結(jié)構(gòu)的承載能力提出更高要求。強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石路用性能特點(diǎn)能夠較好地滿足工程需求，本文對(duì)該類型水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計(jì)、施工工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用分析，驗(yàn)證了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石用于國省道干線公路底基層的適用性。

1 強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石的特點(diǎn)

在《公路工程路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)和河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DB41/T 846-2013)中，對(duì)常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石和強(qiáng)嵌擠結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配范圍提出了要求，見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍

圖1 兩種結(jié)構(gòu)各篩孔級(jí)配中值通過率

從表1、圖1可以看出，與《細(xì)則》中的常規(guī)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配相比：

(1)強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石各篩孔通過率的上下限范圍均有所減小，且范圍更窄，說明從整體上看該類型水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配將進(jìn)一步變粗。

(2)從級(jí)配范圍中值通過率來看，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石19mm的通過率為64%，常規(guī)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的通過率為78.5%，說明強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料中粒徑在19mm以上的粗骨料占比更多。

(3)與常用的水泥穩(wěn)定碎石相比，19～31.5mm粗集料含量增加了13.5%，4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～0.6mm檔集料分別減少了7.0%、3.5%和4.0%，因此呈現(xiàn)出“三少一多”的特點(diǎn)。

2 原材料

2.1 水泥

本項(xiàng)目所用水泥為澠池仰韶水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5級(jí)緩凝水泥，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 水泥相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目所用水泥的凝結(jié)時(shí)間、安定性、強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求[3]。

2.2 集料

所用集料由順通石場(chǎng)生產(chǎn)，分為19～37.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四檔，其主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 集料主要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目所用粗、細(xì)集料的針片狀、壓碎值、小于0.075mm的顆粒含量及砂當(dāng)量等指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果滿足有關(guān)技術(shù)要求。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

為確定強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的各檔集料比例，需要對(duì)各檔集料的級(jí)配組成進(jìn)行分析，按照規(guī)范要求，對(duì)19～37.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四檔集料進(jìn)行了水洗篩分[4]，結(jié)果見表4。

表4 集料篩分結(jié)果

根據(jù)表4各檔集料篩分結(jié)果，結(jié)合強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配范圍要求，在兼顧混合料抗裂性、施工和易性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，進(jìn)行了礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)，結(jié)果如表5和圖2所示。

表5 礦料合成級(jí)配結(jié)果

圖2 礦料合成級(jí)配曲線

從礦料級(jí)配合成結(jié)果來看，粒徑在9.5mm以上的集料通過率偏級(jí)配范圍上限，4.75mm以下的集料通過率偏級(jí)配范圍下限，說明該混合料的級(jí)配具有粗集料偏多、細(xì)集料偏少的特點(diǎn)。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

由于強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥混凝土中粗骨料所占比例大，傳統(tǒng)的重型擊實(shí)試驗(yàn)難以擊實(shí)，且易離析，無法獲取準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，因此，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率宜采用振動(dòng)擊實(shí)法確定[5]。項(xiàng)目技術(shù)人員對(duì)水泥劑量為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的混合料分別進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見表6，所用振動(dòng)擊實(shí)儀的工作頻率30Hz，振幅1.3mm，上車系統(tǒng)重量1.2kN，下車系統(tǒng)重量1.8kN。

表6 振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 混合料配合比設(shè)計(jì)

進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90d劈裂強(qiáng)度是反映混合料強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，主要用于確定水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量[6]。根據(jù)《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DB41/T864-2013)要求，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石用于底基層施工時(shí)，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于6.5MPa、劈裂強(qiáng)度不小于0.65MPa。

3.3.1 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)前文確定的強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石的礦料合成級(jí)配及各水泥劑量下的最佳含水率和最大干密度，按照《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DB41/T864-2013)附錄C的要求采用垂直振動(dòng)成型方法成型150mm(直徑)×150mm(高)的圓柱體試件。試件成型后置于溫度20℃±2℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)生6d，然后浸入20℃±2℃的恒溫水槽中1d，最后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度是表征材料路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)。強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石的劈裂試驗(yàn)采用直徑φ150mm、高150mm的振動(dòng)成型圓柱體試件。試件制備后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生齡期最后一天將試件浸于水中24h，使用壓力試驗(yàn)機(jī)按照規(guī)定的要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表6、表7可見，水泥劑量為2.5%時(shí)，混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均不滿足規(guī)范要求；水泥劑量為3.0%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足要求，但劈裂強(qiáng)度不足；水泥劑量為3.5%和4.0%時(shí)，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均可滿足規(guī)范要求。因此，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量應(yīng)不小于3.5%。

