阳俊 沈杰 刘旷怡
（1 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司)
(2 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室)
(3 中交二航武汉港湾新材料有限公司）
水泥稳定碎石基层作为高速公路最常用的材料类型，具有承载力高、水稳定性好、造价低廉等优点，然而由于路面基层施工工艺特点及水泥稳定碎石等半刚性材料自身特性，在工程应用中也存在一些普遍问题，如：水泥稳定碎石基层的开裂现象比较普遍，抵抗冲刷能力较差，基层厚铺施工中采用分层摊铺时存在施工周期长，上、下基层黏合质量差等问题。针对水泥稳定碎石材料特性，众多学者在提升其抗裂和抗冲刷性能方面进行了大量的研究[1-4]，提出了抗裂型水泥稳定碎石配制及施工关键点。随着路面施工工艺不断创新，双层连续摊铺的一次成型工艺也开始广泛应用[4,5]。
西南山岭地区某高速公路由于项目地处西南山岭低纬地区，温湿多雨、阳光辐射强、夏季气温高、昼夜温差大，雨季集中，同时由于地形条件的限制，受重载、超载、持续高温等影响，路面车辙病害、疲劳病害及水损害问题较为突出。为使基层整体强度更加均匀，密实度更高，增强基层的强度及抗水损害性能，需结合路面结构特点，通过材料优选、优化配合比设计、以及控制抗裂型水泥稳定碎石基层双层连铺施工工艺，才能提高路面基层的施工质量及耐久性能。
西南山岭地区某高速标段全长14.351km，主线为双向4 车道，设计汽车荷载等级采用公路Ⅰ级，设计速度80km/h，路基宽度25.5mm。主线路面结构层组成见表1。
表1 主线路面结构组成
2.1 集料
优选石灰岩宕口进行集料加工，集料生产采用“颚式破碎机（一破）+反击式破碎机（二破）”工艺，通过筛孔调节，控制单档集料粒径。集料规格为：1 号料（19～31.5mm）、2 号料（9.5～19mm）、3 号料（4.75～9.5mm）、4号料（2.36～4.75mm）、5 号料（0～2.36mm），集料关键指标技术要求及试验结果见表2、表3。
表2 集料物理及力学性质
表3 集料筛分试验结果
2.2 水泥
结合当地水泥厂生产供应能力及水稳基层材料要求合理选材，并考虑经济性，选取文山兴建复合硅酸盐水泥（P.C 42.5），其80μm 筛余量6.45%，标准稠度为26%、初凝时间337min、终凝时间419min，抗压强度：3天21.2MPa，28 天47.3MPa，抗折强度：3 天4.7MPa，28天7.3MPa。
3.1 集料级配设计
抗裂型水泥稳定碎石具有稳定、良好的骨架结构，与普通水稳相比，具有强度高，干缩、温缩裂缝少等特点。大量研究证明，抗裂型水泥稳定碎石基层设计的关键是在满足强度的要求下，应尽可能减少水泥用量并合理控制细集料含量[2,7]。要获得较小的矿料间隙率，实现较低剂量、骨架稳定的水泥稳定碎石，需进行集料级配优化设计。
采用振动成型的多级嵌挤骨架密实水泥稳定碎石进行级配设计。通过粗细集料分级掺配，采用逐级填充法以及I 法分别确定粗、细集料级配及最佳质量比。不同粗细集料比例下，集料关键筛孔筛分情况见表4。
表4 不同粗、细集料比例下集料关键筛孔筛分结果
以水泥剂量4.0%，比较不同粗、细集料比例下混合料的7d 无侧限抗压强度，试验结果见图1。
由上述试验结果可知，随着粗集料比例占比增加，混合料强度呈现先增大后减小趋势，细集料较多，骨架趋于悬浮结构，细集料减少，骨架内部空隙大。当粗集料占比为75%时，骨架结构稳定，混合料强度最高。鉴于此，考虑工程实践施工和易性等情况，最终确定粗细集料的质量比为75:25；
即最终确定各档集料19 ～31.5mm:9.5 ～19mm:4.75 ～9.5mm:2.36 ～4.75mm:0 ～2.36mm 的质量比为24:31:20:8:17。后续施工中，建议抗裂型水泥稳定碎石集料级配范围如表5 所示。
表5 抗裂型水泥稳定碎石集料级配范围要求
3.2 水泥剂量及最佳含水率确定
水泥稳定碎石基层采用振动碾压方式成型，为真实模拟施工现场，测得合理的最大干密度、最佳含水量来控制现场施工质量，抗裂水泥稳定碎石配合比设计时主要采用振动击实法［2,7］。
试验取用现场水泥，选取水泥剂量为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%进行振动击实试验，确定各组混合料的最佳含水量和最大干密度、7d 无侧限抗压强度及劈裂抗拉强度，试验结果见表6。
表6 水泥稳定碎石基层配合比
