对水泥稳定碎石下砾石砂做垫层的探究

魏 伟，祝晓晴，王 冰

（上海市凯达公路工程公司，上海市 201600）

0 前言

近几年来，水泥稳定碎石被广泛应用在道路工程的基层施工当中。在施工质量检验中发现，按照《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 03-2000）、《公路工程无机结合料稳定材料实验规范》（JTG E51-2009）和《公路工程集料试验规程》（JTG E 42-2005）对水稳基层取样抽检时，总有个别试件质量达不到设计要求。为了找出原因，又对不同工程、不同路段的道路分别钻芯取样，进行多频次检测。通过检验对比，发现出问题的芯样，基本都在砾石砂或碎石垫层路段（主要是密实度不达标），而二灰垫层、灰土垫层、固化土垫层则质量相对比较稳定。针对发现的问题对路基材料进行研究，并结合工程实例就产生质量问题的原因进行分析。下面将分析意见提供给大家参考，期望共同探讨，使路基质量在设计和施工环节能够真正得到保障。

1 基层材料的演变过程

上海和江浙部分地区道路基层材料目前选用比较多的主要有“粉煤灰三渣”和“水泥稳定碎石”两种类型（见图1～图3）。

“粉煤灰三渣”从20世纪70年代开始一直沿用至今。实践证明，它的确是一种填筑路基的好材料，上海市大部分道路基本都是采用这种材料作为路面基层。但是，到了20世纪90年代，随着交通流量的不断增大，各种高等级道路相继建成，原先的道路在重型车载和庞大的车流荷载频繁行驶中，已经不堪重负，许多道路在尚未达到设计使用年限时就严重损坏，其中损坏的主要原因之一就是基层强度不足。针对基层强度不足的问题，设计也曾想过许多办法，如：增加基层和面层的结构层厚度，对垫层进行加固处理等等。事实证明，这些办法的确有一定效果，但由于三渣的拌合质量不能严格控制，技术标准和检测手段不够完善，施工过程中的摊铺碾压不能达标以及其它种种原因，导致基层过早出现病害，严重影响路面的使用寿命。到了20世纪90年代末，为了满足现阶段重型交通多、车流量大、解决粉煤灰三渣拌合质量达不到设计要求以及质量检验难以把握的问题，设计科研单位又推出了用水泥稳定碎石做道路基层的方法。这种新型材料一经推出，立刻在全市范围内得以推广。水泥稳定碎石就是以级配碎石做骨料，配备一定数量的胶凝材料和足够的灰浆填充骨料空隙，通过碾压使材料相互嵌挤密实，形成具有一定抗压强度的承载板体（达到稳固基层的目的）。这种材料早（初）期强度高，强度随龄期增加速度较快（一般7d无侧限抗压强度就可达到3.5～5 MPa以上），用水稳作基层，结板后的基层表面不宜起灰，下雨天路表不泥泞，露骨面积大，与沥青混凝土面层结合比较好。

2 水稳基层和三渣基层的不同点对比

为了更清楚地了解水泥稳定碎石和粉煤灰三渣基层各自不同的特点，下面选取主要技术指标相互比较，详见表1。

表1 水泥稳定碎石和粉煤灰三渣主要技术指标比较

3 对选择垫层材料的讨论

目前，上海市道路工程最常用的结构层组合形式为：面层（4 cm细粒式+6～8 cm粗粒式或中粒式）沥青混凝土；基层（35～40 cm）粉煤灰三渣或（25～35 cm）水泥稳定碎石；垫层（15 cm砾石砂）。

从结构组合中看到，无论采用什么类型的基层材料，其垫层材料都是采用“砾石砂”，而在实际工程中发现，凡是路基采用水泥稳定碎石，垫层采用砾石砂的路段，其水稳的碾压密实度通过钻芯取样检测总是不能达到令人满意的效果。起初我们分析后认为，这可能是施工过程中压路机碾压次数偏少或碾压吨位小的缘故，于是，适当调整施工方案，严格按照施工操作规程进行施工，结果效果依然，甚至有些路段经多次碾压以后反而效果更差。反观某些用二灰土处理过的路段，由于没有铺筑砾石砂垫层，直接在灰土上铺筑水泥稳定碎石，不但效果好，而且钻芯取样全部合格。随后，又对市内其它工地进行调查，发现凡是采用灰土或以密实材料作为水泥稳定碎石垫层的道路，钻芯取样也大都合格。尤其是在对崇明G40高速公路水稳施工现场观摩中了解到，该工程路基选用两种不同级配的水泥稳定碎石，其下垫层为石灰土，水稳钻芯取样检测全部合格（见图1）。

