施工参数变异对永久路面半刚性基层无侧限抗压强度的影响

秦 旻 ，王国清 ，王志斌 ，许忠印 ，何兆益 ，窦丽红

1.重庆交通大学 经济与管理学院，重庆 400074；2.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700；3.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

永久路面是指设计使用年限达40～50 a 的沥青路面。此类路面通过采用合理的结构组合和沥青层厚度，改善了传统路面沥青层疲劳开裂问题，避免了结构性车辙的形成，将路面损坏限制在面层顶部，使路面在设计使用年限内无需进行结构性维修［1-3］。半刚性基层沥青路面是我国长期主导的路面结构形式，其特点为承载能力大、成本低，但容易开裂和发生水损坏，维修时需要进行结构性修复［4］。因此，如何将永久路面的设计理念引入半刚性基层沥青路面结构中，延长沥青路面服役年限已成为我国道路界提质增效的重要问题［5-7］。京德高速公路是《河北雄安新区规划纲要》中“四纵三横”区域高速公路网的重要组成部分，设计目标为“平安、耐久、品质”［8］，其半刚性基层永久路面结构形式为：4 cm 橡胶沥青混凝土（ARHM-13）+8 cm 橡胶沥青混凝土（ARHM-20）+12 cm 橡胶沥青混凝土（ARHM-25）+3 层18 cm 水泥稳定碎石基层。其中，水泥稳定碎石基层的质量控制是决定京德高速路永久路面长寿命目标能否实现的关键环节之一。

道路修筑过程中，由于水泥剂量、集料级配、含水率、压实度等施工参数存在不同程度的变异，完工后往往会出现道路与设计要求不完全吻合的情况，将直接影响道路的使用性能，致使道路投入运营后出现车辙、拥包、裂缝等系列早期病害，从而降低道路的服役寿命［9］。相关研究也表明，施工参数控制不力是造成道路早期病害出现的最为主要的因素之一［10］。彭真［11］研究了水泥稳定碎石底基层的施工变异性，提出了减小施工变异性的措施和质量控制方法。刘洪勋［12］结合实际施工案例，通过研究水泥稳定碎石基层的施工变异性，提出了减少实际施工变异性的措施。王昊［13］研究了基层与底基层模量变异水平对道路可靠度的影响规律，以优化路面结构设计方法，提高路面施工质量控制。李晓霞［14］通过对京津地区高速公路的实地调查、试验及检测，对影响沥青路面施工质量的主要技术参数进行变异性分析。已有研究主要集中在对路面材料参数、结构参数和施工工艺参数的变异性水平和分布规律的分析，并未建立各影响因素与公路结构性能的定量关系。

无侧限抗压强度是表征无机结合料稳定材料承载能力的重要指标，也是无机结合料稳定材料配合比设计与半刚性基层结构验收的关键性指标［15］。本研究通过正交试验研究水泥剂量、集料级配、含水率、压实度等施工参数对水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度的影响大小，探讨施工关键参数对无侧限抗压强度的影响规律，并以河北京德高速公路永久路面为依托，基于施工现场数据建立施工参数变异水平与无侧限抗压强度的响应面模型，为半刚性基层永久路面的质量控制提供参考。

1 原材料与级配

水泥选用石家庄市曲寨水泥有限公司生产的32.5级缓凝硅酸盐水泥；粗细集料选用河北保定涞水石料厂粒径为0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～25 mm 的石料。材料满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）［16］要求。

与悬浮密实型级配相比，骨架密实型级配混合料可形成骨架嵌挤结构，抗压强度高，抗裂性能好，因此得到越来越多地应用。本文依托工程基层结构设计了骨架嵌挤型矿料级配类型，采用4档粒径集料合成级配。

2 无侧限抗压强度敏感影响因素分析

无侧限抗压强度是衡量水泥稳定碎石基层力学性能和施工过程质量控制的重要性能指标。公路设计与施工中，无侧限抗压强度试验是水泥稳定材料（CSM）的强制性试验。影响无侧限抗压强度的主要因素包括水泥剂量、集料级配、压实度、含水率等。本研究采用正交试验研究无侧限抗压强度与各影响因素的相关关系，选取水泥剂量、压实度、含水率、19.0 mm 筛孔通过率、9.5 mm 筛孔通过率、4.75 mm 筛孔通过率等6 个试验因素；根据工程施工现场各参数的数值波动范围，每个因素取3个水平，正交试验因素与水平表如表1所示。

表1 正交试验因素与水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test %

基于设计级配，室内制作水泥稳定碎石基层φ150 mm×150 mm 的圆柱体试件。按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）进行试验［17］，将试件置于压力机上，轴向加压（由上至下），均匀连续加载，加载速率控制在1 mm/min，加载至试件破坏。7 d、14 d、28 d、60 d、90 d龄期的水泥稳定碎石基层的无侧限抗压强度正交试验测试结果如表2所示。

