水泥稳定碎石骨架密实结构的研究与应用

摘要：水泥稳定碎石骨架密实结构以其优良的路用性能，广泛应用于高等级公路建设中。近年来国内外有关专家学者，对其在应用方面的研究不胜枚举。本文通过结合实例，主要研究了采用振动压实法优化水稳混合料各项技术指标，对施工过程中其质量控制要点进行研究，提出了探讨性的方法和控制指标要求，对水稳混合料骨架密实结构提出了新的思想理念。

关健词 骨架密实 振动压实 优化水稳混合料 控制要点

中图分类号：TU2文献标识码： A

引言：近年来，国内很多研究机构不断展开对水稳混合料的研究工作。为了进一步推广骨架密实结构在高等级公路建设中的应用，提高对抗裂嵌挤型骨架密实结构的认识。本文以济南~祁门高速公路一期（砀山段）、二期（永利段）工程共110KM，为依托，主要研究采用振动压实法优化水稳混合料各项技术指标；并在其应用过程中的关健环节做了相关分析论述，综合分析其所应用的优点，对水泥稳定碎石骨架密实结构应用于底基层性能的提高措施进行相关的研究总结。为其在以后的公路建设中推广应用此项技术提供参考。

1．振动压实参数的确定

要想进一步推广振动压实成型在高等级公路工程中的应用，首先就要确定振动压实过程中相关参数的确定，其参数的确定应该选择能够和振动压路机在实际的施工过程中压实效果相适应的振动成型参数。目前国内水泥稳定碎石振动压实仪振动频率、激振力、振幅、振实时间等参数统计如表一所示。

表一：国内水泥稳定碎石振动压实仪参数一览表

静压力（kpa） 振动频率（HZ） 激振力（N） 振幅（mm） 振动时间 备注

1.8 28-30 6800-6900 / 混合料振动压实达到指定高度 公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）

140 30 7612 1.4 2min 天津市政工程研究院

104 35 7639 1.25 标准振实状态或者2min 长安大学

实践证明，骨架密实型水稳混合料在0-120s内，最大干密度会随着振动时间的增加而不断增加，最大干密度会在120-180s期间达到峰值，此后干密度会随时间的增加而逐渐减少。产生这种现象的原因是因为集料在达到最大干密度后会出现破碎而致使膨胀。所以该文结合表一统计结果所示参数，研究骨架密实结构水泥稳定碎石混合料，最终选定振动压实仪的相关参数指标为：静压为140KPa，振动频率为30Hz，振动时间为120s，振幅为1.4 mm。

2．混合料压实方式的研究

2．1振动压实与重型击实最大干密度与最佳含水量比较

采用同一种级配的混合料，根据各种材料掺配比例，水泥剂量为2.2%、2.6%、3.0%、3.4%、3.8%，各配置5种不同含水率的混合料，静置浸润两小时后按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009进行标准重型击实试验及振动压实试验，确定最大干密度与最佳含水量，试验结果汇总如表二所示：

表二：振动压实与重型击实最大干密度与最佳含水率一览表

合同段 水泥剂量

（%） 最佳含水率（%） 最大干密度（g*cm-3） 振动压实与重型击实最大干密度关系

振动压实法 重型击实法 振动压实法 重型击实法

01标 2.2 4.3 4.6 2.356 2.286 1.031

2.6 4.5 4.9 2.376 2.320 1.024

3.0 4.7 5.1 2.390 2.341 1.021

3.4 4.9 5.2 2.407 2.348 1.025

3.8 5.0 5.3 2.416 2.357 1.025

02标 2.2 4.2 4.5 2.360 2.314 1.020

2.6 4.5 4.8 2.383 2.334 1.021

3.0 4.7 5.1 2.396 2.352 1.019

3.4 4.7 5.2 2.408 2.366 1.018

3.8 4.9 5.4 2.420 2.381 1.016

由表二我们可以看出，对于济祁高速公路永利段第一合同段、第二合同段同一种的级配、相同的水泥剂量情况下，振动压实法得出的最佳含水量均小于传统的重型击实法得到结果；采用振动压实法确定的最大干密度均明显大于传统的重型击实法得到结果，且两个合同段确定最大干密度的比值是相近的，基本上在1.01~1.04之间波动，这说明振动压实法与传统的重型击实法有一定的规律性。

