高等级公路水泥稳定粒料基层配合比设计及施工质量控制

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　　摘要：水泥稳定粒料作为路面基层，具有早期强度高，雨季对施工影响相对较小，施工机械化程度较高等特点，这些都有利于保证施工进度和质量，因此被越来越广泛地应用到公路工程中去，近几年来我公司先后进行了许多工程项目水稳粒料的施工，如沪杭高速公路、南坛高速公路、沧黄高速公路，现就其组成设计及现场施工谈几点体会。
　　 关键词：公路水稳基层粒料配合比设计施工
　　 一、水稳粒料具备的特点
　　 1、优点：
　　 （1）早期强度高，短时间内（5～7天）可获提2.0Mpa以上的强度。
　　 （2）稳定性好，结构层本身具有一定的通透性，受水份影响较小。
　　 （3）可以根据设计需要，通过改变其组成设计，而调整所需要的强度，而其它结构层的强度则受材料本身制约较大。
　　 （4）机械化施工，质量好，进度快，小段落的零星工程，可以采用简易机械或人工拌和摊铺，灵活而经济。
　　 2、缺点：
　　 （1）强度形成以后易产生干缩裂缝，裂缝是水稳粒料主要病害之一，能够引起上面层的开裂，而导致雨季时路基浸水，引起路堤早期破坏，缩短道路的使用寿命。
　　 （2）施工摊铺时易离析。
　　 （3）强度形成后在车轮等外力作用下，表面易被剥落、磨耗。
　　 （4）延迟时间短，即从拌和到碾压成型要在较短的时间内完成，要求施工节奏紧凑，对设备临时故障要有预防措施，以免造成材料浪费。
　　 （5）一般虚铺厚度大，碾压对平整度有不良影响。
　　 二、组成设计
　　 水稳粒料作为路面基层或底基层，设计厚度一般在15cm至20cm左右，7天强度为3-5Mpa。
　　 进行组成设计时，即要符合设计要求，又要考虑施工条件、环境和材料特点，针对其一般的缺点应予以克服，例如用平地机施工时，混合料应具有较高的和易性，以防止离析，混合料的终凝时间也要相应延长；在较高温度下施工时，水泥剂量应用低限，细集料（0.075mm以下料）含量采用中低限，以防止干缩和温缩裂缝；由于水泥在较高温度和较低含水量下凝结时间大大缩短，当在夏季较高温度下施工时，组成设计要求用初、终凝时间更长的水泥，混合料含水量略高于最佳含水量。
　　 1、材料：
　　 水泥宜选择低标号水泥，初凝时间大于3小时，终凝时间大于6小时，不能用早强和快硬水泥，同时应有合适的细度、较低的水化热。
　　 集料可采用级配碎石、级配砂砾、未筛分碎石等都可以作为稳定粒料的集料。
　　 采用级配砂砾时可用天然砂砾与一定比例的中粗砂配制时，级配碎石可以用三种或三种以上单级配集料配制，优点是可以根据进场材料的变化情况机动的调整用料比例，使级配接近设计要求，弥补了材料的不均匀性而造成的配合比偏差，当细集料级配不良时，可以掺配一定比例的中粗砂、石灰或粉煤灰加以改善。
　　 无论何种集料，其最大粒径控制在31.5mm为好，控制0.075mm以下的细料含量小于5%。
　　 2、确定级配组成：
　　 选定材料后用平衡面积法确定各种规格单级配集料的比例关系，调整接近规范级配中值，然后通过一定的筛分来验证和修正。
　　 3、水泥剂量的确定：
　　 应根据室内试验的结果并考虑施工的水平来确定水泥剂量。厂拌时32.5等级水泥可用5～6%的剂量，42.5等级水泥用4～5%的剂量，拌和站作计量控制时提高0.5%。
　　 4、 确定最大干密度和最佳含水量：
　　 水稳粒料的最佳含水量常在4.5～6.5%之间，这里仅指重型击实试验中能达到最大干密度时的含水量，一般随水泥剂量增加而增大，最大干密度一般在2.2～2.4g/cm3之间，当集料的级配不同会对最大干密度有影响，干密度与水泥剂量的关系也呈现不同的规律，当细集料较多时（干密度也较大），干密度随水泥剂量的增加而减小，其他情况则相反。从沪杭路和南坛路水泥稳定碎石的施工的压实证明重型击实法得到的最大干密度往往较小，最佳含水量较大，即使室内外集料组成完全相同，压实度超百的现象仍比较普遍，因此在测定水稳碎石的最大干密度和最佳含水量时，应参照“无粘性土、自由排水中粗粒土”的标干确定方法进行试验，即振动台法或振动压实仪法。
　　 三、强度的形成原理
