抗裂型水稳基层施工中的压实度影响因素分析

聂倩

摘 要： 依托于工程实例重点对抗裂型水稳基层压实度的影响因素进行了研究。首先介绍了抗裂型水稳基层的工作机理，然后分析了水稳基层压实度的形成过程，最后从碾压工艺、碾压速度、碾压遍数和含水率4个方面探讨了其对水稳基层压实度的影响，结果表明：这4个方面对水稳基层压实度的影响较为显著。

关键词： 抗裂型 水稳基层 压实度影响因素 碾压工艺

中图分类号： TU753文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）02-0026-04

Analysis of Factors Affecting Compaction Degree in the Construction of Crack Resistant Water Stable Base

NIE Qian

（ Zhenjiang Highway and Bridge Testing Co.， Ltd.， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212000 China ）

Abstract： This article focuses on studying the influencing factors of the compaction degree of cracked water stabilized base based on engineering examples. Firstly， the working mechanism of crack resistant water stable base was introduced， and then the formation process of compaction degree of water stable base was analyzed. Finally， the influence of rolling technology， rolling speed， rolling times， and moisture content on the compaction degree of water stable base was discussed. The results showed that these four aspects had a significant impact on the compaction degree of water stable base.

Key Words： Anti cracking type； Water stabilized base； Factors affecting compaction degree； Rolling process

目前广泛应用的半刚性基层结构主要包括三种：悬浮密实型、骨架空隙型和骨架密实型。其中骨架密实型结构因其强度高、刚度大、凝结硬化过程中产生的裂缝少而广泛应用于高等级公路中。有关研究表明：骨架密实型结构的压实度严重影响着水稳基层的承载能力和抗裂性能，较低的压实度不仅降低了水稳基层的承载能力，而且增加了水稳基层产生裂缝的风险。因此，在抗裂型水稳基层的施工过程中，需要对压实度的影响因素进行全面的分析，确保水稳基层压实度符合规范和设计要求，以保证基层在使用中的质量和安全。

1 抗裂水稳工作机理

（1）研究表明：在抵抗干缩和温缩裂缝方面，水稳基层级配设计中采用骨架密实型结构具有更好的抗裂效果，主要原因在于骨架密实型结构中粗集料占比较高，粗集料和粗集料之间相互搭接嵌锁，彼此之间的空隙通过细集料进行填充，并通过水泥胶浆对粗细集料进行粘结，由于粗细集料之间的填充并不完全致密，因而减少了因温度和含水率变化时所产生的应力集中，从而降低了水稳基层产生开裂的风险[1]。此外，采用粗级配的水泥稳定碎石可以提高水稳基层的耐久性，大粒径集料和大骨料的使用可以增加水稳的强度和抗压性能，同时，通过将集料相互搭接嵌锁，可以有效提高混凝土的内聚力和剪切强度，从而减少混凝土的开裂风险。

（2）骨架密实型结构中细集料较少，比表面积也较小，与水泥胶浆的接触面积相对较小，减少了水稳混合料内部的黏聚力和黏着力，这样可以减少水泥胶浆的收缩应力在水稳料中的传递，进一步降低了开裂的风险。此外，细集料的减少，所需的水泥胶浆用量也相应的减少。水泥胶浆的收缩变形是由于水泥浆体在凝结过程中释放水分而引起的，减少水泥胶浆的用量意味着减少了整个水稳系统中的收缩变形量，从而降低了温度和湿度变化引起的应力集中和开裂的风险。

2 水泥稳定碎石基层压实度形成机理

压实度是水稳基层质量控制的关键指标，因此确保施工过程中水稳压实度符合设计和规范要求对于提高水稳基层的强度和耐久性至关重要，目前压实度的形成机理主要包括以下几个方面。

2.1 静态压实

在静态压实过程中，压路机的静荷载通过作用于混合料表面，产生了垂直于路面的挤压力，同时也产生了沿着路面方向的剪切力。当剪切力接近混合料的剪切强度时，混合料就会发生塑性变形，从而对混合料进行良好的压实作用[2]。压实过程中，压路机施加的静荷载可以使混合料中的各个颗粒不断向更紧密、更稳定的位置移动，从而填补空隙、降低混合料之间的空隙率，提高材料的相对密度和稳定性。

2.2 振动压实

振动压实技术是指利用压路机振动轮产生的振击力对混合料进行压实。在振动压实过程中，压路机的振动轮通过主动轴和旋转偏心重等元件的作用，产生了高频振动，使水稳基层在振击力下进行压实。当振动轮产生高频振动时，其会对混合料层中的颗粒产生作用力，使颗粒开始发生共振。在共振状态下，颗粒与颗粒之间的接触面积变大，颗粒间的内摩擦阻力降低，从而使颗粒更容易相互移动，填补空隙，提高材料的密实性和稳定性。与静态压实相比，振动压实对混合料施加的荷载大小和频率更高，能够更充分地填补空隙，提高材料的压实度。

