橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层施工工艺研究

伍 川 姜维强 刘思拓 王朝辉 王国成 马镇东 周晓蕾

(1.中铁城市发展投资集团有限公司 成都 610000；2.中铁北京工程局集团第一工程有限公司 西安 710199； 3.长安大学公路学院 西安 710064)

水泥稳定基层凭借其强度高、荷载扩散能力优良且取材容易等优点，逐渐得到了广泛研究与应用。但在气候温差大、土壤盐渍化严重的南疆地区，由于水泥稳定基层刚度过大，变形能力差，导致拱胀破坏病害频发[1-3]。目前，常用的防治措施有设置胀缝、双层连续摊铺等。上述方法虽能在一定程度上缓解路面拱胀现象，但作用有限。而橡胶颗粒水泥稳定基层材料具有较高韧性，可有效提高路面耐久性，是铺筑公路基层的优质材料。

现阶段国内外学者关于橡胶改性水泥稳定基材料及其橡胶水泥稳定基层的研究主要集中在性能影响因素、改进机理、工艺优化等方面。针对橡胶水泥稳定基层材料性能影响因素，孙鹏飞等[4]利用3因素3水平正交法分析了水泥剂量、橡胶粒径，以及掺量对水泥稳定碎石强度的影响；吕松涛等[5]研究了橡胶颗粒掺量对水泥稳定碎石无侧限抗压强度、最大劈裂与弯拉应变及动态模量的影响；关于改进机理方面，王军龙等[6]基于SEM图像分析技术揭示了橡胶粉对水泥稳定碎石混合料的改善机理；郝迎军等[7]通过圆环实验研究橡胶颗粒水泥基材料抗裂性能，发现掺入橡胶集料降低了材料的弹性模量，提高了抗裂性能；在工艺优化方面，陈振伟等[8-9]采用不同方式对橡胶颗粒进行表面预处理，显著提高了橡胶颗粒与水泥材料的黏结力。由此可知，虽然橡胶颗粒水泥稳定材料缓解拱胀开裂能力优良，但橡胶颗粒弹性大，基层施工质量难以保障，且现有研究仅停留于室内试验，传统基层施工工艺无法适用于橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层。

基于此，本文依托若羌至民丰高速工程，基于室内试验，开展橡胶颗粒水泥稳定砂砾材料组成设计，针对橡胶颗粒水泥稳定基层材料特点，明确橡胶颗粒水泥稳定基层施工工艺，铺筑橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层试验段，评价橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层施工质量，分析橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层防拱胀开裂机理，以期为橡胶颗粒水泥稳定基层进一步推广与应用奠定基础。

1 试验段概况

试验段位于若羌至民丰高速公路项目SG2标段，标段所在区域地形平坦开阔，属冲积平原和风积沙漠地貌。通过气象调查得该区域蒸发强烈，干燥少雨，昼夜温差大，沿线年平均蒸发量2 879.9 mm，极端最高气温42.7 ℃，极端最低气温-21.7 ℃。试验段总长度为200 m，设计厚度为33 cm，顶面宽度为12 m，为明确橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层施工质量，选取紧邻试验段200 m原路面作对比，原路面采用普通水泥稳定砂砾基层材料，且与试验段等厚。

2 橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料组成设计

2.1 原材料与技术指标

橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料主要原材料包括橡胶颗粒、水泥、集料、水。橡胶颗粒选用废旧轮胎内胎加工后的优质颗粒；水泥为42.5普通硅酸盐水泥；集料由20～25、10～20、5～10 mm 3档卵石及0～5 mm机制砂组成；拌和用水从当地开采，经检测质量合格。橡胶颗粒技术指标和粗集料技术指标分别见表1和表2。

表1 橡胶颗粒技术指标

表2 粗集料技术指标

2.2 材料组成设计

通过NaOH溶液对橡胶颗粒进行了表面处理，以提高其与水泥及石料间的黏结性。通过室内试验确定采用集料质量1%的橡胶颗粒等体积替代0～5 mm机制砂制备橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料，水泥剂量采用集料质量的4.5%，具体配合比见表3，试验段基层材料矿料合成级配见图1。