　　 当水泥、水、集料拌和后水泥的主要矿物成份：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙先与水进行水解和水化反应，同时溶液中分解出氢氧化钙，并形成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁铝酸钙等水化物，并随着时间的推移形成浆状体凝结硬化，由塑性体变成坚固的石状体，形成水泥骨架。水泥水化物游离的氢氧化钙Ca(OH)2与水中的HCO3ˉ生成 CaCO3 ，这种碳酸化作用是水泥稳定粒料部分细集料固结成强度。如果细集料中存在粘土，部分水泥参与粘土的“离子交换团粒化”作用
　　
　　
　　
　　 用于粘土颗粒的结合，并封闭土团的孔隙，形成联合硬凝反应，粘土中的SiO2、Al2O3同Ca2+ 进行化学反应，生成不溶于水的稳定结晶物。以上化学反应是水稳强度形成的基本过程。
　　 四、影响施工质量的因素
　　 1、粗集料对施工质量的影响：
　　 施工经验证明比较粗的水稳粒料对施工不利，粗集料中大颗石子较多时，在拌和、运输和摊铺过程中易产生大小料分离的现象，摊铺碾压后形成粗细集料窝，使内外质量都受到不利影响，在摊铺宽度大于8m时，在送料轮的两端会产生离析，粗骨料多，细集料少,钻芯较为困难，仅能部分成型。
　　 几条路的施工总结出虚铺厚度大于25cm时，搅笼的高度稍有不合适，就会出现结构层底部离析，粗骨料集中的现象，通过钻芯取样会发现结构层底部松散严重，芯体不完整，20 cm的结构厚度只能取出14-16 cm的芯体。
　　 另外过多的大石子散布在结构层表面，石子不具保水作用，水份散失很快，至使水泥缺水，而无法水解、水化，失去稳定作用，与细料不能硬结为整体，在车轮等外力搓动下容易被剥落和磨耗。较多的石子也会使纵、横缝的处理变得困难，对平整度也不利。
　　 2、0.5mm以下的细集料对质量的影响：
　　 一般0.5mm以下的细集料常带有一定的塑性指数，当含粘土或0.075mm以下土的含量多时，会直接导致水泥稳定层半刚性体干缩应变系数偏大，产生裂缝的机率变大，另外也会导致强度的降低。因为水泥水化后的水化物要在强碱环境中才能硬化，当水泥遇到粉粒、粘粒较多的集料时，水解后产生的氢氧化钙首先与粉粒、粘粒进行“离子交换团粒化”作用，致使碱性介质不能顺利形成，从而阻碍水泥的正常胶结硬化作用，这也是塑指较大的土（Ip>12）易于用石灰稳定，而塑指较小的土（Ip＜12）更易于用水泥稳定的原因。
　　 有利的影响：如果级配粒料的细料部分无塑性指数，则粒料中的少部分粉粒的存在可以增加混和料的强度，细料中非粘性颗粒大于水泥颗粒，加入水泥后，使单个的颗粒被部分或小部分包覆，通过压实使颗粒间紧密接触，水泥硬化时他们胶结在一起，混和料的胶结面积增加而使强度有所增加，所以非粘性粉粒存在能够改善混和料的和易性和增加水稳粒料的强度。
　　 3、含水量对施工质量的影响：
　　 （1）对压实度的影响：
　　 重型击实的试验证明同种混和料在不同的含水量下对同一个压实功存在不同的压实度，有的甚至对含水量变化十分敏感，因此控制好施工时的含水量是达到压实的前提。
　　 另外含水量过大，碾压较易发生严重的粘轮现象，0.5mm以下的细料略多时，表现得更为严重，人工不易处理，压实后的表面出现麻坑，小片的剥落。

　　 （2）对强度的影响：
　　 稳定粒料的含水量较小时不但难以碾压成型，也会因为水泥缺水而不能正常水解、水化，使结构层不能形成强度，造成板体的松散。
　　 （3）对延迟时间的影响：
　　 当含水量较小，水灰比较大时，水泥浆较稠，结晶网状结构易于形成，凝结加快，反之凝结时间就会相应延长。夏季施工时，在突遇骤雨的情况下会使混和料的含水量远远大于正常含水量，甚至会被浸泡，此时会发现混和料的凝结时间大大延长，等到水份散失到一定程度可以碾压时，再进行碾压，仍可形成一定的强度，但会有其他不利的影响，应当避免。
　　 （4）含水量过大，使裂缝出现的机会增大。
　　 4、加入石灰对0.5mm以下的细料进行处治：
　　 在水稳粒料中加入1-2%的石灰，也可以把这种混合料看成是石灰与水泥的综合稳定粒料。进行室内试验时筛取0.5mm以下的细料分别以一定剂量的水泥、石灰水泥稳定，后一种可以得到较高的强度，这是因为加入的石灰消弱了粘粒对水泥硬化的影响。