由如此结果，联想到某些工程砾石砂做垫层数次抽检不合格的情况，其中原因究竟是什么。

砾石砂作为一种松散状的垫层材料，最早主要用在粉煤灰三渣下做垫层使用，其作用就是将路基内的潜滞水通过砾石砂逐渐渗排到基槽以外，是土路基和基层之间的过渡层。这种材料，在与粉煤灰三渣组合使用时，由于两种材料均为松散的粗粒式级配，结合面相互崁锁，容易挤密（见图3）。

水泥稳定碎石由于其中掺加了水泥和粉煤灰，级配料相对比较细腻，且具有和易性好、凝结快、整体结板性好等特点，当其下采用砾石砂以后，碾压振动很容易使板体压实度减弱，出现密实度检测不合格的情况。

从施工方面来讲，水泥稳定碎石一般分两层进行摊铺。第一层厚度在18 cm左右，用中型压路机进行碾压；第二层则用重型压路机加振动进行碾压。在摊铺过程中，为了检验碾压效果，我们特意开挖1 m见方样洞，对水稳下砾石砂垫层进行观察。结果发现，当压路机从检查孔洞旁走过的时候，底层砾石砂有移动现象，于是用振动压路机再次碾压，虽然砾石砂没有大的移动，但水稳层由于碾压过度，致使内部结构发生变化，出现了钻芯取样不完整的情况。

从上述种种情况中得到这样一个结论：砾石砂做垫层，对以粗粒式级配料构成的粉煤灰三渣基层比较适用，而对密实度高、表面比较平整、以细粒式级配料构成的水泥稳定碎石基层不太适用，原因分析如下：

（1）“砾石砂”是一种松散状材料，而水稳则是密级配材料，当水稳摊铺碾压结板以后，其底面与砾石砂表面基本呈平面接触，因此，当压路机碾压行进时所产生的水平推力会推动底层砾石砂产生位移（见图4），使水稳的碾压质量受到影响。三渣基层由于其底面与砾石砂表面呈齿状接触，相互崁锁紧密，碾压过程中不存在垫层材料移动的问题。

（2）水稳材料容易结板，在碾压过程中如果压路机开启振动，由振动产生的垂直力除了使材料密实外，同时还将这种力向下传递到垫层。垫层如果是砾石砂，由于它是松散状材料，会吸纳和消解由振动产生的垂直碾压力，从而使压实效果减弱，甚至出现密实度不能达标的情况。但如果垫层是密实度较高的灰土或二灰土，由于其表面平整密实，垂直力不会被吸纳消解（见图5），碾压力得到保障，所以，历次检测水稳芯样基本都能满足密实度要求。

（3）水稳钻芯取样检测不能达标除了垫层材料影响因素外，另一个原因就是水泥稳定碎石级配过程中水灰比的控制以及原材料不合格所致。因为在灰土或二灰土路段，如果垫层碾压不密实，材料拌合均匀，水稳路基同样会出现质量不合格的情况。

4 工程实例图片对比

图6～图8是松江区卖新公路改造工程和新格路改建工程取样实景。

5 结语

通过对水泥稳定碎石下垫层究竟选择什么材料比较好这一问题的探讨，我们基本可以得出这样一个结论，那就是：松散材料砾石砂做垫层不利于碾压密实，而密级配材料如灰土、二灰土、粉煤灰、固化土等则相对比较适合。得出这样的结论或许从分析方法、数据论证等方面尚有不足，但毕竟我们通过工程观察以及讨论分析知道了砾石砂做垫层不利的一面，这对以后类似工程的设计和施工无疑都是一种帮助。