待功高速公路大厚度水泥稳定碎石基层设计与施工

杨自全;支启恒;王瑞祥

【摘 要】针对大厚度水泥稳定碎石基层分层施工存在的层间结合不良、施工裂缝较多和施工工期较长等问题,以云南待功高速公路建设项目为依托,从原材料选择、室内配合比设计、施工工艺及质量检测等方面对大厚度水泥稳定碎石基层进行试验分析,总结出适合云南本地的水泥稳定碎石基层设计与施工方法.结果表明:对于大厚度水泥稳定碎石基层施工,振动击实可以更为有效地模拟现场压实;两层摊铺一次碾压比整层摊铺一次碾压的施工工艺更加可靠. 【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》 【年(卷),期】2016(033)008 【总页数】6页(P39-43,47)

【关键词】水泥稳定碎石基层;配合比设计;大厚度施工;质量检测 【作 者】杨自全;支启恒;王瑞祥

【作者单位】云南待功高速公路建设指挥部,云南昆明650200;重庆交通建设(集团)有限责任公司,重庆401121;长安大学公路学院,陕西西安710064 【正文语种】中 文 【中图分类】U416.214

水泥稳定碎石基层具有强度高、水稳性好、整体性好、抗冲刷和抗冻性能强等优点，被广泛应用于高速公路路面。在传统的水泥稳定碎石基层施工作业中，设计厚度超过30cm的基层一般采用分层施工，即下基层成型、碾压完毕后，至少需要养生

7d才可铺筑上基层。但工程实践表明，这种施工方法不仅施工周期较长，还存在着层间连接不好、整体性不佳等问题。因此，大厚度水泥稳定碎石基层一次性摊铺及碾压工艺被不断地研究并采用。大厚度水泥稳定碎石基层施工即上下基层整体一次性摊铺，这种工艺有效地缩短了工程施工周期，实现了水泥稳定碎石基层施工工序的简化。目前该技术已在云南、广东、江西、内蒙和河南等省份推广应用，解决了传统分层摊铺的诸多问题，代表了未来水泥稳定碎石基层施工的发展方向［1］。 云南省待补至功山高速公路是国家高速公路G85渝昆高速的一段，连接已建成的会泽至待补、功山至嵩明两段高速公路。路线长67.179km，按双向四车道设计，设计速度80km·h－1。路面结构为：4cm SMA－13＋6cm AC－20C＋8cm AC－25C＋0.6cm乳化沥青稀浆封层＋38cm水泥稳定碎石基层＋20cm级配碎石底基层，总厚度76.6cm。本项目针对38cm厚水泥稳定碎石基层，采用大厚度一次成型施工工艺。

原材料本身能否达到技术要求对水泥稳定碎石基层施工质量有很大影响。碎石采用质地坚硬、耐久的干石灰岩或由砂岩破碎而成，其颗粒形状应具有棱角，近似立方体，有机质含量小于2%，硫酸盐含量小于0.25%，粗集料软石含量小于5%，集料的其他指标均应符合《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）的规定。

经调查取样检测，本项目某标段采用会泽县待补镇鸿鑫石料场生产的矿料，按5、12、22、33mm的筛孔分4档进行分类，对应为1＃料（31.5～19mm）、2＃料（19～9.5mm）、3＃料（9.5～4.75 mm）和4＃料（4.75mm以下的石屑）。为保证所生产集料的质量，破碎前除去山体表面的盖山土，同时在颚式破碎机振动喂料器前加装隔片筛，通过结构自身的高频振动，对进入头破的泥土、细粉料、杂质等进行筛选、过滤，减少粉尘含量和泥块杂质。依据设计文件及《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）的要求对矿料进行各项指标的试验检测，

结果见表1。水泥采用会泽金塬水泥有限公司生产的复合硅酸盐P·C42.5水泥，检测结果见表2。

拌和站储料仓依据标准化建设的要求，对场地进行硬化处理，不同料源、不同粒径的集料分开堆放，并设有明显的标识牌。对料仓加盖顶棚，以防止雨水对集料含水率的影响。拌和站进料时，运料车将集料卸在预定的位置，由装载机将其按照一定的角度堆放在料堆上一层，以保持同粒径集料的均匀性［2］。 2.1 矿料组成设计

原材料的筛分试验结果见表3。

本项目水泥稳定碎石基层混合料采用骨架密实型结构，根据原材料的筛分试验结果，在级配范围内调试出偏细（级配1）、中间（级配2）、偏粗（级配3）三种级配，其合成级配通过率见表4、图1。 2.2 击实方式的选择

