骨架密实结构低剂量水泥稳定碎石抗裂基层技术研究

靳志宇

摘 要：针对水泥稳定碎石的抗裂能力和强度要求，用振动法进行了混合料级配优化，并结合室内试验结果确定了实体工程采用的配料比。实体工程的现场检测结果表明，经振动压实的骨架密度结构低剂量水泥稳定碎石混合料的强度、抗裂性能与室内试验结果基本一致，基层抗裂性能得到明显提高。

关键词：水泥稳定碎石；抗裂；振动法；骨架密实结构

中图分类号：U416.1 文献标志码：B

0 引 言

半刚性基层具有强度高、板体性好、稳定性高及建设成本低的优点，但在实际使用中存在一些不足。目前，半刚性基层的突出问题是由于材料组成设计不佳或施工中关键工序控制不力而引起的开裂问题，以及由此引发的其他路面病害[1]。长期以来，中国在半刚性基层抗裂方面的研究主要从材料入手，也取得了一些成绩，但总体来讲，实体工程并没有取得突破性的进展。成型方式的变革、级配的优化使半刚性基层抗裂性能取得了突破性的进展。本文依托大广线濮阳段高速公路，对骨架密实结构低剂量水泥稳定碎石抗裂基层技术进行了研究。

1 原材料性质

1.1 水泥

采用当地孟电325#水泥，技术指标见表1。

1.2 石料

石料采用当地石灰岩，经检测，粗集料压碎值为7.9%，满足规范中的要求（不大于30%）。

2 室内试验

2.1 成型方式

室内材料配比设计中需要成型小型试件，并对其物理、力学以及相应的路用性能进行试验、测试[2]。尽可能使室内试件成型的方式与现场碾压方式匹配，才能测得室内、外一致的最大干密度、最佳含水量和无侧限抗压强度，才能有效控制现场质量[3]。

长安大学沙爱民教授研制了室内道路材料振动压实机，该机较好地模拟了振动压路机的工作原理，并且具备更灵活的振动参数调节范围。采用变频器实现振动频率的无级可调，根据振动压路机常用的频率和材料固有的频率范围，选择频率范围为0～50 Hz；为减少振动对电机和变频系统的破坏作用及控制压实系统的质量，使系统能够模拟较小静面压力下的振动压实状况，在设计时将电机和变频系统移出，采用软轴和万向节传动。研究所用的振动压实成型机械时间范围确定为0～15 min，振动频率为30 Hz，偏心块夹角为30°，激振力为7 612 N，静面压力为140 kPa，振幅为1.4 mm，振动总时间为2 min。

与重型击实法相比，无论是悬浮结构还是骨架密实结构的水泥稳定碎石，振动法所确定的最佳含水量、最大干密度均增大。研究发现，用振动试验测得的最大干密度比重型击实仪和表面振动压实仪分别提高3%和5%。试验采用了相同的材料、相同的水泥剂量，分别用重型击实、表面振动压实仪和振动仪三种方式成型，最大干密度如表2所示。

2.2 混合料性能试验

2.2.1 试验级配的确定

骨架密实结构水泥稳定碎石材料中粗集料占很大比例（60%以上），粗颗粒之间互相嵌挤，形成骨架，故表现出与普通悬浮密实结构不同的力学性质和路用性能。根据相关研究成果，针对工程所用各档集料的级配组成，提出了级配范围（表3），并对其上、下限级配进行了体积参数分析，结果见表4。试验结果表明：上限级配振动成型试件VCAmix处于松堆及插捣VCA之间，下限级配VCAmix小于插捣VCA，说明上、下限级配均为骨架密实型级配。与规范级配范围相比，提出的级配范围具有如下特点。

（1） 4.75 mm通过率降低，粗集料含量增加，使得在级配范围内能形成骨架密实结构混合料。

（2） 19～4.75 mm集料所占比例较大，粗集料自身组成合理，可避免现场摊铺及碾压时产生离析。

（3） 0.6 mm以下粉料含量相对较低。在试验中同时用目前规范中推荐的悬浮密实结构进行对比，最终确定的试验级配见表5。

2.2.2 强度试验

研究选用A（悬浮密实结构）、B（骨架密实结构）两种级配，用振动法确定最佳含水量及最大干密度后分别采用振动法和静压法成型试件，测试7 d无侧限抗压强度。试验结果见表6、7。