表3 橡胶颗粒水泥稳定基层材料配合比

图1 试验段矿料合成级配

试验段基层材料加入的2～4 mm橡胶颗粒与被替换0～5 mm机制砂粒径相似、体积相等，从整体上使试验段基层材料颗粒粒径组成与原路面基本保持一致，保障了基层强度不因级配变化产生较大衰减，且基层材料的部分0～5 mm机制砂被橡胶颗粒等体积替换，使试验段矿料级配较原路面略微偏粗，级配骨架特征更加显著，基层材料膨胀系数降低，进而提高了基层材料的防拱胀能力。

2.3 性能指标

通过室内重型击实试验确定了橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料的最佳含水率及最大干密度，并基于击实试验结果采用静压法成型直径×高度为150 mm×150 mm的圆柱形试件，养生7 d后测定了其无侧限抗压强度，并与普通水泥稳定砂砾基层材料进行对比，橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层各性能指标见表4。

表4 橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料性能指标

由表4可知，橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料7 d无侧限抗压强度为3.5 MPa，符合规范JTG/T F20-2015 《公路路面基层施工技术细则》(以下简称《细则》)中3～5 MPa要求，可满足高速公路基层承载能力需求。橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料的最佳含水率及最大干密度分别为4.6%、2.409 g/cm3，较未掺加橡胶颗粒的普通水泥稳定砂砾基层材料分别上升0.4%、下降0.011 g/cm3。其原因是经过处理后的橡胶颗粒吸水能力较强，密度比石料小，替换石料后造成基层材料最佳含水率上升、最大干密度下降。

3 施工工艺与质量检测

为保证试验段施工质量，基于橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料特点，对现有水泥稳定砂砾基层施工工艺进行调整，并增加了预拌和交互式碾压工艺，以保障橡胶颗粒均匀分布及其碾压效率。

3.1 预拌

为保障橡胶颗粒在基层材料中分布均匀并解决因橡胶颗粒密度小导致拌和站皮带秤无法感量其重量的问题，将橡胶颗粒与机制砂提前预拌，具体流程为：拆分橡胶颗粒并检查是否受潮，受潮颗粒及时更换避免影响橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层含水率；与0～5 mm机制砂混合：待橡胶颗粒装满装载机后，采用装载机将橡胶颗粒均匀撒布于机制砂上，并杜绝橡胶颗粒撒布在机制砂范围外；装载机拌和：采用装载机将机制砂与橡胶颗粒拌和，拌和过程中应从多个方向进行拌和，并视情况增加拌和次数，以保证橡胶颗粒均匀分布于机制砂中；待预拌完成后，对拌和均匀性进行检查，保证橡胶颗粒均匀分布在混合料中。使用预拌工艺掺入橡胶颗粒前后0～5 mm机制砂见图2。

图2 0～5 mm机制砂掺入橡胶颗粒前后对比

预拌工艺将0～5 mm机制砂与橡胶颗粒按预定比例提前混合，并使用装载机将橡胶颗粒撒布于机制砂上进行多方向、多次拌和。该工艺简单易行，有效合理，通过现场观察发现橡胶颗粒在基层材料中均匀分布，保障了橡胶颗粒应用于基层的工程质量。

3.2 拌和与运输

橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料采用厂拌法进行生产。拌和站型号为WCB800，每小时出料800 t，共设6个储料仓。其中预拌后的橡胶颗粒机制砂混合料采用备用仓储存。

向储料仓加料时应及时、准确，避免空仓，以免所生产混合料配合比错误；各粒径集料经皮带秤按预定配合比称重后，以一定流速汇集于输送皮带上进行预混。生产过程中应指定专人将洒落集料重新加于皮带上，最大程度减小配合比误差；下料时由前往后装入自卸运输车；为防止水分损失和粉尘污染，运输车覆盖篷布直到准备卸料前打开，从装车到运输至现场应不超过2 h。

3.3 摊铺、碾压与养生

《细则》认为采用大厚度摊铺工艺，可减少结构层数量，改善基层与邻近结构层结合状态，提高路面结构整体性，且实践表明，现场配备的RP1855T摊铺机、BOMAG BW260-40 26 t单钢轮压路机、PR300C-8 30 t胶轮压路机能够满足大厚度摊铺工艺要求。因此，试验段采用大厚度摊铺工艺，一次摊铺完成33 cm厚的橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层。