常用水泥稳定碎石混合料的室内试验击实仪器为重型击实仪和振动击实仪，两者在击实方式和击实功上有很大的差别，所以2种方法设计的水泥稳定碎石物理特性与路用性能也会有差别［3］。

为比较2种击实方式对试件成型结果的影响，选择级配2进行室内试验，水泥剂量按照3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%添加。重型击实成型方式加水量按混合料的3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%进行试验，振动击实成型方式加水量按混合料的3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%进行室内试验，试验方法参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009），击实后混合料的含水量与干密度的关系如图2所示。不同水泥剂量的混合料最大干密度和最佳含水量如表5所示。

从试验结果可以看出：振动击实的最佳含水量略大于重型击实；振动击实的最大干密度大于重型击实，两者的比值为介于1.02与1.06之间。若现场施工以重型击实

结果作为压实标准，压实度达到98%时，只相当于振动击实压实度的92%～96%；而若现场施工以振动击实结果作为压实标准，压实标准达到98%时，相当于重型击实的102%～106%。在现场试验段铺筑过程中，其压实密度的代表值为2.386g·cm－3，若采用水泥剂量为4.0%的混合料的重型击实密度2.364g·cm－3作为压实标准，压实度为101%，已无法控制；而采用振动压实结果2.399g·cm－3作为压实标准，压实度为99.4%，符合规范要求。由压实度的评价结果可以看出，振动压实能够合理地控制现场施工。因此，建议对水泥稳定碎石采用振动击实方式。

2.3 振动时间的确定

振动压实存在一个最大干密度的时间点，该时间点对应的时间段就是最佳振动时间，振动时间超过最大干密度时间点，必然导致混合料级配发生较大衰变而改变级配组成，使得骨架密实型水泥稳定碎石基层级配组成失去施工指导意义。故振动压实应在材料具有最大密度且粗集料并未破裂时结束。

根据水泥稳定碎石不同的水泥用量和含水量确定振动时间。选择级配2进行试验，试验用振动击实仪的基本参数如表6所示。参照云南以往施工经验使用水泥剂量4.0%、4.5%和最佳含水率的99.5%～100.5%确定振动时间。

研究了不同振动时间下混合料干密度的变化情况，振动密度曲线见图3、4。 试验结果表明：振动击实仪的振动密度曲线呈先增加、再减小、再增加的趋势。这是因为：在初始阶段，混合料处于松散状态，击实功的累加使混合料逐渐挤密，且在振动状态下，细集料逐渐填充骨架料之间的缝隙，使密度持续增大，直到最大密实状态；接着，随着击实功的增加，混合料中的骨架料被压碎，混合料出现松散现象，导致密度减小；最后，随着击实功的再次增加，粗骨料的空隙再次被填料填充，混合料密度再增大［4］。密度曲线在出现第1个最高点时，混合料在保证级配不变的情况下，达到了最大压实密度，此时振动压实时间为100s。确定振动成型时

间的原则是：在混合料达到规定压实度的情况下，振动时间越短越好。《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）规定，水泥稳定碎石基层压实度不小于98%。根据试验结果，100s对应的最大干密度为2.399g·cm－3，对应于最大干密度98%的振动时间为60s，因此，取60s为振动成型时间。 2.4 配合比设计结论

根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）并结合室内试验结果，建议采用的配合比、水泥剂量、最大干密度、最佳含水率如表7所示。 大厚度水泥稳定碎石基层施工主要有2种方式：两层摊铺一次碾压和整层摊铺一次碾压。其中，分两层摊铺能保证下基层压实度，施工控制更为简单可行，且分两层摊铺时采用双机并幅呈梯队方式的摊铺工艺，可以减少混合料的离析；不足之处在于施工作业时间长，机械成本相对较高。整层摊铺效率较高，机械成本相对较低，但存在以下问题：整层摊铺一次碾压必须采用大吨位的压路机，可能使上基层压实度超百而下基层碾压不足；松铺系数控制困难；模板固定困难；下基层压实度检测难度大。