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal test results

采用极差分析方法对表2 数据进行处理，分析水泥稳定碎石基层材料无侧限抗压强度的敏感性影响因素及排序，结果如图1 所示。图1 中，R值越大，说明该试验因素对无侧限抗压强度影响越强。由图1可知，各龄期下，水泥剂量对水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度的影响程度皆为最大，压实度和4.75 mm 筛孔通过率影响程度也较大；19.0 mm 筛孔通过率和9.5 mm 筛孔通过率对无侧限抗压强度的影响较小。28 d 龄期下，水泥剂量对无侧限抗压强度影响程度最强，28～90 d龄期阶段的影响也较为明显，这是由于随着龄期增长，随着水化胶凝演变，水泥在材料强度上的作用有所增强。

图1 不同龄期下各因素对基层无侧限抗压强度影响的极差分析Fig. 1 Range analysis of the influence of various factors on unconfined compressive strength at different ages

各因素在不同水平下对水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度的影响如图2 所示。由图2 可知，随着水泥剂量的增大，各龄期下无侧限抗压强度均不断增大，且当水泥剂量从5%增大到6%，相较于4%增大至5%对无侧限抗压强度影响更显著；随着压实度、4.75 mm 筛孔的通过率的增大，无侧限抗压强度缓慢增大；随着含水率的增大，无侧限抗压强度缓慢减小；其余两种因素对无侧限抗压强度的影响不明显。

图2 各因素在不同水平下对基层无侧限抗压强度的影响分析Fig. 2 Analysis of the influence of various factors on unconfined compressive strength of grass-roots at different levels

3 敏感施工参数对无侧限抗压强度的影响规律

基于正交试验结果可知，水泥剂量和压实度是影响水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度的主要因素，因此后续将选择水泥剂量和压实度作为主要控制因素，研究施工参数及其变异性对无侧限抗压强度的影响规律。

3.1 水泥剂量对无侧限抗压强度的影响

以京德高速公路永久路面半刚性基层施工现场调研统计的混合料级配、含水率、压实度均值为基准进行室内试验，控制水泥剂量单因素的变异，得到不同龄期下水泥剂量对基层无侧限抗压强度的影响规律如图3所示。

图3 不同龄期下水泥剂量对基层无侧限抗压强度的影响Fig. 3 Influence of cement dosage on unconfined compressive strength of grass-roots at different ages

由图3可知，不同龄期下，基层材料的无侧限抗压强度均随水泥剂量的增加而增大。当水泥剂量为3.5%～6.0%时，7 d 龄期的无侧限抗压强度波动范围为4.3 MPa～6.1 MPa，14 d 龄期的波动范围为5.1 MPa～7.0 MPa，28 d 龄期的波动范围为6.2 MPa～8.0 MPa，60 d 龄期的波动范围为6.6 MPa～8.1 MPa，90 d 龄期的波动范围为6.9 MPa～8.3 MPa。即随着龄期的增长，水泥剂量的变化对无侧限抗压强度的影响程度呈先增大后减小的趋势，28 d龄期是增长速率的拐点。

在7 d 龄期下，随着水泥剂量的增大，无侧限抗压强度的增长速率越来越小；14 d龄期下，水泥剂量在4.0%～4.5%变化时，无侧限抗压强度增长速率最快，而在6.0%～6.5%波动下增长速率最慢；28 d 龄期下，水泥剂量在4.0%～4.5%波动时对无侧限抗压强度的影响程度最大，而在4.5%～5.0%波动对其影响最小；60 d 龄期下，无侧限抗压强度的增大随着水泥剂量的增长速率几乎相近，水泥剂量平均每增长0.5%，60 d 无侧限抗压强度增长0.3 MPa；在90 d 龄期下，水泥剂量在4.5%～5.0%范围内变化时，无侧限抗压强度的增长速率最快。因此，建议基层材料水泥剂量最好控制在4.5%～5.5%范围内，以利于实现费用-效益最优化目标。

3.2 压实度对无侧限抗压强度的影响

以京德高速公路永久路面半刚性基层施工现场调研统计的混合料级配、含水率、压实度均值为基准进行室内试验，控制压实度单因素的变异，得到不同龄期下压实度对基层无侧限抗压强度的影响规律如图4所示。

图4 不同龄期下压实度对基层无侧限抗压强度的影响Fig. 4 Influence of compactness on unconfined compressive strength of grass-roots at different ages