为保障碾压效率，摊铺时应设专人在摊铺机后消除橡胶颗粒堆积部位，并用新料填补；由于橡胶颗粒具有高弹性，将其掺入水泥稳定基层中会影响碾压效果，故采用交互式碾压工艺，在双钢轮压路机静压1遍后，使用单钢轮压路机、重型胶轮压路机交互碾压，分别振动压实4遍、静压3遍，在单钢轮压路机正弦式交变压力与胶轮压路机揉搓交替作用下，达到最佳压实效果，保证压实度符合要求。交互式碾压工艺见表5。碾压结束，检测压实度符合要求，立即覆盖薄膜养生。摊铺、碾压与养生流程见图3。

表5 橡胶颗粒水泥稳定基层碾压工艺

图3 橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层摊铺、碾压与养生流程示意

3.4 施工质量检测

为确保橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料在采用预拌及交互式碾压工艺后，其工程适用性优良，检验试验段工程质量，基于现行规范质量检测指标，针对橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层特点，优选施工质量指标进行检测。

3.4.1施工质量指标确定

现行《细则》规定水泥稳定材料的施工质量检测主要指标包括压实度、强度、颗粒级配组成、水泥剂量等指标，考虑到橡胶颗粒的掺加并不会影响基层的级配组成及水泥剂量，但会降低材料压实度与强度，因此，本文重点对试验段的压实度及强度进行了检测。此外，本文在试验段及原路面内部埋设了应变传感器，以明确橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层使用效果，主要施工质量指标见表6。

3.4.2检测结果分析

1) 压实度与7 d无侧限抗压强度。经现场检测，橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层压实度为98.04%，低于普通水泥稳定砂砾基层，这进一步证明了橡胶颗粒的掺入增加了水泥稳定砂砾基层材料弹性，对压实效果具有一定影响，但也符合规范《细则》中不小于98%的要求，在后续研究及推广应用过程中，应进一步研究碾压遍数对橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层材料压实度的影响规律；经7 d薄膜覆盖养生后，进行钻芯取样，并检测抗压强度，试验段基层芯样的7 d无侧限抗压强度为3.6 MPa，符合规范《细则》中3～5 MPa要求。

此外，为进一步明确试验段与原路面芯样差异，分别在试验段及原路面各钻取1个芯样，原路面与试验段芯样对比见图4。

图4 原路面与试验段芯样对比

由图4可知，试验段基层芯样中，高弹性橡胶颗粒均匀分布且填充在骨料间，可吸收骨料间因高温、结晶产生的膨胀、盐胀应力，进而缓解干旱荒漠区公路基层拱胀变形。而普通水泥稳定砂砾基层芯样较试验段基层芯样更密实，但其刚度过大，易在干旱荒漠区产生拱胀变形开裂。此外，试验段通车后，骨料间橡胶颗粒可有效疏解车辆荷载，对提高高速公路基层耐久性也具有重要意义。

2) 应变监测及机理分析。现场应变监测结果表明，铺筑完成10个月范围内，橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层、普通水泥稳定砂砾基层应变差值分别为157.3×10-6、194.1×10-6，橡胶颗粒的掺加有效降低了水泥稳定砂砾变形，应变值降幅达19%，效果显著。

橡胶颗粒水泥稳定砂砾具有良好的防拱胀抗开裂效果，本文分别从防拱胀、抗开裂两方面分析橡胶颗粒作用机理。认为造成基层拱胀的原因主要为高温热膨胀、盐分结晶膨胀，而橡胶颗粒具有高弹性，可为基层材料及盐分膨胀提供空间，降低基层整体膨胀变形；造成基层开裂的原因主要为温缩、干缩及车辆荷载作用，橡胶颗粒能够吸收温缩应力作用，堵塞基层材料孔隙，降低基层失水速率，缩小干缩变形，同时吸收裂缝尖端应力，降低裂缝扩展速度，提高水泥稳定砂砾抗开裂性能。

4 结语

1) 橡胶颗粒水泥稳定砂砾7 d无侧限抗压强度为3.5 MPa，相较普通水泥稳定砂砾其最佳含水率增长0.4%、最大干密度降低0.011 g/cm3。

2) 针对橡胶颗粒的特点，改进了水泥稳定砂砾基层施工工艺，增加了预拌工艺，并采用了交互式碾压，保障了橡胶颗粒与机制砂的拌和均匀及基层压实度。

3) 橡胶颗粒具有高弹性，其试验段经工后检测压实度为98.04%，低于原路段，无侧限抗压强度为3.6 MPa，但均符合规范《细则》要求。

4) 橡胶颗粒水泥稳定砂砾基层应变差值较普通水泥稳定砂砾基层降低19%，防拱胀抗开裂效果显著。