高速公路水泥稳定砂砾基层拱胀机理及处治措施研究

摘要：水泥稳定砂砾基层拱胀机理具有一定的复杂性，从原材料、施工温度等方面揭示拱胀机理进而提出针对性的处治方案，可为减少高速公路路面病害的发生提供一定保障，对高速公路全寿命周期造价的降低具有现实意义。为此，文章探讨了干旱地区高速公路水泥稳定砂砾基层的拱胀机理及处置措施。

关键词：高速公路;水泥稳定砂砾;基层;伸缩缝

文献标识码：U416.1+1-B-08-022-2

0 引言

水泥稳定砂砾由于具有较高的刚度、较强的荷载扩散能力，在高速公路建设中广泛应用。基于各种因素的影响水泥稳定砂砾基层拱胀病害日益突出，为提高高等级路面的耐久性，研究水泥稳定砂砾基层拱胀机理及处置措施已成为高等级公路建设者亟须解决的难题。近年来，国内相关学者、专家针对水泥稳定砂砾基层拱胀机理及处治处置已进行了一定程度的探索和实践，研究出一些水泥稳定砂砾基层拱胀控制方法并积累了相关工程经验，但未进行系统的论证及进行施工经验的推广。本文通过系统地分析论证形成一套可靠性好、可操作性强的研究成果，为今后类似工程提供参考依据。

1 水泥稳定砂砾基层的特性

水泥稳定砂砾基层是指采用无机结合料（水泥）、水和级配（天然）砂砾充分拌和，通过机械或人工摊铺形成的具有一定抗弯强度的半刚性基层。其不仅具备一定的板体性、刚度、扩散荷载能力，而且还兼有一定的抗拉强度、抗疲劳强度及良好的水稳定特性。这些都符合路面基层的规范要求，使得路面基层受力性能良好，并且保证了基层的稳定性。水泥稳定砂砾基层由于其结构材料分布广泛、易于开采，并具有较好的强度、刚度及水泥稳定性，很好地适应了新疆干旱少雨的气候特点，新疆地区90%以上的干线公路均采用了这种半刚性路面基层结构[1]。

较高的刚度是水泥稳定砂砾的主要力学特性，从而使其具备较强的荷载扩散能力。在整个路面结构中沥青面层仅作为功能层，承载力主要由半刚性基层承担，因此防止水泥稳定砂砾基层的拱胀破坏是保证路面整体使用性能的必要条件，也是本文研究工作的主要出发点。

2 水泥稳定砂砾基层拱胀机理

水泥稳定砂砾基层的拱胀是受多方面因素影响的，本文在已有研究成果的基础上主要从原材料及施工温度等方面进行阐述，旨在揭露拱胀病害机理。交通运输部颁发的《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）（以下简称《基层细则》）[2]是水泥稳定砂砾基层设计与施工的主要依据，故本文在涉及技术要求方面均以《基层细则》为准。

2.1 原材料对水稳基层拱胀的影响

2.1.1 水泥的影响

水泥作为凝胶材料，是水泥稳定砂砾基层必不可少的基本原材。只有通过水泥的凝胶作用，水稳基层才能具备一定的强度，根据《基层细则》的规定，不同公路等级、不同交通荷载等级对水泥稳定基层7 d龄期无侧限抗压强度有着不同的要求，这也是确定水泥掺加剂量的主要依据。

通过分析现有的研究成果[3]，水泥掺量是影响水泥稳定砂砾的强度最直接的因素，在其他条件不变的前提下通过提高水泥的掺配剂量，混合料的强度随之显著增大，但相应地会造成混合料的温缩系数、干缩系数，抗膨胀性能显著下降。也就意味着从防止拱胀病害的角度出发，不能过分地要求提高水稳基层的抗压强度，从而降低因水泥掺量增加造成的不良影响。

2.1.2 水的影响

《基层细则》规定：符合现行《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的饮用水可直接作为基层、底基层材料拌和与养生用水。当采用非饮用水拌和时为保证工程质量需水质檢验，相应的技术指标应符合其相应的条款规定。养生用水可不检验不溶物含量。

大量试验表明水对水泥稳定砂砾基层拱胀影响的大小主要取决于SO2-4离子含量的高低，这是由于水中SO2-4离子的含量超过规定值，将与基层原材中的碱性物质发生化学反应，最终形成亲水性强的硫铝酸钙。随着硫铝酸钙的结晶水不断增多，相应的体积明显膨胀，在水稳基层中的应力逐渐增多，最终导致基层结构破坏。

2.1.3 集料的影响

集料是水稳砂砾基层的主要组成材料之一，在混合料中起骨架作用，分为细集料、粗集料。

《基层细则》规定：构成水泥稳定基层的粗集料优先选用质地坚硬的岩石或砾石经破碎后的碎石，条件受限时也可采用天然砾石。作为高速公路、一级公路底基层和二级及二级以下公路基层、底基层的稳定材料，天然砾石材料应级配稳定、塑性指数≤9。细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配。对0～3 mm和0～5 mm的细集料应分别严格控制>2.36 mm和>4.75 mm的颗粒含量，对3～5 mm的细集料应严格控制<2.36 mm的颗粒含量[2]。高速公路细集料中<0.075 mm的颗粒含量应≤15%，硫酸盐含量应≤0.25%。

