高速公路水泥穩定碎石基層混合料優化設計與施工控制
李國文 王捷
【浙江申蘇浙皖高速公路有限公司 313000】 【東南大學交通學院 210096】
摘要：為確保水泥穩定碎石基層的工程質量，有必要對水泥穩定碎石基層混合料進行優化設計，并加強施工過程質量控制。本文從原材料要求、配合比組成、拌和、攤鋪、碾壓、質量驗收等方面進行了闡述。
關鍵詞：高速公路 水泥穩定碎石 配合比 優化 施工控制
0. 概述
路面基層是瀝青面層下鋪筑的主要承重層，在路面基層的施工中，必須層層把關，嚴格要求。目前我國已建高速公路大都采用半剛性基層，常用的是水泥穩定粒料和石灰粉煤灰穩定粒料基層，由于具有更好的水穩定性，近年來水泥穩定碎石基層在東南多雨地區得到越來越廣泛的應用。
與二灰穩定類基層相比，水泥穩定碎石基層在路用性能上有一些優勢，但半剛性基層易產生反射裂縫的缺點仍不可避免，為減少反射裂縫的發生，確保路面基層的工程質量，
1. 混合料優化設計
水泥穩定材料的組成設計包括：根據規定的材料指標要求，通過試驗選取合適的集料和水泥；確定合理的集料配合比例、水泥劑量、混合料的最佳含水量和相應的最大干密度。合理的水泥穩定碎石組成必須達到強度要求，具有較小的溫縮和干縮系數（現場裂縫較少），施工和易性好（粗集料離析較�。�。
1.1 材料要求
（1）水泥
拌制水泥穩定碎石混合料的水泥宜采用強度等級不低于42.5級的早強、緩凝水泥，3天膠砂強度應不小于18Mpa。受外界影響而變質的水泥不得采用。水泥各齡期強度、安定性等應符合規定；水泥初凝時間應不小于3小時、終凝時間不小于6小時。
（2）碎石
碎石的最大粒徑不超過31.5mm，宜按粒徑9.5-26.5mm、4.75-9.5mm、2.36mm-4.75mm和0-2.36mm四種規格備料。
碎石壓碎值應不大于28%，粗集料針片狀含量應不大于18%（宜不大于15%）。碎石中小于0.6mm的顆粒必須做液限和塑性指數試驗，要求液限小于28%，塑性指數<9。合成碎石的顆粒組成應符合表1的規定。
表1 水泥穩定碎石混合料中合成碎石的顆粒組成
級配 通過下列篩孔(mm)的重量百分率(%)
31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
范圍 100 90～100 72～89 47～67 29～49 17～35 8～22 0～7
（3）水 凡飲用水皆可使用，遇到可疑水源，應委托有關部門化驗鑒定。
1.2 混合料組成設計
（1）取工地實際使用的集料，分別進行水洗篩分，按顆粒組成進行計算，確定各種集料的組成比例。要求組成混合料的級配應符合表1的規定。
為保證配制出的混合料具有較好的抗裂性能以及施工時減少離析的產生，建議配合比設計時級配曲線按正“S”形調整。4.75mm以上篩孔通過率宜處于級配中值與上限之間，2.36mm以下篩孔通過率宜處于級配中值與下限之間，0.075mm篩孔通過率宜在2.5％左右。
（2）取工地使用的水泥，按不同水泥劑量分組試驗。一般建議水泥劑量按3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五種比例進行試驗（以集料質量為100）。制備不同比例的混合料（每組試件個數為：偏差系數10％～15％時9個，偏差系數15％～20％時13個），用重型擊實法確定各組混合料的最佳含水量和最大干密度。
