强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石底基层在国省道干线公路的应用

余 琦，李佳佳，赵丁鑫，刁俊刚，胡光胜

(1. 中建桥梁有限公司，重庆 402260；2. 中国建筑第七工程局有限公司，郑州 450004；3. 中国建筑第五工程局有限公司，长沙 410004；4. 河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450018)

0 引言

在公路路面结构中，基层作为主要的承重层，承担着面层传递下来的压力，因此其强度、刚度及稳定性等路用性能必须满足要求。半刚性基层由于强度高、刚度大、承载能力强等优点，成为当前应用最主要的基层结构，其中水泥稳定碎石的路用性能最为突出，但水泥稳定碎石基层也存在着水泥用量较大，易开裂，容易引起沥青面层反射裂缝，加速早期损坏的缺陷[1]。级配对水泥稳定碎石的路用性能有着决定性影响，其中骨架密实型水泥稳定碎石的承载能力和耐久性等指标优良，能够很好地满足基层的使用要求，但仍然存在着优化的空间[2]。

调查统计资料显示，国道310洛三界至三门峡西段南移新建工程的路面设计交通等级为重交通，且超载现象严重，因此对路面基层结构的承载能力提出更高要求。强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石路用性能特点能够较好地满足工程需求，本文对该类型水泥稳定碎石的配合比设计、施工工艺等关键环节进行应用分析，验证了强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石用于国省道干线公路底基层的适用性。

1 强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石的特点

在《公路工程路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)和河南省地方标准《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》(DB41/T 846-2013)中，对常规水泥稳定碎石和强嵌挤结构水泥稳定碎石的级配范围提出了要求，见表1。

表1 两种结构水泥稳定碎石级配范围

图1 两种结构各筛孔级配中值通过率

从表1、图1可以看出，与《细则》中的常规结构水泥稳定碎石级配相比：

(1)强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石各筛孔通过率的上下限范围均有所减小，且范围更窄，说明从整体上看该类型水泥稳定碎石的级配将进一步变粗。

(2)从级配范围中值通过率来看，强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石19mm的通过率为64%，常规结构水泥稳定碎石的通过率为78.5%，说明强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石混合料中粒径在19mm以上的粗骨料占比更多。

(3)与常用的水泥稳定碎石相比，19～31.5mm粗集料含量增加了13.5%，4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～0.6mm档集料分别减少了7.0%、3.5%和4.0%，因此呈现出“三少一多”的特点。

2 原材料

2.1 水泥

本项目所用水泥为渑池仰韶水泥有限公司生产的P.O 42.5级缓凝水泥，相关技术指标检测结果见表2。

表2 水泥相关技术指标

本项目所用水泥的凝结时间、安定性、强度等技术指标的检测结果满足规范要求[3]。

2.2 集料

所用集料由顺通石场生产，分为19～37.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四档，其主要技术指标检测结果见表3。

表3 集料主要技术指标

本项目所用粗、细集料的针片状、压碎值、小于0.075mm的颗粒含量及砂当量等指标的检测结果满足有关技术要求。

3 配合比设计

3.1 矿料级配设计

为确定强嵌挤骨架密实结构水泥稳定碎石的各档集料比例，需要对各档集料的级配组成进行分析，按照规范要求，对19～37.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四档集料进行了水洗筛分[4]，结果见表4。

表4 集料筛分结果

根据表4各档集料筛分结果，结合强嵌挤骨架密实结构水泥稳定碎石的级配范围要求，在兼顾混合料抗裂性、施工和易性、经济性的前提下，进行了矿料级配组成设计，结果如表5和图2所示。

表5 矿料合成级配结果

图2 矿料合成级配曲线

从矿料级配合成结果来看，粒径在9.5mm以上的集料通过率偏级配范围上限，4.75mm以下的集料通过率偏级配范围下限，说明该混合料的级配具有粗集料偏多、细集料偏少的特点。

3.2 击实试验

由于强嵌挤骨架密实结构水泥混凝土中粗骨料所占比例大，传统的重型击实试验难以击实，且易离析，无法获取准确的试验结果，因此，强嵌挤骨架密实结构水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水率宜采用振动击实法确定[5]。项目技术人员对水泥剂量为2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的混合料分别进行了击实试验，结果见表6，所用振动击实仪的工作频率30Hz，振幅1.3mm，上车系统重量1.2kN，下车系统重量1.8kN。

表6 振动击实试验结果

3.3 混合料配合比设计

进行水泥稳定碎石的配合比设计时，7d无侧限抗压强度和90d劈裂强度是反映混合料强度的关键指标，主要用于确定水泥稳定碎石的水泥剂量[6]。根据《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》(DB41/T864-2013)要求，强嵌挤骨架密实水泥稳定石灰岩碎石用于底基层施工时，7d无侧限抗压强度应不小于6.5MPa、劈裂强度不小于0.65MPa。