由于干旱地区蒸发量大，集料盐渍化现象较为普遍，尤其是细集料中的硫酸盐含量相对其他地区明显较高。随着集料盐渍化程度的增加，对基层拱胀影响程度明显增强。

2.2 施工温度对水稳基层拱胀的影响

施工温度对水稳基层拱胀的影响主要体现在施工温度与工程所在地高温的温差。这是由水稳基层的物理性质决定的，和材料的膨胀系数呈线性关系。基层材料在等压条件下，温度变化会导致基层材料长度伸长。当水稳基层受温度变化引起的温度应力超过水稳基层能够承受的最大荷载，就会发生拱胀现象。

若施工温度过低，施工温度与工程所在地高温的温差就会增大，从而导致水稳基层的拱胀破坏。

3 水泥稳定砂砾基层拱胀处置措施

鉴于水泥稳定砂砾基层的拱胀病害主要受水泥、水、集料、施工温度等方面的影响，为预防及减少基层拱胀病害的发生，提高高速公路的使用寿命，从而降低高速公路全寿命周期造价，可从以下几个方面处治水稳基层的拱胀病害。

3.1 加强原材料质量控制

（1）尽量选用碱含量较低的普通硅酸盐水泥，水泥的初凝时间应>3 h，终凝时间应>6 h且<10 h，按照1批次至少抽取1个样品的频率进行检测。在满足《基层细则》对水稳基层强度要求的前提下，尽量采用较低的水泥剂量。

（2）加强拌和及养生用水的检测，尤其是水中SO2-4离子、碱含量应作为重点指标进行严格控制。

（3）按照每档集料使用前测试2个样品、使用过程中每2 000 m3测试2个样品的频率对粗、细集料进行试验检测，盐渍化严重的地区适当增加抽检频率。

3.2 加强施工温度的控制

水稳基层施工应选择适宜的气候环境，针对当地气候变化制定相应的处置预案。

宜在气温较高的季节组织施工，避免在雨期施工，施工期的日最低气温应在5 ℃以上，在有冰冻的地区，应在第一次重冰冻（一般指气温达到-3 ℃～-5 ℃）到来的15～30 d之前完成施工。

采用集中厂拌和分层碾压的施工工艺进行基层施工时应严格控制碾压方式。水泥稳定砂砾基层铺筑完成后，在达到规定的强度前必须进行养生和交通管制。

3.3 预先设置伸缩缝

根据已施工项目经验[4]，为防止水稳基层在后期因温差等原因造成的水稳基层拱胀病害的发生，可将水泥稳定砂砾基层每50～200 m设置1道2～4 cm宽伸缩缝，伸缩缝位置及间距可根据桥涵等构造物进行适当调整，并保证相邻桥涵构造物间至少设置1道伸缩缝，相邻两道伸缩缝的间距≤100 m。

伸缩缝可采用切缝法或预放法。

（1）切缝法：水泥稳定砂砾基层养生后，每100 m采用切缝机横向切割成2～4 cm伸缩缝，将缝隙刷扫干净，并用压缩空气吹去尘土后，填塞苯板，采用热沥青灌封，热沥青灌封应充盈饱满，并在伸缩缝上加铺2 m宽路面用玻纤格栅。

（2）预放法：水泥稳定砂砾基层铺筑时，每100 m采用苯板横向隔断成2～4 cm伸缩缝，待水稳养生后，剔除伸缩缝内5 cm深范围内苯板，采用热沥青灌封，热沥青灌封应充盈饱满，并在伸缩缝上加铺2 m宽路面用玻纤格栅。

預放法施工工艺较为简便，但在水稳碾压过程中苯板易变形、压缩，施工质量较难控制;切缝法虽然施工工艺较为繁琐，但施工质量较好，因此推荐采用切缝法施工。

4 结语

预防和减少水稳基层拱胀病害的发生，是提高干旱地区高速公路建设品质的必经之路，探究基层拱胀病害的发生机理是制定处治措施的前提条件。本文通过系统地归纳水稳基层拱胀机理，从加强原材料质量控制、加强施工温度的控制、预先设置伸缩缝等方面提出了可用于实际公路建设项目的处治方案，为高速公路的品质提升提供了经验借鉴。

参考文献

[1]田秋林，朱世煜，陆 军，等.西北寒旱区盐渍土水盐迁移规律研究[J].公路，2019，64（8）：22-27.

[2]JTG/T F20-2015，公路路面基层施工技术细则[S].

[3]宋 亮，王选仓.新疆盐渍土地区水泥稳定基层盐胀变形规律及机理[J].公路交通科技，2019，36（7）：20-28.

[4]廖雄文，刘风云.关于沥青混凝土路面水稳基层设置伸缩缝的研究[J].重庆交通学报，2005，6（3）：46-48.

收稿日期：2021-03-22

作者简介：袁春兰（1988—），工程师，主要从事公路桥梁试验检测工作及研究。