就目前的现状而言，两层摊铺一次碾压比整层摊铺一次碾压的施工工艺更加可靠。两层摊铺一次碾压，在摊铺完第一层后，用羊角碾碾压，可以增强底部密实度，在整体压实时，振动压路机激振力就可以适当调小，以免基层表面集料被压碎；同时使下层水泥稳定碎石的表面形成凹凸不平的状态，可以增强上下基层层间的结合。 本项目采用两层摊铺一次成型的施工工艺，基层设计厚度为38cm，宽12m，上基层厚度为20cm，下基层厚度为18cm，松铺系数1.30，松铺厚度50cm。摊铺工艺如图5所示［5－6］。 4.1 压实设备的选择

由于采用骨架密实型水泥稳定碎石混合料，压实时需较大的作用力，且由于压实层较厚，为保证结构层上下均匀密实，故对压实设备提出较高要求，宜采用重型振动

压路机进行。此外，当压实达到一定程度时继续碾压会使骨料破碎，因此，碾压达到一定密实度须采用胶轮压路机进行碾压，使表面集料均匀、密实。本项目采用的压实设备如表8所示。 4.2 压实方案的选择

本项目选择待功高速一标段上行线K0＋250～K0＋450段进行大厚度试验段的铺筑，在摊铺50m左右开始碾压，一般50～80m为一个碾压段。碾压的基本原则为：先轻后重，由两边向中间，由低到高。对压实度采用分层检测，并辅以整体检测。本项目结合李少华等人研究得出的碾压方案［7］（方案1见表9），以及现场设计的2个碾压方案（方案2、3见表10、11），根据整体以及分层压实度进行碾压方案的比选。

通过压实度检测结果对比发现：在相同碾压遍数的情况下，方案1中由于采用整体压实度检测，未进行分层压实度检测，无法得出下层混合料的真实密实情况，且整体压实度低于方案2；方案3中虽然整体压实度能够满足规范要求（不低于98%），但下层压实度为96.9%，不满足规范要求，且在分层检测过程中发现上下层压实度差异较大，基层受力不一致，无法形成良好的整体弹性层状体系，不能很好地满足路用性能要求；方案2在相同压实功下，不仅上下层能够满足98%的压实度要求，并且碾压质量优于其他2个方案。因此，选择方案2作为大厚度施工的推荐方案较为合理。

（1）合理的击实以及成型方式对水泥稳定碎石路用性能有很大影响［8］，本项目针对大厚度水泥稳定碎石基层施工工艺，从最佳含水量和最大干密度的确定角度进行研究，得出振动击实可以更为有效地模拟现场压实［9］。

（2）振动成型仪在使用的过程中，存在着振动压实时间和试件成型时间不明确的问题，本文设计了试验方案，得出混合料的最大压实密度对应的振动时间为100s，振动成型试件的时间为60s。

（3）对于大厚度水泥稳定碎石基层，两层摊铺一次碾压比整层摊铺一次碾压施工工艺更加可靠［10］。

（4）压实是大厚度水泥稳定碎石基层施工中最为关键的工序。本文设计了2种碾压方案，并结合国内其他可行方案，根据整体以及分层压实度进行碾压方案的比选，得到较为可行的大厚度施工碾压方案。

【相关文献】

［1］ 黄中文.水泥稳定碎石基层压实标准及大厚度压实技术研究［D］.西安：长安大学，2008. ［2］ 田耀刚，石帅锋，刘 芳，等.整体大厚度水泥稳定碎石基层耐久性研究［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2015，34（3）：420－425.

［3］ 李源渊.不同成型方式的水泥碎石性能对比［J］.华南理工大学：自然科学版，2014，42（8）：84－90.

［4］ 李明杰.水泥稳定碎石振动试验方法研究及运用［D］.西安：长安大学，2010.

［5］ 刘燕燕，胡力群，蒋 科.水泥稳定碎石基层分层摊铺一次成型施工工艺研究［J］.路基工程，2012（5）：79－82.

［6］ 邢 华，刘 健，张永禄.沥青混凝土摊铺机稳定层摊铺技术［J］.筑路机械与施工机械化，2000，17（1）：50－51.

［7］ 李少华.半刚性基层大厚度宽幅摊铺施工技术研究［D］.西安：长安大学，2014.

［8］ 徐 峰，孙建禹.大厚度水泥稳定碎石基层在高速公路中的应用［J］.公路与汽运，2015（6）：100－103.

［9］ 刘占良，郑建峰.大厚度沥青稳定碎石基层碾压工艺［J］.筑路机械与施工机械化，2009，26（1）：35－36.

［10］ 蒋应军，李明杰，张俊杰，等.水泥稳定碎石强度影响因素［J］.长安大学学报：自然科学版，2010，30（4）：1－7.