由图4 可知，基层材料的无侧限抗压强度均随压实度的增加而增大。当压实度波动范围在96.0%～100.0%时，7 d 龄期下无侧限抗压强度的波动范围为5.7 MPa～6.2 MPa，14 d 龄期下的波动范围为6.7 MPa～7.1 MPa，28 d 龄期下的波动范围为7.1 MPa～7.9 MPa，60 d 龄期下的波动范围为7.4 MPa～8.1 MPa，90 d 龄期下的波动范围为7.7 MPa～8.4 MPa。即在各个龄期下，随着压实度的增长，无侧限抗压强度增大的速率相近。

4 施工参数变异性与无侧限抗压强度响应面模型

由前述分析可得，水泥剂量和压实度及其变异性对7 d 龄期基层无侧限抗压强度的影响程度较高，因此，控制基层材料的含水率、集料级配等因素不变，选取基层水泥剂量的均值A、水泥剂量的变异系数B、压实度的均值C和压实度的变异系数D等4 个指标来分析各施工参数的变异性对7 d 龄期基层无侧限抗压强度Y/MPa 的影响。根据京德高速公路永久路面半刚性基层施工现场的水泥剂量和压实度统计数据的波动范围，选用水泥剂量水平范围为3.5%～5.5%，压实度水平范围为95%～99%，中心因素为各参数的均值。设计的4 因素的Box-Behnken Design 中心组合试验方案如表3所示。

表3 参数试验水平Table 3 Parameter test level %

采用响应面法分析水泥剂量和压实度的均值及变异性对基层混合料7 d 无侧限抗压强度的影响规律如图5所示。

图5 施工参数变异对7 d龄期基层无侧限抗压强度影响的响应面模型Fig. 5 Response surface model of the influence of construction parameter variation on 7 d unconfined compressive strength

由图5可知，在设定范围内，水泥剂量和压实度对7 d 龄期基层无侧限抗压强度影响显著，影响顺序为水泥剂量均值＞压实度均值＞水泥剂量变异系数＞压实度变异系数。即基层水泥剂量的变异系数比压实度的变异系数对7 d 龄期基层无侧限抗压强度的影响更加显著，因此施工过程中为保证施工质量需严格控制水泥剂量。

基于试验结果，建立7 d 龄期基层无侧限抗压强度与施工参数及其变异性的回归模型如下：

对回归模型进行方差分析，结果如表4所示。由表4 可知，该模型的F值为203.82，P值小于0.000 1，说明模型非常显著，可用于施工关键参数对7 d 龄期基层无侧限抗压强度的预测。同时该模型的变异系数CV为1.12%，说明该模型只有1.12%的响应值的总变异无法表示，进一步说明该模型具有较好的精度。

5 结论

（1）根据正交试验结果及其极差分析，水泥剂量对各龄期基层无侧限抗压强度的影响程度皆为最大，压实度和4.75 mm 筛孔通过率影响程度也较大；含水率、19.0 mm 和9.5 mm 筛孔通过率对无侧限抗压强度的影响较小。建议施工过程中以水泥剂量、压实度和4.75 mm 筛孔通过率作为主要控制因素。

（2）不同龄期下，基层材料的无侧限抗压强度均随水泥剂量的增加而增大。随着龄期的增长，水泥剂量的变化对无侧限抗压强度的影响程度呈先增大后减小的趋势，28 d 龄期是增长速率的拐点。水泥剂量在4.5%～5.0%范围内变化时，无侧限抗压强度的增长速率最快，因此建议基层材料水泥剂量控制在4.5%～5.5%范围内，以利于实现工程质量费用-效益最优化目标。

（3）基层材料的无侧限抗压强度均随压实度的增加而增大。当压实度波动范围在97.0%～100.0%时，无侧限抗压强度7 d 龄期下波动范围在5.7 MPa～6.2 MPa 之间，在14 d 龄期下变异范围在6.7 MPa～7.1 MPa 之间，在28 d 龄期下波动范围在7.1 MPa～7.9 MPa 之间，在60 d 龄期下在7.4 MPa～8.1 MPa 之间，90 d 龄期下在7.7 MPa～8.4 MPa 之间。即在各个龄期下，无侧限抗压强度的增大随着压实度的增长速率几乎相近。

（4）基于京德高速公路永久路面半刚性基层施工现场统计数据的波动范围，研究了施工参数变异对无侧限抗压强度的影响，影响顺序为水泥剂量均值＞压实度均值＞水泥剂量变异系数＞压实度变异系数。建立了7 d 龄期基层无侧限抗压强度与施工参数及其变异性的响应面模型，模型的F值为203.82，P值小于0.000 1，说明该模型显著，精度较高，可用于实际工程无侧限抗压强度的预测。实现了在试验条件有限的情况下，基于已得工况下的数据及时调整施工参数，指导现场施工，保障工程质量。