　　 在施工时，加入一定比例的石灰可以提高水稳粒料的强度，减少水泥用量，也会使混合粒料的干缩应变系数大大减小。在细集料质量难以保证时应当考虑掺拌少量石灰。
　　 5、裂缝的产生与防治
　　 水稳粒料的裂缝一般有温差引起的温缩裂缝，干缩应变引起的干缩裂缝，反射裂缝，及外力破坏应变产生的疲劳裂缝等。这些裂缝随龄期的增长而增加。裂缝出现时，具体的原因很难找出，因此在施工时就要采取比较全面的防治措施，针对其产生的原因逐一采取对策。一般有：
　　 （1）在达到规定的强度下采用水泥用量低限；
　　 （2）碾压成形后养生及时周到防止忽干忽湿，炎热多风天气多洒水及时补足散失水份；
　　 （3）集料级配稳定均一，0.5mm以下细料的质量应严格要求，限制其含量且塑指数越小越好，如果不能达到质量要求，可掺拌石灰进行处理；
　　 （4）含水量不能过大（＜最佳含水量+3% ）；
　　 （5）控制好下层的压实度、强度指标，当下层较薄弱，而水稳结构层的模量较大时，易产生疲劳裂缝；
　　 （6）在作业段的施工缝处应洒水润湿，或涂水泥浆以利于结合，避免产生裂缝；
　　 （7）提高工作效率，缩短延迟时间，延迟时间过长，水稳粒料的强度损失较大，裂缝出现机率增大；
　　 （8）在高温环境作业下，要控制结构层的温度，不致造成早、午、晚的温差过大，减少温缩裂缝。
　　 五、拌和及施工质量控制
　　 1、拌和站原材的堆放：
　　 应选择规模较大、质量较为稳定的料场，各种规格的石料严格区分堆放，料场应用废渣垫起一定的高度，以利雨季时排水，确保细集料不含过量的水份，造成拌和时含水量失控。
　　 拌和机开动后应尽量减少开停机次数，拌和、运输、摊铺、碾压互相协调，一个环节脱节，会影响其它工序的施工，影响施工质量，并造成机械台班的浪费。
　　 2、施工质量控制：
　　 现场施工需要掌握的数据：
　　 （1）松铺系数：应通过测定碾压前后的高差，测定松铺系数，摊铺机施工时的松铺系数在1.25～1.35之间，但不同的摊铺机具有不同的振实系数，应分别测定；平地机施工时，松铺系数较小，一般为1.05～1.10左右，施工时应当测定准确，以免造成标高控制不准。
　　 （2）压实遍数：应用胶轮压路机或振动压路机中速静压一遍，当含水量较大时可以等到含水量散失合适的程度时用振动压路机轻碾一遍，达到稳压目的，然后用20t以上的大吨位压路机碾压，在尽短时间内，碾压完成，效果比较好，因此工地应配备足够的压实设备。一般碾压4～6遍，即能达到压实要求。
　　 （3）延迟时间：应计算加水拌和到达压实度后的碾压成型时间，一般不超过4小时，控制在2小时以内为好。
　　 （4）含水量宜控制为：施工含水量应等于最佳含水量加上水泥水化的用水量（约为1%），施工时测定的含水量一般要比实际的小，因为测定含水量时，部分水与水泥反应形成结晶水，因此含水量略高于最佳含水量也有利于强度的形成。
　　 （5）标高：一般情况下水稳粒料虚铺厚度较大，如果厚度不均，压实后各点的沉降大小也会不一致，使得标高不易控制，尤其是在旧路改造水稳层作为找平层时，表现尤为突出，如平地机施工情况则稍好，采用摊机施工时，应配置标高复测人员，发现标高不准的地方当即处理，延误处理将会增加处理的难度的费用，同时也将影响施工质量。
　　 （6）平整度：较大的虚铺厚度、机械性能、机械操作人员的技术水平及其责任感都会直接影响平整度的控制，施工前有必要对有关人员进行一次技术培训和质量责任教育。同时对平整度较差的地方应派专人处理。
　　 六、施工进度
　　 按预计工期并结合实际情况估算每天的应有的进度。从以往的施工经验看,不存在外界环境干扰情况下，施工进度取决于良好的设备配置、工序衔接、现场施工管理，从南坛路工程的施工情况看，如果摊铺机工作基本正常，拌和站故障率较少，现场工序衔接较紧密，进度将大大提高，平均每天进展700m（合8750m2 约1313m3），最快时每天进展1公里，同时质量也随之提高，机械成本大大降低。
　　 七、结束语
　　 以上内容是本人近几年从事水泥稳定粒料施工的一点心得与体会，意在与同事们交流探讨，以期不断提高我公司水稳粒料的施工水平。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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