由试验结果可以得出以下结论。

（1）级配B的最佳含水量小于级配A的最佳含水量，而最大干密度大于级配A的最大干密度（平均增大135%）。相同水泥掺量时，级配B的混合料强度明显高于级配A（平均提高25%）。方差分析结果表明（显著性水平0.05），振动条件下，级配对强度有显著影响。

（2） 与规范中的重型击实法相比，通过振动法确定的最佳含水量、最大干密度均增加。与静压法成型试件相比，采用振动法成型的试件无侧限抗压强度大幅度提高，试件强度变异系数降低。骨架密实结构最佳含水量小于悬浮结构的最佳含水量，骨架密实结构的最大干密度大于悬浮结构的最大干密度（平均增大1.35%）；水泥掺量相同时，骨架密实结构的混合料强度明显高于悬浮结构混合料（平均提高25%）。方差分析结果表明（显著性水平005），振动条件下，级配对强度有显著影响。

2.2.3 混合料干缩试验

振动成型15 cm×15 cm抗压强度试件（水泥掺量5%），用千分表法测量试件干缩应变，同时成型相同级配及水泥剂量下的静压法强度试件，之后对两者进行比较。试验结果见图1、2。

试验结果表明，相同失水率下A、B两种级配的振动成型试件的干缩应变及干缩应变均小于静压成型试件。这表明振动成型的混合料的抗干缩能力优于静压成型混合料。而振动条件下骨架密实结构（级配B）混合料的抗干缩能力最佳。振动成型下，骨架密实结构（级配A）混合料干缩应变及干缩系数最大分别为骨架密实结构（级配B）混合料的1.2～1.25倍。

综上所述，从各方面比较，骨架密实结构均优于悬浮结构。经过综合考虑，实体工程采用骨架密实结构水泥稳定碎石（级配B），水泥用量采用3.5%。endprint

3 实体工程应用

3.1 施工质量控制

大广线濮阳段高速公路采用振动成型法设计的低剂量骨架密实水泥稳定碎石抗裂基层技术取得了较好的效果，采取了以下措施。

（1） 控制原材料质量。

（2） 控制离析[46]。该项目采用的方案为：控制拌和楼出料口与自卸车车斗之间的高差不超过50 cm；自卸车采用前、后、中三次上料；自卸车向摊铺机供料时快速卸料，以防止大料滚落；减少摊铺机收斗次数；摊铺机螺旋布料器前挡板加橡胶垫，防止大料向前滚落，造成上下离析；适当降低摊铺机熨平板的高度；采用抗离析摊铺机。

（3） 控制含水量。施工时应根据天气和季节的变化，严格控制含水量。

（4） 加强路面层间粘结。为保证层间粘接，业主拨专款用于下基层与底基层之间、上基层与下基层之间撒水泥浆，单幅用量为每5 m一袋。

（5） 碾压。每个标段配1台28 t以上胶轮压路机、1台18～20 t的钢轮振动压路机、2台20 t以上的钢轮振动压路机（总数不少于4台），叠二分之一轮，速度小于4 km·h-1，碾压8遍（振压不少于6遍），边沿用手持夯补压。

（6） 控制级配。各标段每4 h做一次原材料筛分和摊铺机后取样筛分，确保生产配合比变异小，设专人监控配合比。

3.2 应用情况

3.2.1 强度

以下是大广线濮阳段高速公路基层施工段抗压强度的检测结果，混合料设计水泥剂量为3.5%，施工控制水泥剂量为4.0%，强度检测结果见表8。

综合7个标段的统计资料，强度规律如下。

（1） 相同的水泥剂量（4%）下，各标段的室内静压成型试验7 d无侧限抗压强度在4.8～5.6 MPa之间，振动成型7 d无侧限抗压强度在6.8～8.0 MPa之间，前者为后者的1.5～1.8倍。