由表6 可知，水泥稳定碎石的力学性能与水泥剂量正相关，而大量研究也证明，同一级配条件下，水泥稳定碎石基层干缩和温缩系数随着水泥剂量增加而增加。因此要满足水泥稳定碎石基层强度要求，并使之具有较小的温缩、干缩系数和良好施工性能，最终选用抗裂型水泥稳定碎石的水泥剂量为4.0%，最佳含水量4.3%。
3.3 延迟时间确定
水泥稳定碎石采用双层连铺施工时，混合料从加水拌和到碾压终了有一定的延迟时间，其对混合料的强度和密度影响很大。边旭炜［8］通过二次振动试验测得模拟施工现场，对水泥稳定碎石基层双层连铺延迟时间各种因素进行详细分析，提出最大延迟时间确定方法。参照此方法，测得延迟时间对水稳性能影响，结果如表7 及图2 所示。
表7 延迟时间对抗裂型水泥稳定碎石性能影响
从表7 及图2 可看出，延迟时间控制小于9h 时，因二次做功，对混合料进一步压密，水稳强度较一次振实有一定程度增加，当延迟时间继续增加，水稳强度降低较明显，延迟时间超过12h，其强度已低于基准强度。此外，考虑现场施工气温、风速等，并考虑二次扰动对水泥稳定碎石基层层间结合特性的影响［9］，应尽可能控制延迟时间不超过6h。
水泥稳定碎石基层采用“双层连铺、一次成型”施工工艺时，需一次达到质量标准，尤其要通过合理化组织，精细化作业，加强施工过程管控。施工时应对原材料、混合料配比、拌和过程、摊铺及碾压等质量关键点进行加强控制。
4.1 原材料
应严格控制水泥及集料质量。水泥应选择稳定性可靠的厂家，初凝时间应大于3 小时(宜大于4 小时)、终凝时间大于6h 且小于10h。集料生产应采用反击破破碎工艺，确保集料粒型符合要求，尤其应严格控制细集料0.075mm 通过率和塑性指数，尽可能减少水泥稳定集料中的粘土含量。建议合成级配通过0.075mm 筛孔的颗粒含量尽量控制在5%以下，通过4.75mm 筛孔的颗粒含量尽量控制在35%左右；
如含有塑性指数的土时，塑性指数宜控制在4 以下。
4.2 混合料配比
在生产施工过程中应该严格控制集料级配的变异性，集料掺配时应合成级配呈“S”型，严格控制关键筛孔通过率，当集料来源改变或者采用多来源集料时，应该提前进行配合比验证，必要时应重新进行配合比设计。考虑水泥稳定碎石基层的抗裂性，可通过改善集料级配的方法以减少水泥用量，水泥剂量不宜大于5%。
4.3 拌和过程
为确保生产的混合料的拌合质量，拌和楼进行混合料生产前，试验人员应对原材料含水检测，确保总用水量处于最佳范围。夏季或气温较高时，应考虑水分散失等因素，最佳含水量应提高0.5%～1.0%。拌和生产时，应验证拌和均匀性。
4.4 混合料摊铺
双层摊铺时，应提前将底基层洒水湿润，上基层施工时，下基层表面应喷洒水泥净浆，水泥净浆量宜不少于0.5～1.2㎏/m2，洒布长度以不大于摊铺机前30～40m 为宜。为减少摊铺离析现象，摊铺机变速箱处必须安装反向叶片，派专人检查摊铺机后方，及时铲除局部集料堆积或离析部位，并用新拌混合料填补。
4.5 碾压
混合料摊铺后应及时进行碾压。选用试铺段施工得到最佳碾压组合，碾压段落为40～60m，推荐碾压组合方式见表8。
表8 推荐的碾压方式组合
碾压过程中应重视接缝处理，摊铺中断或每段工作结束时要设置横缝时，摊铺机驶离摊铺混合料末端，压实后碾压末端形成斜坡。摊铺新混合料前，检测接缝处平整度，垂直切去不合格部分，清理干净，涂刷黏层油，混合料骑缝碾压，呈“八”字形，先横向碾压至新铺混合料处，再纵向碾压。
4.6 养生及交通管制
合理的养生能保证水泥稳定碎石基层强度，也能有效地减少或避免干缩裂缝产生。在基层碾压完成并经检测合格后，应立即进行养生，避免基层表面水分散失。可用土工布覆盖洒水养生，也可洒布乳化沥青。洒水养生时，应视气候情况，每日洒水5～6 次，做到均匀撒布，养生期不少于7d。
⑴碾压过程中，采用灌砂法对基层压实度进行全面检测。各测点压实度均能满足要求（不小于98%）。其中上基层压实度均大于100%，下层压实度介于98%～99%之间。
⑵养生结束后，钻取芯样进行完整性检测，共取芯5 处，均能取出完整芯样，密基层上部和下部连接紧密，从图3 可以看出现场取出的芯样较为完整，说明水泥稳定碎石基层双层连铺施工效果与养生效果均比较理想。
⑶自抗裂型水泥稳定碎石基层施工完成，通过近3个月对基层裂缝发展情况持续观测，多数路段未出现裂缝，少数出现裂缝路段裂缝间距约300～400m。
施工实践表明，采用抗裂型水泥稳定碎石一次摊铺成型工艺，能减少下基层养生等施工工序，减少或延缓了路面裂缝的产生，在提升路面施工效率的同时，提高了路面的施工质量及耐久性能。
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