2.3 填充理论和粒子干涉理论

根据填充理论，当颗粒具有相同的直径，并且在填充过程中以随机方式排列时，空隙率将趋近于一个固定值，这个值与颗粒的粒径无关；逐级填充理论是一种用于设计集料级配的方法，它考虑了颗粒在填充过程中的排列和堆积方式。当采用逐级填充方式时，逐级填充理论认为，较大粒径的集料填充后可以形成一个骨架结构，较小粒径的集料填充到骨架中的空隙中[3]。这样，在保持较大粒径集料的骨架结构的同时，使整个集料体积得到更充分的填充，从而减小骨架间隙率。根据逐级填充理论，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒填充，剩余的空隙再由更次一级颗粒填充。这样可以保证整个集料中每个粒径都能够尽可能地填充进去，从而达到最大密实度。同时，需要注意的是，当填充的颗粒粒径大于其间隙的距离时，就会发生干涉现象，导致填充不均匀，影响混合料的密实度和稳定性。

3 工程概述

本文依托于312国道346国道镇江戴家门至高资段改扩建工程进行试验研究，该公路工程双向六车道，设计采用面层基层加路基的典型路面结构，其中基层设计为2层，每层厚度18 cm，为了提高基层的承载能力和稳定性，该项目水稳基层选择骨架密实型结构，同时施工过程中严格控制水稳基层各道施工工序，以保证最终的施工质量。

3.1 配合比设计

（1）原材料：水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥（缓凝型），碎石为水稳拌合站周围自采碎石，经反击破碎成型，所选原材料都按操作规程进行检测，检测结果符合规范和设计要求。

（2）配合比设计，将0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm和20～30 mm四档集料进行筛分，根据筛分结果进行集料的级配设计，最终集料合成级配结果如表1所示，各档集料比例为0～5 mm∶5～10 mm∶10～20 mm∶20～30 mm=29%∶16%∶32%∶23%。

根据上述确定的各档集料的比例，加入水泥进行振动压实，最终得到水泥稳定碎石混合料最大干密度为2.385 g/cm3，最佳含水率为4.7%，水泥剂量为4.5%。

3.2 试验段施工

3.2.1 施工设备

根据基层施工工序要求，现场施工设备有福格勒摊铺机，最大摊铺宽度可达9 m，单钢轮压路机、胶轮压路机和双钢轮压路机等。

3.2.2 试验方法

为了确定不同碾压工艺对抗裂型水稳基层压实度的影响以及确定最佳的碾压工艺，本文选择两个不同的试验段，确定了最佳碾压工艺后，后续试验段施工按下列方法进行。

（1）应在现场布置好监测点，为了确保检测结果具有代表性，每个监测点的间距应在10 m以上。（2）摊铺过程中应连续不间断，同时在两台摊铺机相交处，应安排专人进行补料，当出现明显离析时，应及时进行处理。（3）水稳混合料压实是一个关键工序，在确定最佳压实工序后，应在含水率高于或略高于最佳含水率时进行碾压，以保证压实效果。（4）在进行碾压2、3、4、5、6 遍后，在各个监测点进行压实度检测，以确定碾压变数对压实度的影响。

3.3 碾压工艺对压实度的影响

为了确定不同碾压工艺对抗裂型水稳基层压实度的影响，试验段选择三种碾压工艺，如表2所示。

根据上述碾压方案，在采用不同碾压工序后进行压实度检测，检测结果如表3所示。

从表3中可以看出，碾压工艺2下的压实度最高，且变异常数最小，说明基层压实效果更均匀，在振动压路机和胶轮压路机的交替碾压下，既对基层底部进行了较好的压实，同时在胶轮压路机的碾压和补水作用下，基层表面也进行了较好的压实，因此后续选择碾压工艺2进行。

3.4 碾压速度对压实度的影响

水稳基层的压实度主要由复压控制，因此，在相同碾压工艺情况下，通过调整复压时振动压路机的碾压速度，以检测不同碾压速度下的压实度，具体检测数值如表4所示。

从表4中可以看出，在相同碾压工艺下（振动压路机4遍，胶轮压路机3遍，且振动压路机与胶轮压路机交替进行），碾压速度为1.5 km/h时，压实度为95.2%，当速度达到2.5 km/h时，压实度达到最大值99.2%，之后随着碾压速度的增加，压实度出现了一定程度的降低。因此，在相同碾压工艺下，在一定碾压速度范围内，压实度随着碾压速度的增加而增加，超过一定的碾压速度，压路机所产生的振动力在水稳基层表面上作用的时间越短，压实度也越小。

3.5 碾压遍数对压实度的影响

通过增加振动压路机碾压遍数，以检测不同碾压遍数下压实度值，所检压实度结果如表5所示。

从表5中可以看出，碾压遍数和混合料含水率之间的关系，一方面，在施工过程中，水稳混合料暴露在空气中，而空气中的温度和湿度会影响水分的蒸发速率，尤其是在较高温度和较低湿度的环境下，水分的蒸发会更为迅速，导致混合料的含水率下降。另一方面，随着水泥的水化反应进行，水分会逐渐被消耗，从而导致混合料的含水率降低。