（2） 相同的水泥剂量（4%）下，7 d取芯无侧限抗压强度在5～8 MPa左右，与振动成型7 d无侧限抗压强度比较接近。

（3） 相同的水泥剂量（4%）下，冬季7 d取芯无侧限抗压强度一般在5～6 MPa之间，28 d取芯无侧限抗压强度在7～9 MPa之间，前者为后者的50%～60%。

3.2.2 裂缝情况

大广线濮阳段高速公路全线共分为7个土建标段进行基层施工，从裂缝情况来看，1标、7标最好，2、4、6标次之，相对而言3标、5标裂缝较多，但与传统的基层施工效果相比，裂缝间距大大提高。从施工季节来看，冬季施工裂缝较多，春、秋、夏3个季节施工裂缝较少。

此外，大广线濮阳段全线60 km，基层宽度为27 m，厚度为0.36 m，施工水泥剂量为4%～45%，而常规施工水泥剂量为55%～6%，该工艺可节约水泥15%，全线共节约水泥21 465 t，若1 t水泥成本以260元计，全线可节约水泥成本558万元。

4 结 语

（1） 改变室内混合料成型方式，使室内试验与现场振动碾压施工基本一致，用室内振动成型的最大理论干密度控制现场压实度；室内振动成型试件的强度与现场取芯的强度一致，说明用室内强度控制室外强度可以实现。

（2） 振动成型方式降低了水泥添加剂量，最佳含水量变小，强度增长均匀，收缩产生的应力均匀，应力集中小，基层抵抗开裂的能力增强。

（3） 振动成型最大干密度提高后，压实度相应提高，混合料间的粘结力增大，抵抗拉应力的能力增强；同时压实度提高后混合料的空隙减少，干缩量减小，干缩应力减小。

（4） 现行规范基层混合料的级配范围属于悬浮密实结构，且其中0.075 mm以下粉料含量较多，采用骨架密实型结构、并控制0.075 mm以下粉料含量，能够有效减少基层开裂。

（5） 实体工程应用表明，采用振动法设计的骨架密实结构低剂量水泥稳定碎石基层可以提高基层抗裂性、节约工程造价。

参考文献：

[1] 沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] JTJ 057—94，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[3] JTJ 051—93，公路土工试验规程[S].

[4] 沙爱民，贾 侃，李小刚.半刚性基层材料的疲劳特性[J].交通运输工程学报，2009，9（3）：2933.

[5] 王 艳，倪富健，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳性能[J].交通运输工程学报，2009，9（4）：1014.

[6] 卢明波，訾绘霞.水泥稳定碎石离析控制及压实工艺优化[J].筑路机械与施工机械化，2012，28（8）：4547.

[责任编辑：杜卫华]endprint

3 实体工程应用

3.1 施工质量控制

大广线濮阳段高速公路采用振动成型法设计的低剂量骨架密实水泥稳定碎石抗裂基层技术取得了较好的效果，采取了以下措施。

（1） 控制原材料质量。

（2） 控制离析[46]。该项目采用的方案为：控制拌和楼出料口与自卸车车斗之间的高差不超过50 cm；自卸车采用前、后、中三次上料；自卸车向摊铺机供料时快速卸料，以防止大料滚落；减少摊铺机收斗次数；摊铺机螺旋布料器前挡板加橡胶垫，防止大料向前滚落，造成上下离析；适当降低摊铺机熨平板的高度；采用抗离析摊铺机。

（3） 控制含水量。施工时应根据天气和季节的变化，严格控制含水量。

（4） 加强路面层间粘结。为保证层间粘接，业主拨专款用于下基层与底基层之间、上基层与下基层之间撒水泥浆，单幅用量为每5 m一袋。

（5） 碾压。每个标段配1台28 t以上胶轮压路机、1台18～20 t的钢轮振动压路机、2台20 t以上的钢轮振动压路机（总数不少于4台），叠二分之一轮，速度小于4 km·h-1，碾压8遍（振压不少于6遍），边沿用手持夯补压。

