严寒地区级配碎石施工工艺研究

张如飞

（中建路桥集团有限公司，河北石家庄 050001）

1 工程概况二级标题>

某公路工程位于我国东北地区，工程所在地冬季最低温度为-39℃左右，是典型的严寒地区。在公路沿线的山区内，存在大量的石灰岩碎石，为降低工程造价，将之作为级配碎石的原材料使用。作为松散材料，级配碎石的强度比较低，因严寒地区的施工条件较为复杂，昼夜温差非常大，致使级配碎石很难成型，养生困难，为确保其质量，必须掌握相关的技术要点。下面重点对严寒地区级配碎石施工工艺展开分析。

2 严寒地区级配碎石施工工艺

2.1 级配碎石的级配设计

级配碎石归属于松散粒料的范畴，是由不同粒径的碎石按照一定比例混合后形成，它的强度主要与颗粒间的内摩擦力有关。内摩擦力取决于粒料的质量的和密实度，质量越好，内摩擦力越大，密实度越大，内摩擦力越大。基于这一前提，级配碎石的粗集料要形成相对比较稳定的嵌挤结构，而细集料则作为填充料，填入粗集料间的空隙内，形成密实结构。由此使得级配设计成为重点环节，级配设计得是否合理，直接关系到级配碎石的强度高低。级配设计的方法与要点如下：

2.1.1 最大粒径

相关研究结果表明，级配碎石的粒径越大，承载力越强，最大粒径为37.5mm的级配碎石，能够达到最佳的使用性能。但是当最大粒径为37.5mm时，在级配碎石施工中，常常会出现混合料离析的情况，对施工质量产生不利影响。而当级配碎石的最大粒径为31.5mm时，混合料基本不会出现离析的问题，所以可将31.5mm最为级配碎石最大粒径的首选。

2.1.2 n值

试验表明，级配碎石的最大粒径选择31.5mm时，在不同粗集料含量下，n值增大，级配碎石的最大干密度呈现先增大后逐步减小的变化趋势，粗集料的含量在60%以下时，n值基本上不会影响级配碎石的最大干密度，而当粗集料含量超过60%，n值对级配碎石最大干密度的影响变得越来越明显。粗集料的含量与n值对级配碎石最大干密度的影响具有密切关联，当n值达到0.45～0.5区间范围时，级配碎石的最大干密度出现峰值，n值继续增大，级配碎石的最大干密度不升反降。可见，n值为0.45～0.5时，级配碎石能够达到最密实的状态。

2.1.3 粗集料含量

在级配碎石最大粒径选择31.5mm、n值取0.5的前提下，通过试验得出级配碎石的最大干密度与粗集料含量之间的关系。当粗集料的含量从50%增加到60%后，最大干密度有所减小，但从变化幅度来看，并不十分明显。粗集料含量继续增大，最大干密度呈现为显著下降的趋势，降幅为4.1%。基于此，级配碎石粗集料的含量应控制在60%以内，以免超出影响最大干密度。

2.1.4 级配设计指标

本工程所在地为严寒地区，级配碎石在使用中会受到反复冻融的作用，使用的时间越长，级配碎石的力学性能下降得越多。所以在级配碎石的级配设计中应进行冻融循环试验，以严寒地区的气候特点为依托，采取适宜的试验方法，确定级配碎石的试验条件，分析力学性能的变化规律，为级配设计提供可靠依据。

（1）在制作试件时，采用振动击实的方法，主要试验仪器为冻融试验箱，因市面上的产品无法满足试验要求，故此需要对试验箱加以改造。具体做法如下：在常规冻融试验箱中增加内置冷凝管和风扇，粘贴保温层，使箱内的温度能够达到-30℃，并将温度的波动变化范围控制在4℃以内。依据严寒区的特点，将冷冻时间设定为16h，融化时间设定为8h。

（2）级配碎石的冻融速度与试验温度有着密切关联，温度越低，冻结的速度越快，温度越高，融化的速度越快，试验温差越大，破坏程度越大，所以确定合理的试验温度尤为重要。级配碎石之所会冻结，是因为颗粒间的水分在低温条件下形成结晶，这个过程可以细分为以下几个阶段：水分子集团形成、凝聚晶核、晶核结合产生冰晶。在级配碎石颗粒间的水分以弱结合水或是自由水为主，强结合水的占比比较小，在-4℃的条件下，便会冻结。为使试验温度与实际情况更加接近，对工程所在地的气象资料查阅后，将级配碎石试验的冰冻温度确定为-30℃，融化温度确定为20℃。