（3）為減少基層裂縫，必須做到三個限制：在滿足設計強度的基礎上限制水泥用量；在減少含泥量的同時，限制細集料、粉料用量；根據施工時氣候條件限制含水量。具體要求水泥劑量應不大于5%（建議用高標號水泥，可減少水泥劑量）、集料級配中0.075 mm以下顆粒含量宜不大于3.5%、含水量宜不超過最佳含水量的1%。
（4）根據確定的最佳含水量，拌制水泥穩定碎石混合料，按要求壓實度（重型擊實標準，98％）制備混合料試件，在標準條件下養護6天，浸水一天后取出，做無側限抗壓強度。
（5）水泥穩定碎石7天浸水無側限抗壓強度代表值 應滿足基層為3.5MPa ~4.0MPa，底基層為2.5MPa ~3.0MPa，這樣既保證足夠的強度，也避免因強度過高產生較多反射裂縫。
（6）試件室內試驗結果抗壓強度的代表值按下式計算：

式中： －抗壓強度代表值，MPa；
－該組試件抗壓強度的平均值，MPa；
－保證率系數，高速公路保證率95％，此時 ＝1.645；
－試驗結果的偏差系數（以小數計）。
（7）用插值法取強度代表值滿足設計要求（宜取范圍中值）的配合比作為水泥穩定碎石的最佳生產配合比，用重型擊實法求得最佳含水量和最大干密度。
2. 施工過程控制
2.1 施工機械
路面基層施工，一律要求采用集中廠拌、攤鋪機攤鋪，按層次施工。每層最大壓實厚度不大于20cm，以確�；鶎邮┕べ|量。水泥穩定碎石施工要求單幅分兩層梯隊攤鋪作業，因而必須配備以下主要機械：
（1）拌和機 根據高速公路的技術要求和攤鋪日進度，必須配置產量大于400噸/小時的拌和機，要保證其實際出料（生產量的80%）能力超過實際攤鋪能力的10-15%。為使混合料拌和均勻，拌缸要滿足一定長度。至少要有五個進料斗，料斗口必須安裝鋼筋網蓋，篩除超出粒徑規格的集料及雜物。拌和機的用水應配有大容量的儲水箱。
（2）攤鋪機 應根據路面基層的寬度、厚度，選用合適的攤鋪機械。根據工程項目實際，基層施工應采用兩臺攤鋪機梯隊作業。但要求兩臺攤鋪機功能一致，最好為同一機型，以保證路面基層厚度一致，完整無縫，平整度好。
（3）壓路機 至少應配備12噸左右輕型壓路機2臺，18-20噸的穩壓用壓路機2臺、振動壓路機2臺和膠輪壓路機2臺。壓路機的噸位和臺數必須與拌和機及攤鋪機生產能力相匹配，使從加水拌和到碾壓終了的時間不超過2小時，保證施工正常進行。
（4）水泥鋼制罐倉 可視攤鋪能力決定其容量，總容量不低于100噸，罐倉內應配有水泥破拱器，以免水泥起拱停流。
2.2 底基層的檢查與驗收
（1）底基層外形檢查
底基層外形檢查內容有高程、中線偏位、寬度、橫坡度和平整度。
（2）底基層壓實度檢查、修補與驗收
底基層應進行壓實度和表面松散檢查，凡不符合要求的路段，應分別采用補充碾壓、填換好的材料等。
（3）底基層沉降檢查
底基層的表面沉降速率應達到連續兩個月小于5mm/月才可鋪筑基層。
2.3 試鋪
正式開工之前，應進行試鋪。試鋪段應選擇在經驗收合格的底基層上進行，其長度為300－600米左右，每一種方案試驗100－200米。
水泥穩定碎石混合料采用中心站集中拌和（廠拌）法施工，由兩臺攤鋪機梯隊攤鋪作業，一次碾壓密實。
試鋪段要決定的主要內容如下：
（1）驗證用于施工混合料的配合比
①調試拌和機，分別稱出拌缸中不同規格的碎石、水泥、水的重量，測量其計量的準確性
②調整拌和時間，保證混合料均勻性
③檢查混合料含水量、集料級配、水泥劑量、7天無側限抗壓強度