（6） 控制级配。各标段每4 h做一次原材料筛分和摊铺机后取样筛分，确保生产配合比变异小，设专人监控配合比。

3.2 应用情况

3.2.1 强度

以下是大广线濮阳段高速公路基层施工段抗压强度的检测结果，混合料设计水泥剂量为3.5%，施工控制水泥剂量为4.0%，强度检测结果见表8。

综合7个标段的统计资料，强度规律如下。

（1） 相同的水泥剂量（4%）下，各标段的室内静压成型试验7 d无侧限抗压强度在4.8～5.6 MPa之间，振动成型7 d无侧限抗压强度在6.8～8.0 MPa之间，前者为后者的1.5～1.8倍。

（2） 相同的水泥剂量（4%）下，7 d取芯无侧限抗压强度在5～8 MPa左右，与振动成型7 d无侧限抗压强度比较接近。

（3） 相同的水泥剂量（4%）下，冬季7 d取芯无侧限抗压强度一般在5～6 MPa之间，28 d取芯无侧限抗压强度在7～9 MPa之间，前者为后者的50%～60%。

3.2.2 裂缝情况

大广线濮阳段高速公路全线共分为7个土建标段进行基层施工，从裂缝情况来看，1标、7标最好，2、4、6标次之，相对而言3标、5标裂缝较多，但与传统的基层施工效果相比，裂缝间距大大提高。从施工季节来看，冬季施工裂缝较多，春、秋、夏3个季节施工裂缝较少。

此外，大广线濮阳段全线60 km，基层宽度为27 m，厚度为0.36 m，施工水泥剂量为4%～45%，而常规施工水泥剂量为55%～6%，该工艺可节约水泥15%，全线共节约水泥21 465 t，若1 t水泥成本以260元计，全线可节约水泥成本558万元。

4 结 语

（1） 改变室内混合料成型方式，使室内试验与现场振动碾压施工基本一致，用室内振动成型的最大理论干密度控制现场压实度；室内振动成型试件的强度与现场取芯的强度一致，说明用室内强度控制室外强度可以实现。

（2） 振动成型方式降低了水泥添加剂量，最佳含水量变小，强度增长均匀，收缩产生的应力均匀，应力集中小，基层抵抗开裂的能力增强。

（3） 振动成型最大干密度提高后，压实度相应提高，混合料间的粘结力增大，抵抗拉应力的能力增强；同时压实度提高后混合料的空隙减少，干缩量减小，干缩应力减小。

（4） 现行规范基层混合料的级配范围属于悬浮密实结构，且其中0.075 mm以下粉料含量较多，采用骨架密实型结构、并控制0.075 mm以下粉料含量，能够有效减少基层开裂。

（5） 实体工程应用表明，采用振动法设计的骨架密实结构低剂量水泥稳定碎石基层可以提高基层抗裂性、节约工程造价。

参考文献：

[1] 沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] JTJ 057—94，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[3] JTJ 051—93，公路土工试验规程[S].

[4] 沙爱民，贾 侃，李小刚.半刚性基层材料的疲劳特性[J].交通运输工程学报，2009，9（3）：2933.

[5] 王 艳，倪富健，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳性能[J].交通运输工程学报，2009，9（4）：1014.

[6] 卢明波，訾绘霞.水泥稳定碎石离析控制及压实工艺优化[J].筑路机械与施工机械化，2012，28（8）：4547.

[责任编辑：杜卫华]endprint

3 实体工程应用

3.1 施工质量控制

大广线濮阳段高速公路采用振动成型法设计的低剂量骨架密实水泥稳定碎石抗裂基层技术取得了较好的效果，采取了以下措施。

（1） 控制原材料质量。

（2） 控制离析[46]。该项目采用的方案为：控制拌和楼出料口与自卸车车斗之间的高差不超过50 cm；自卸车采用前、后、中三次上料；自卸车向摊铺机供料时快速卸料，以防止大料滚落；减少摊铺机收斗次数；摊铺机螺旋布料器前挡板加橡胶垫，防止大料向前滚落，造成上下离析；适当降低摊铺机熨平板的高度；采用抗离析摊铺机。