（3）冻融持续时间的长短，对级配碎石的力学性能会产生影响，由试验结果可知，当冻结的时间达到5h后，级配碎石中心与表面的温度最接近环境温度，故此将冻融试验的融化时间设定为5h。

2.2 明确碎石技术指标

2.2.1 压缩值与磨耗值

该指标与级配碎石的抗破碎能力有关，可将压缩值作为级配碎石抗破碎能力评价的主要指标。依据我国现行规范标准的规定要求，公路等级超过二级，选用的级配碎石压碎值应控制在26%以内[1]。

2.2.2 液限及塑性指数

当施工过程中，直接在级配碎石上铺筑沥青面层时，要确保级配碎石的液限与塑性指数达标。级配碎石是一种可塑性比较强的材料，在较为寒冷的地区，因冬季气温偏低，会使碎石内所含的水分冻结，这样一来碎石的体积会发生膨胀，进而产生膨胀应力，由此会导致碎石的水稳定性下降。依据我国现行规范标准的规定要求，级配碎石的液限控制在28%以内，塑性指数不超过6%[2]。而严寒地区要将级配碎石的塑性指数控制在4%以内。

2.2.3 针片状含量

对于级配碎石而言，其强度是通过嵌挤作用产生，依据现行规范要求，级配碎石的针片状含量不得超过20%，含量超限会使嵌挤力受到影响，碎石的密实度也会下降，在压实功的作用下，碎石容易压碎。按照现有的碎石加工技术，针片状的含量比较好控制。

2.3 级配碎石施工工艺

2.3.1 材料拌制

本工程中，为使拌制出来的级配碎石能够满足严寒地区的施工要求，采用厂拌法生产级配碎石，拌和要点如下：

（1）在级配碎石拌和前，要将不同粒径的原材料分开堆放，按实验室给出的配合比拌制。此前，要筛分碎石，将之分为粗、中、细三种粒料，依据设计级配掺入不同粒径的碎石[3]。大量拌制前，必须先试拌，对试拌好的级配碎石含水量准确测定，以目标含水量作为参照对象，看偏差是否超限。

（2）级配碎石的含水量会在运输、摊铺、压实等工序中发生一定的变化，严寒区域施工级配碎石要避开冬季低温时间段，因此，级配碎石施工势必会遇到雨季，由此会造成碎石的含水量超限，碾压时，会形成弹簧现象，影响压实效果[4]。所以拌制级配碎石混合料的过程中，可将含水量调整为小于最佳含水量，并对细集料覆盖，以免淋雨导致含水量增加。

2.3.2 运输摊铺

（1）由级配碎石的性质可知，它是一种具有松散特性的材料，这个特性的存在，使得级配碎石装卸的过程中，容易出现离析等问题。所以要对装料和卸料环节加以控制，确保级配碎石的质量合格。为加快级配碎石的装车速度，可以采用装载机辅助作业，装料时，为防止级配碎石离析，可分为前、中、后三次，以侧向装载的方法装车，以免碎石形成椎体。同时，要选择吨位较大的自卸式车辆运输碎石。

（2）当级配碎石运至施工现场后，通过推土机摊铺，自卸式汽车边卸料、边前移，防止碎石堆积形成椎体。料堆可呈品字形布设，这样能够有效避免碎石形成离析带。松散除了容易产生离析问题外，碾压密实也比较困难，特别是边缘部位，由此会导致级配碎石的路用性能大幅度降低。对此，可通过分层的方法施工级配碎石，以2层或是3层为宜，可将结构层的设计厚度作为分层的主要依据。

（3）本工程中，级配碎石以厂拌法生产，利用摊铺机，按松铺厚度摊铺，局部出现离析后，可通过人工补料的方式处理，确保级配碎石摊铺的均匀性。级配碎石摊铺完毕后，要先用压路机静压，以1～2遍为宜。摊铺级配碎石的过程中，若是路面的宽度比较大，则可由两台摊铺机呈梯队作业，两者之间的距离保持在8.0～10m左右，横向上重叠50cm[5]，摊铺机后跟随作业人员，对局部问题加以处理，确保摊铺质量。