3.3.1 7d无侧限抗压强度

根据前文确定的强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石的矿料合成级配及各水泥剂量下的最佳含水率和最大干密度，按照《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》(DB41/T864-2013)附录C的要求采用垂直振动成型方法成型150mm(直径)×150mm(高)的圆柱体试件。试件成型后置于温度20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准养护室中养生6d，然后浸入20℃±2℃的恒温水槽中1d，最后进行无侧限抗压强度试验，结果见表7。

表7 7d无侧限抗压强度试验结果

3.3.2 劈裂强度

劈裂强度是表征材料路用性能的一个重要指标。强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石的劈裂试验采用直径φ150mm、高150mm的振动成型圆柱体试件。试件制备后放置于标准养生室中进行养生，养生龄期最后一天将试件浸于水中24h，使用压力试验机按照规定的要求进行试验，试验结果见表8。

表8 劈裂强度试验结果

从表6、表7可见，水泥剂量为2.5%时，混合料的7d无侧限抗压强度和劈裂强度均不满足规范要求；水泥剂量为3.0%时，无侧限抗压强度满足要求，但劈裂强度不足；水泥剂量为3.5%和4.0%时，7d无侧限抗压强度和劈裂强度均可满足规范要求。因此，强嵌挤骨架密实结构水泥稳定碎石的水泥剂量应不小于3.5%。

水泥剂量的增加有助于提高水泥稳定碎石混合料的强度，但也会引起水泥稳定碎石结构层工程造价增加、干缩温缩加剧等问题[7]。考虑到施工经济性和混合料抗裂性，确定强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石配合比设计的水泥剂量为3.5%(表9)。

表9 配合比设计结果

4 施工质量控制及检验

2019年6月，根据室内试验和配合比设计结果，课题组在K14+960～K15+140段铺筑了强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石底基层试验段，试验段长180m，摊铺宽度11.95m，厚20cm。

4.1 施工工艺

水泥稳定碎石底基层施工主要有混合料的拌和、运输、摊铺、碾压及施工质量检验等流程。混合料的拌和采用经标定、调试稳定的WDB800Q型水稳拌和机，按照试验室确定的配合比设计结果进行生产拌和；拌和后的混合料分前、中、后三次装入运输车辆中运输至施工现场进行摊铺；摊铺采用两台摊铺机并联单幅全断面摊铺，双机联铺时，两机相距5～10m，纵向重叠10cm，其他参数保持一致，摊铺速度控制在1.5m/min左右，并派专人消除离析现象；混合料摊铺修整后，在混合料处于最佳含水率时立即采用压路机紧跟摊铺机按照“先边后中、先慢后快”的原则进行碾压，碾压机械配置为“三钢两胶”，碾压时重叠1/3～1/2轮宽。具体的碾压工艺见表10。

表10 碾压工艺要求

4.2 施工质量检测

为合理评价强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石底基层的施工效果和质量，对施工过程中的水泥剂量、含水率、强度、压实度等指标进行了检测。

(1)采用EDTA滴定法检测水泥稳定碎石的水泥用量为3.6%，比配合比设计确定的水泥剂量大0.1%，符合施工要求。

(2)采用烘干法对拌和后的混合料含水率进行4次测定，平均含水率为5.35%，比最佳含水率高约1.0%。这是因为施工环境温度较高，在混合料运输、摊铺过程中必然会散失部分水分，为使混合料碾压含水率接近最佳含水率，在拌和时会将混合料含水率提高0.5%～1.0%。

(3)按照表7确定的碾压工艺完成碾压后，采用灌砂法对压实度进行了检测，结果为98.5%>97.0%，满足规范要求。

(4)采用振动成型法制作了无侧限抗压强度试件，并按照规范要求养生后，测定了试件的7d无侧限抗压强度，平均值为7.7MPa，变异系数6.8%，代表值为6.8MPa>6.5MPa，满足规范要求。

(5)对养生7d后的底基层结构进行了钻芯取样，芯样完整密实，高度在19.0～20.9cm之间，平均高度20.2cm。

5 结论

(1)与传统结构的水泥稳定碎石相比，强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石的粗骨料比例多，具体表现为“9～31.5mm档集料增多，4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～0.6mm档集料降低”、“三少一多”的特点。

(2)根据粗、细集料的级配特点，确定了强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石的最佳配合比组成为：19～37.5mm碎石:9.5～19mm碎石:4.75～9.5mm:0～4.75mm石屑=30:26:14:30。根据7d无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验结果，综合考虑混合料的抗裂性能和施工经济性，确定混合料的最佳水泥用量为3.5%，最大干密度为2.396g/cm3，最佳含水率为4.5%。

(3)通过在国道310洛三界至三门峡西段南移新建工程中进行实践应用，总结了强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石底基层的施工关键，验证了强嵌挤骨架密实水泥稳定碎石底基层应用的合理性。