（2）確定一次鋪筑的合適厚度和松鋪系數（約為1.20~1.30）
（3）確定標準施工方法
① 混合料配比的控制方法
② 混合料攤鋪方法和適用機具（包括攤鋪機的行進速度、攤鋪厚度的控制方式、梯隊作業時攤鋪機的間隔距離，一般5－8米）
③ 含水量的增加和控制方法
④ 壓實機械的選擇和組合，壓實的順序，速度和遍數
建議： 12－15噸雙鋼輪壓路機靜壓1遍（速度1.5-1.7km/小時）；18－20噸雙鋼輪壓路機靜壓1遍（速度1.5-1.7km/小時）；激振力20-25噸三輪或雙鋼輪壓路機振動碾壓2遍（速度1.8-2.2km/小時）；激振力大于40噸三輪或雙鋼輪壓路機振動碾壓2－3遍（速度1.8-2.2km/小時）；輪胎壓路機碾壓1－2遍（速度1.5-1.7km/小時）。
⑤ 拌和、運輸、攤鋪和碾壓機械的協調和配合
（4）確定每一作業段的合適長度（一般建議50-80米）
（5）嚴密組織拌和、運輸、碾壓等工序，縮短延遲時間
一般來說，試鋪段的檢驗頻率應是正式施工時的2－3倍。
2.4 施工
2.4.1 一般要求
（1）清除作業面表面的浮土、積水等。并將作業面表面灑水濕潤。
（2）開始攤鋪的前一天要進行測量放樣，按攤鋪機寬度與傳感器間距，一般在直線上間隔為10米，在平曲線上為5米，做出標記，并打好導向控制線支架，根據松鋪系數算出松鋪厚度，決定導向控制線高度，掛好導向控制線。用于控制攤鋪機攤鋪厚度的控制線的鋼絲拉力應不小于800N。
（3）水泥穩定碎石基層的施工期建議在冰凍到來半個月前結束施工，盡量避免在高溫季節施工。
（4）下層水泥穩定碎石施工結束7天后即可進行上層水泥穩定碎石的施工。建議兩層水泥穩定碎石施工間隔不宜長于30天。
2.4.2 混合料的拌和
（1）開始拌和前，拌和場的備料應能滿足3-5天的攤鋪用料。
（2）每天開始攪拌前，應檢查場內各處集料的含水量，計算當天的配合比，外加水與天然含水量的總和要比最佳含水量略高。實際的水泥劑量可以大于混合料組成設計時確定的水泥劑量約0.5％，但是，實際采用的水泥劑量和現場抽檢的實際水泥劑量應小于5.0％。
（3）每天開始攪拌之后，按規定取混合料試樣抽查級配和水泥劑量；隨時在線檢查配比、含水量是否變化。高溫作業時，早晚與中午的含水量要有區別，要按溫度變化及時調整。
（4）拌和機出料不允許采取自由跌落式的落地成堆、裝載機裝料運輸的辦法。一定要配備帶活門漏斗的料倉，由漏斗出料直接裝車運輸，裝車時車輛應前后移動，分三次裝料，避免混合料離析。
2.4.3 混合料的運輸
（1）運輸車輛在每天開工前，要檢驗其完好情況，裝料前應將車廂清洗干凈。運輸車輛數量一定要滿足拌和出料與攤鋪需要，并略有富余。
（2）應盡快將拌成的混合料運送到鋪筑現場。車上的混合料應覆蓋，減少水分損失。如運輸車輛中途出現故障，必須立即以最短時間排除；當車內混合料不能在初凝時間內運到工地攤鋪壓實，必須予以廢棄。
2.4.4 混合料的攤鋪
（1）攤鋪前應將底基層或基層下層適當灑水濕潤。
（2）攤鋪前應檢查攤鋪機各部分運轉情況，而且每天堅持重復此項工作。
（3）調整好傳感器臂與導向控制線的關系；嚴格控制基層厚度和高程，保證路拱橫坡度滿足設計要求。
（4）攤鋪機宜連續攤鋪。如拌和機生產能力較小，在用攤鋪機攤鋪混合料時，應采用最低速度攤鋪，禁止攤鋪機停機待料，攤鋪機的攤鋪速度一般宜在1米/分鐘左右。