（3） 控制含水量。施工时应根据天气和季节的变化，严格控制含水量。

（4） 加强路面层间粘结。为保证层间粘接，业主拨专款用于下基层与底基层之间、上基层与下基层之间撒水泥浆，单幅用量为每5 m一袋。

（5） 碾压。每个标段配1台28 t以上胶轮压路机、1台18～20 t的钢轮振动压路机、2台20 t以上的钢轮振动压路机（总数不少于4台），叠二分之一轮，速度小于4 km·h-1，碾压8遍（振压不少于6遍），边沿用手持夯补压。

（6） 控制级配。各标段每4 h做一次原材料筛分和摊铺机后取样筛分，确保生产配合比变异小，设专人监控配合比。

3.2 应用情况

3.2.1 强度

以下是大广线濮阳段高速公路基层施工段抗压强度的检测结果，混合料设计水泥剂量为3.5%，施工控制水泥剂量为4.0%，强度检测结果见表8。

综合7个标段的统计资料，强度规律如下。

（1） 相同的水泥剂量（4%）下，各标段的室内静压成型试验7 d无侧限抗压强度在4.8～5.6 MPa之间，振动成型7 d无侧限抗压强度在6.8～8.0 MPa之间，前者为后者的1.5～1.8倍。

（2） 相同的水泥剂量（4%）下，7 d取芯无侧限抗压强度在5～8 MPa左右，与振动成型7 d无侧限抗压强度比较接近。

（3） 相同的水泥剂量（4%）下，冬季7 d取芯无侧限抗压强度一般在5～6 MPa之间，28 d取芯无侧限抗压强度在7～9 MPa之间，前者为后者的50%～60%。

3.2.2 裂缝情况

大广线濮阳段高速公路全线共分为7个土建标段进行基层施工，从裂缝情况来看，1标、7标最好，2、4、6标次之，相对而言3标、5标裂缝较多，但与传统的基层施工效果相比，裂缝间距大大提高。从施工季节来看，冬季施工裂缝较多，春、秋、夏3个季节施工裂缝较少。

此外，大广线濮阳段全线60 km，基层宽度为27 m，厚度为0.36 m，施工水泥剂量为4%～45%，而常规施工水泥剂量为55%～6%，该工艺可节约水泥15%，全线共节约水泥21 465 t，若1 t水泥成本以260元计，全线可节约水泥成本558万元。

4 结 语

（1） 改变室内混合料成型方式，使室内试验与现场振动碾压施工基本一致，用室内振动成型的最大理论干密度控制现场压实度；室内振动成型试件的强度与现场取芯的强度一致，说明用室内强度控制室外强度可以实现。

（2） 振动成型方式降低了水泥添加剂量，最佳含水量变小，强度增长均匀，收缩产生的应力均匀，应力集中小，基层抵抗开裂的能力增强。

（3） 振动成型最大干密度提高后，压实度相应提高，混合料间的粘结力增大，抵抗拉应力的能力增强；同时压实度提高后混合料的空隙减少，干缩量减小，干缩应力减小。

（4） 现行规范基层混合料的级配范围属于悬浮密实结构，且其中0.075 mm以下粉料含量较多，采用骨架密实型结构、并控制0.075 mm以下粉料含量，能够有效减少基层开裂。

（5） 实体工程应用表明，采用振动法设计的骨架密实结构低剂量水泥稳定碎石基层可以提高基层抗裂性、节约工程造价。

参考文献：

[1] 沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] JTJ 057—94，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[3] JTJ 051—93，公路土工试验规程[S].

[4] 沙爱民，贾 侃，李小刚.半刚性基层材料的疲劳特性[J].交通运输工程学报，2009，9（3）：2933.

[5] 王 艳，倪富健，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳性能[J].交通运输工程学报，2009，9（4）：1014.

[6] 卢明波，訾绘霞.水泥稳定碎石离析控制及压实工艺优化[J].筑路机械与施工机械化，2012，28（8）：4547.

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