（4）摊铺时，可将设备进料口的闸门开启至最大程度，确保摊铺室内的集料超过螺旋叶片的高度，布料器要始终保持均匀转动，以免级配碎石混合料离析。摊铺机的作业速度控制在3.0m/min以内，按试铺段对松铺厚度加以确定。

2.3.3 碾压密实

（1）在对级配碎石碾压的过程中，可以选用12t以上的钢轮压路机，分层碾压时，每层的压实厚度控制在15cm，最大不得超过20cm，否则会影响压实效果。可按照所选碾压机械的类型对每层的压实厚度做适当调整。依据试验段的碾压结果确定，使级配碎石的压实度达到规范标准的规定要求。

（2）要使级配碎石处于最佳含水量的条件下开展碾压作业，这样能够提高压实效果。级配碎石摊铺阶段水分会有所损失，摊铺后若是长时间未碾压，则可能因为水分蒸发而固结，导致压实效果下降。故此，压路机要紧跟摊铺机，确保碾压的及时性。碾压前，要检测级配碎石的含水量，若是低于最佳含水量，则可通过洒水的方法为碎石补充水分，含水量超过最佳含水量，可采用翻晒的方法处理，降低级配碎石内的水分含量。

（3）级配碎石因本身过于松散，所以压实难度相对较大，为使其达到规范标准要求的压实度，必须对碾压设备优化组合，依据沥青混凝土路面所具备的结构特点，在级配碎石碾压施工中，可选择不同的碾压设备组合搭配，其中最佳的组合方式为振动压路机加轮胎压路机。级配碎石强度与围压有关，当围压增大后，强度也会随之增加，在提高围压时，要注意如下事项：有侧限施工的情况下，要准备好临时钢模，并在围压较高的条件下对结构层施工，由此能够延长路面的耐久性；若是无侧限施工，则要确保压路机碾压到边缘位置，安排工人对边缘修整[6]。

2.3.4 成型控制

（1）当级配碎石混合料经过压路机碾压密实成型后，为避免影响压实效果，要采取封闭交通的方法，限制车辆通行[7]。级配碎石刚刚碾压后内部的水分比较大，此时不要立即洒布透层油，而是要让级配碎石的水分自然蒸发，当手触碎石表面略湿时，便可施工透层油，随后撒布石屑，在其上喷洒黏层油。铺筑沥青面层，以免降雨导致水体下渗，影响压实质量。

（2）要确保选用的石屑洁净度达标，并在级配碎石层上均匀撒布，为加快作业速度，可以采用撒布车撒布石屑。需要注意的是，当级配碎石混合料碾压成型后，因故无法及时喷洒透层油，要采用洒水的方法对碎石层养生[8]。沥青混凝土运料车作业时，不得长时间在级配碎石层上停留，以免车轮损坏碎石层[9]。

3 结语

级配碎石归属于松散粒料的范畴，是由不同粒径的碎石按照一定混合后形成，它的强度主要与颗粒间的内摩擦力有关。内摩擦力取决于粒料的质量和密实度，质量越好，内摩擦力越大，密实度越大，内摩擦力越大[10]。基于这一前提，级配碎石的粗集料要形成相对比较稳定的嵌挤结构，而细集料则作为填充料，填入粗集料间的空隙内，形成密实结构。由此使得级配设计成为重点环节，级配设计得是否合理，直接关系到级配碎石的强度高低。严寒地区的级配碎石施工是一项复杂程度较高的工作，为确保施工质量，要掌握相关的施工工艺，并在实际工程中加以合理运用，提高级配碎石层的整体质量，使其作用得以全面发挥，在提高路面使用性能的基础上，延长公路的使用寿命[11]。本工程所在地为严寒地区，级配碎石在使用中会受到反复冻融的作用，使用的时间越长，级配碎石的力学性能下降得越多。所以在级配碎石的级配设计中应进行冻融循环试验，以严寒地区的气候特点为依托，采取适宜的试验方法，确定级配碎石的试验条件，分析力学性能的变化规律，为级配设计提供可靠依据。