从碾压遍数与虚铺系数的关系中可以看出，随着碾压遍数的增加，压实功也逐渐增加，水稳基层面的高程也逐渐下降，为了达到相同的高程，只能增加虚铺厚度。

从碾压遍数与压实度的关系可以看出，当水稳混合料受到压力时，其颗粒之间会产生变形和移动，从而使混合料中的粒间空隙逐渐减小。通过多次碾压，可以使混合料颗粒之间的接触面积增加，进一步减小粒间空隙。此外，压实过程还会使混合料中的颗粒相互挤压、摩擦和粘结，从而增加混合料的密实度，但当压实遍数增加到一定程度后，水稳基层表面大粒径集料出现压碎现象，而压实度增加幅度也减小，这说明竖向压实度已逐渐趋近于平稳状态。

3.6 含水率对压实度的影响

为了研究不同含水率对水稳基层压实度的影响，在保证混合料级配、碾压速度、碾压工艺相同的情况下，通过调整混合料含水率，以检测不同含水率下压实度的效果，具体检测数值如表6所示。

从表6中可以看出含水率与压实度的关系，含水率从5.2%增加到5.6%，混合料压实度从97.2%增加到99.1%，当继续增加含水率时，混合料的压实度又逐渐降低，这是因为适量的水分可以提高混合料的可塑性和流动性，有利于颗粒之间的紧密排列和接触，从而使混合料在压实过程中更容易形成均匀、致密的结构，而过多的水分会导致混合料过于湿润，使颗粒之间发生滑动和分离，且空隙之间被水填充，降低了混合料的密实度。

而含水率与虚铺系数的关系，含水率从5.2%增加到5.6%，混合料虚铺系数从1.168增加到1.195，当继续增加含水率时，混合料的虚铺系数又逐渐降低。

含水率直接影响混合料的可塑性、流动性和压实性能，对碾压过程中的内摩阻力和黏结力产生重要影响。当土颗粒含有适量的水分时，水分可以充当润滑剂，减少颗粒间的内摩阻力，使土颗粒之间更容易发生位移并互相靠近。此外，水分还可以增加土颗粒表面的粘附力和黏聚力，促进颗粒之间的粘结作用。这些作用使土颗粒在碾压过程中更易于紧密排列，形成致密的结构。当土的含水量较低时，土颗粒间的接触面积较大，内摩阻力也较大，需要较大的碾压功才能克服其抗力，使其形成致密的结构。但是，在一定的密实度下，某一压实功将无法再次提高土的密实度，此时，土的含水量越低，得到的干容重也就越小。相反地，当土的含水量逐渐增加时，水在土颗粒间起到润滑作用，减小了内摩阻力，从而使同样的压实功可以得到更高的干容重。而当混合料中的含水量超过一定限度后，混合料中的空气体积逐渐减小，而水的体积则逐渐增加，由于水是不可压缩的，单位混合料中的空隙被水填满后，继续施加压力无法再进一步减小混合料的体积，因而随着含水率的增加，混合料的压实度逐渐降低。根据规范要求，对于中粗粒土，现场施工过程中，混合料的含水率宜高于最佳含水率的0.5%～1.0%，因此，本项目中，应将含水率控制在5.2%～5.7%之间，现场控制含水率尤为重要，当含水量过低时，混合料中的颗粒间缺乏充分的润滑作用，使颗粒之间的接触阻力增大，从而难以有效地进行压实或填充空隙。此外，水分在振动作用下也难以运动，无法充分溶解和反应，影响了水泥胶体的形成和混合料的胶凝过程，导致混合料的压实度较低，同样混合料的强度也较低。相反，当含水量过高时，过多的水分会占据原本的空隙，使颗粒间的接触面积减小，导致黏结力不足，难以形成致密的结构。此外，过多的水分还会稀释水泥胶体，降低混合料的强度和耐久性[4-5]。

4 结论

本文通过从碾压工艺、碾压速度、碾压遍数和含水率4个方面来研究其对抗裂型水稳基层压实度的影响，得出如下结论：（1）通过振动压路机和胶轮压路机的交替碾压，既提升了碾压效果，又对碾压过程中，水稳混合料表面散失的水分进行了补充，从而提高了压实度；（2）碾压速度应控制在一定范围内，过快的碾压速度降低了振动力在水稳基层表面的作用时间；（3）压实度随着碾压遍数的增加而增大，但碾压遍数的增加也提高了工程造价；（4）现场碾压时，应控制好混合料的含水率，水分过高时，碾压过程中容易出现弹簧现象，水分过低时，不易碾压成型。

参考文献

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[2]陈时通.路面水稳基层施工中的压实度影响因素研究[J].建筑技术开发，2022，49（14）：13-15.

[3]陈亿，马建，陈立.路面水稳基层施工中的压实度响应机制研究[J].安徽建筑，2020，27（12）：164-166.

[4]孙良振.水泥稳定碎石施工技术在公路施工中的应用[J].模型世界，2022（6）：91-93.

[5]张敏.水泥稳定碎石施工技术在公路施工中的应用[J].四川建材，2022，48（3）：192-193.