（5）基層混合料攤鋪應采用兩臺攤鋪機梯隊作業，一前一后應保證速度一致、攤鋪厚度一致、松鋪系數一致、路拱坡度一致、攤鋪平整度一致、振動頻率一致等，兩機攤鋪接縫平整。
（6）攤鋪機的螺旋布料器應有三分之二埋入混合料中。
（7）在攤鋪機后面應設專人消除細集料離析現象，特別應該鏟除局部粗集料“窩”，并用新拌混合料填補。
2.4.5 混合料的碾壓
（1）每臺攤鋪機后面，應緊跟三輪或雙鋼輪壓路機，振動壓路機和輪胎壓路機進行碾壓，一次碾壓長度宜為50－80米。碾壓段落必須層次分明，設置明顯的分界標志。
（2）碾壓應遵循生產試驗路段確定的程序與工藝。注意穩壓要充分，振壓不起浪、不推移。壓實時，可以先穩壓（遍數適中，壓實度達到90%）→開始輕振動碾壓→再重振動碾壓→最后膠輪穩壓，壓至無輪跡為止。碾壓過程中，可用核子儀初查壓實度，不合格時，重復再壓（注意檢測壓實時間）。碾壓完成后用灌砂法檢測壓實度。
（3）壓路機碾壓時應重疊1/2輪寬。
（4）壓路機倒車換擋要輕且平順，不要拉動基層，在第一遍初步穩壓時，倒車后盡量原路返回，換擋位置應在已壓好的段落上，在未碾壓的一頭換擋倒車位置錯開，要成齒狀，出現個別擁包時，應進行鏟平處理。
（5）壓路機碾壓時的建議行駛速度，第1-2遍為1.5-1.7km/小時，以后各遍應為1.8-2.2km/小時。
（6）壓路機停車要錯開，相距間隔不小于3米，應停在已碾壓好的路段上。
（7）嚴禁壓路機在已完成的或正在碾壓的路段上調頭和急剎車。
（8）碾壓宜在水泥終凝前及試驗確定的延遲時間內完成，并達到要求的壓實度，同時沒有明顯的輪跡。
（9）為保證水泥碎石基層邊緣強度，應有一定的超寬；對用方木或型鋼模板支撐時，也應有一定超寬。
2.4.6 橫縫設置
（1）水泥穩定碎石混合料攤鋪時，應連續作業，如因故中斷時間超過2小時，則應設橫縫；每天收工之后，第二天開工的接頭斷面也要設置橫縫；要特別注意橋頭搭板前水泥碎石的碾壓。
（2）橫縫應與路面車道中心線垂直設置，接縫斷面應是豎向平面。其設置方法：
①壓路機碾壓完畢，沿端頭斜面開到下承層上停機過夜。
②第二天將壓路機沿斜面開到前一天施工的基層上，用三米直尺縱向放在接縫處，定出基層面離開三米直尺的點作為接縫位置，沿橫向斷面挖除坡下部分混合料，清理干凈后，攤鋪機從接縫處起步攤鋪。
③壓路機沿接縫橫向碾壓，由前一天壓實層上逐漸推向新鋪層，碾壓完畢再縱向正常碾壓。
2.5 養生及交通管制
（1）每一段碾壓完成以后應立即進行質量檢查，并開始養生。
（2）養生方法：建議先在碾壓完成后的基層表面覆蓋一層塑料薄膜，然后將麻布或透水無紡土工布濕潤覆蓋在薄膜上面。在7天內應保持基層處于濕潤狀態，28天內正常養護。養生結束后，必須將覆蓋物清除干凈。
（3）用灑水車灑水養生時，灑水車的噴頭要用噴霧式，不得用高壓式噴管，以免破壞基層結構，每天灑水次數應視氣候而定，整個養生期間應始終保持水泥穩定碎石層表面濕潤。
（4）基層養生期不應少于7d。養生期內灑水車必須在另外一側車道上行駛，工人手持水龍帶，跨過中分帶噴灑養生水。
（5）在養生期間應封閉交通。
2.6 主要質量檢查驗收項目
（1）壓實度
基層的干密度用灌砂法檢查，最好使用直徑20cm的灌砂筒，試坑挖深應為鋪層的全厚，使檢測結果代表該層平均干密度。從試坑中取出的全部混合料試樣在工地現場用液化汽爐炒干法測定含水量，以減少試驗誤差，并對壓實度不合格點能及時碾壓�；鶎幽雺航Y束便立即挖坑試驗，監理抽檢應與施工單位自檢同時進行。如果不及時檢查，由于水泥穩定碎石早期強度發展較快，達一定強度后，挖洞取樣工作將比較困難。