水泥劑量的增加有助于提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度，但也會(huì)引起水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層工程造價(jià)增加、干縮溫縮加劇等問題[7]?？紤]到施工經(jīng)濟(jì)性和混合料抗裂性，確定強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)的水泥劑量為3.5%(表9)。

表9 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

4 施工質(zhì)量控制及檢驗(yàn)

2019年6月，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，課題組在K14+960～K15+140段鋪筑了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石底基層試驗(yàn)段，試驗(yàn)段長(zhǎng)180m，攤鋪寬度11.95m，厚20cm。

4.1 施工工藝

水泥穩(wěn)定碎石底基層施工主要有混合料的拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓及施工質(zhì)量檢驗(yàn)等流程?；旌狭系陌韬筒捎媒?jīng)標(biāo)定、調(diào)試穩(wěn)定的WDB800Q型水穩(wěn)拌和機(jī)，按照試驗(yàn)室確定的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)拌和；拌和后的混合料分前、中、后三次裝入運(yùn)輸車輛中運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攤鋪；攤鋪采用兩臺(tái)攤鋪機(jī)并聯(lián)單幅全斷面攤鋪，雙機(jī)聯(lián)鋪時(shí)，兩機(jī)相距5～10m，縱向重疊10cm，其他參數(shù)保持一致，攤鋪速度控制在1.5m/min左右，并派專人消除離析現(xiàn)象；混合料攤鋪修整后，在混合料處于最佳含水率時(shí)立即采用壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)按照“先邊后中、先慢后快”的原則進(jìn)行碾壓，碾壓機(jī)械配置為“三鋼兩膠”，碾壓時(shí)重疊1/3～1/2輪寬。具體的碾壓工藝見表10。

表10 碾壓工藝要求

4.2 施工質(zhì)量檢測(cè)

為合理評(píng)價(jià)強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石底基層的施工效果和質(zhì)量，對(duì)施工過程中的水泥劑量、含水率、強(qiáng)度、壓實(shí)度等指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。

(1)采用EDTA滴定法檢測(cè)水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量為3.6%，比配合比設(shè)計(jì)確定的水泥劑量大0.1%，符合施工要求。

(2)采用烘干法對(duì)拌和后的混合料含水率進(jìn)行4次測(cè)定，平均含水率為5.35%，比最佳含水率高約1.0%。這是因?yàn)槭┕きh(huán)境溫度較高，在混合料運(yùn)輸、攤鋪過程中必然會(huì)散失部分水分，為使混合料碾壓含水率接近最佳含水率，在拌和時(shí)會(huì)將混合料含水率提高0.5%～1.0%。

(3)按照表7確定的碾壓工藝完成碾壓后，采用灌砂法對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果為98.5%>97.0%，滿足規(guī)范要求。

(4)采用振動(dòng)成型法制作了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，并按照規(guī)范要求養(yǎng)生后，測(cè)定了試件的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，平均值為7.7MPa，變異系數(shù)6.8%，代表值為6.8MPa>6.5MPa，滿足規(guī)范要求。

(5)對(duì)養(yǎng)生7d后的底基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鉆芯取樣，芯樣完整密實(shí)，高度在19.0～20.9cm之間，平均高度20.2cm。

5 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石相比，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石的粗骨料比例多，具體表現(xiàn)為“9～31.5mm檔集料增多，4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～0.6mm檔集料降低”、“三少一多”的特點(diǎn)。

(2)根據(jù)粗、細(xì)集料的級(jí)配特點(diǎn)，確定了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石的最佳配合比組成為：19～37.5mm碎石:9.5～19mm碎石:4.75～9.5mm:0～4.75mm石屑=30:26:14:30。根據(jù)7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮混合料的抗裂性能和施工經(jīng)濟(jì)性，確定混合料的最佳水泥用量為3.5%，最大干密度為2.396g/cm3，最佳含水率為4.5%。

(3)通過在國道310洛三界至三門峽西段南移新建工程中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，總結(jié)了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石底基層的施工關(guān)鍵，驗(yàn)證了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石底基層應(yīng)用的合理性。