施工過程中的質量檢查標準應是每個檢查點的壓實度均不小于98%，對壓實度不合格的檢查點應及時處理，直到合格為止。只有在交工驗收時才允許用數理統計算術平均值的下置信界限進行檢驗與評定。
（2）厚度
采用挖坑法測量路面厚度，即用灌砂法進行壓實度檢查的同時，測量試坑的深度即該層路面厚度。如果想得到基層的總厚度時，挖坑法比較困難。較理想的檢查方法是定點高程測量及算出路面厚度，不僅可以得到分層厚度，也可以得路面基層總厚度，同時厚度的施工檢測頻率可提高至原頻率的8至10倍。
路面厚度的檢查標準和質量評定方法，施工過程和交工驗收兩個階段相同，均采用數理統計算術平均值的下置信界限計算出厚度的代表值。①厚度代表值不小于設計值減8mm時，則該路段厚度合格；②厚度單點測值小于設計值減15mm時，按測點數的百分率扣分。③對于單個厚度達不到設計值的測點也不必返工處理；④對于厚度代表值小于設計厚度減8mm時，該評定路段厚度不合格，該不合格的路段應作相應處理。
（3）水泥劑量
現行規范規定，水泥質量與干燥集料質量之比的百分數稱為水泥穩定碎石混合料的水泥劑量，施工中均采用EDTA滴定法測定。制備標準曲線時應配制五組不同水泥劑量的混合料，其中間為設計劑量，集料均為設計確定的級配，混合料用最佳含水量。每種劑量配制1800g濕混合料試樣，分成6份，每個試樣300克進行滴定，取6個試樣試驗結果的平均值作為該劑量消耗EDTA標準溶液的毫升數。不用將水泥穩定碎石混合料中大于4.75mm顆粒集料篩除后余下的細混合料進行滴定。實踐表明，由于采用了6個原狀混合料試樣進行檢驗，取其結果的平均值，基本上消除了試樣粗、細集料顆粒不均勻而引起的誤差，比篩除粗集料后試驗更符合實際，結果更準確，操作更方便。
（4）級配
水泥穩定碎石混合料的集料級配檢驗可以在拌和前的運輸皮帶上取樣篩分，但必須停機取樣，拌和機再起動拌和，需經一定時間調整后才能走上正常拌和，影響正常生產。建議拌和機拌和后在拌和場取成品混合料試樣水洗篩分。由于含有水泥成分，應與水泥劑量聯合檢驗。并認為水泥顆粒存留在0.075mm篩上的顆粒很少，對集料篩分結果的影響可以忽略。
3. 結論
（1）水泥穩定碎石混合料所用水泥宜采用強度等級不低于42.5級的早強、緩凝水泥，3天膠砂強度應不小于18Mpa，避免因水泥標號低、用量多而產生較多反射裂縫。
（2）為保證配制出的混合料具有較好的抗裂性能以及施工時減少離析的產生，建議配合比設計時級配曲線按正“S”形調整。4.75mm以上篩孔通過率宜處于級配中值與上限之間，2.36mm以下篩孔通過率宜處于級配中值與下限之間，0.075mm篩孔通過率宜在2.5％左右。
（3）水泥穩定碎石7天浸水無側限抗壓強度代表值宜滿足基層為3.5MPa ~4.0MPa，底基層為2.5MPa ~3.0MPa，這樣既保證足夠的強度，也避免因強度過高產生較多反射裂縫。
（4）施工時實際水泥劑量可以大于混合料組成設計時確定的水泥劑量約0.5％，但是，實際采用的水泥劑量和現場抽檢的實際水泥劑量應小于5.0％。
（5）高溫作業時，早晚與中午的含水量要有區別，要按溫度變化及時調整。
參考文獻
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