通过上述的比较，我们可以知晓，振动压实之所以有这么好的压实效果，是由于其压实机理与静力压实机理完全不同。重型击实属冲击压实法，结合料和骨料的粘结力构成了强度的主体部分；室内通过施加冲击荷载对被压材料进行击实，当压力超过材料的抗剪强度时，容易导致集料破碎而被迫移动；重型击实与现场夯实过程一致，也与现场静力压路机的作用使材料产生剪应力相类似，相应试件成型方式是静力压实方式；混合料中的粗集料相对较少，属于密实悬浮结构。振动压实法，是通过高频率振动作用使材料产生液化达到压密的过程。内摩擦阻力和结合料与骨料的粘结力是强度主体，振动压实使被压材料的摩擦力由初始的静摩擦状态逐渐进入动摩擦状态，而且由于共振的作用，当振动压路机的振动频率和被压材料的固有频率一致时，被压材料的受迫运动最大，材料最容易被压实，从而达到振动压实的目的。振动压实过程中，混合料中的集料能够相对自由运动，出现了颗粒间的相互填充现象，粗骨料相对较多，材料更容易被压实，形成了骨架密实结构。而静力压实是通过压路机自重荷载对材料产生剪应力，使材料产生塑性变形，迫使材料颗粒互相靠近移动到更稳定位置，随着静荷载的增加，颗粒间的摩擦力也在增加。因此，静力压实是有一个极限的压实效果，无限的增加静荷载有时也达不到理想的压实效果，反而会破坏材料的结构。

2.2振动压实成型与静压法成型试件强度的比较

根据确定的最大干密度、最佳含水率分别采用振动压实、静压法成型无侧限抗压强度试件，按要求压实度（98%）制备试件，拌制水泥稳定碎石混合料。在标准条件下养护6天，浸水1天后取出，进行无侧限抗压强度试验。水稳混合料成型方式的不同，无侧限抗压强度特征的比较试验结果汇总如表三所示：

表三：振动压实与重型击实7天强度的比较结果一览表

合同段 水泥剂量

（%） 最大干密度（g*cm-3） 7d强度平均值（MPa） 振动压实与重型击实7d平均强度比值 7d强度代表值（MPa） 振动压实与重型击实7d代表强度比值

振动压实法 重型击实法 振动压实法 重型击实法 振动压实法 重型击实法

01标 2.2 2.356 2.286 4.9 2.3 2.13 4.0 1.9 2.11

2.6 2.376 2.320 6.0 2.9 2.07 4.8 2.4 2.00

3.0 2.390 2.341 6.5 3.5 1.86 5.3 2.7 1.96

3.4 2.407 2.348 6.9 3.7 1.87 5.7 3.0 1.90

3.8 2.416 2.357 7.8 4.0 1.95 6.4 3.3 1.94

02标 2.2 2.360 2.314 4.4 2.1 2.10 3.5 1.6 2.19

2.6 2.383 2.334 6.0 2.9 2.07 5.0 2.2 2.27

3.0 2.396 2.352 6.5 3.2 2.03 5.3 2.6 2.04

3.4 2.408 2.366 7.6 3.8 2.00 6.3 3.1 2.03

3.8 2.420 2.381 7.9 4.2 1.88 6.5 3.4 1.91

从表三我们可以看出，同一种级配，相同的水泥剂量，振动压实成型的方法试件强度要比静压法成型试验方法的强度结果大很多。振动压实法与静压法成型无侧限抗压强度平均值比约为1.8~2.2倍，代表值比为1.9~2.3倍；且振动方式下，级配容易达到骨架密实结构。

水泥稳定碎石在振动荷载作用下，材料处于振动状态，水分的离析作用使材料颗粒的外层包裹一层水膜，减小了颗粒间的摩擦力和粘结力，材料之间更容易达到密实状态，由于颗粒间的相对位置在振动压实时容易发生移动，形成了相互填充现象，这时材料内部骨架颗粒之间相互嵌挤作用，所产生的内摩阻力和结合料与骨料的粘结力都很大，形成了骨架―密实结构，这种结构具有较高的承载能力、稳定性和抗裂性能。而对于重型击实，在材料松散状态时，可以迫使混合料相互靠近，移动到稳定位置，如果要继续压实，这就需要继续增加压力，必须使静力压实引起的应力达到甚至超过材料的剪切破坏应力，才有可能使材料发生进一步的相互错动，而相应的材料间的摩擦阻力也要继续增大，这种压实状态下，很容易迫使粗集料破碎，达到进一步密实稳定状态。这种压实导致的结果是级配退化，粗颗粒减少，形成悬浮―密实结构。这种结构中的结合料和骨料的粘结力构成了强度的主体部分，大部分粗颗粒只能悬浮于细颗粒之间，没有形成骨架。因此，振动压实法成型试件的强度和稳定性都优于静力压实法成型的试件。

3．水泥稳定碎石强度影响因素的探究

3.1水泥稳定碎石混合料中级配的合理优化

水稳混合料骨架密实结构中，应合理优化集料的级配。最大粒径过大或整体级配偏粗，水稳混合料表面就越容易离析。整体级配越细，干燥收缩就越大；级配越接近悬浮结构，干缩性就越大，且干缩破坏主要发生在早期。施工过程中应加强原材料的控制，细集料的含量对干缩和温缩性能影响很大，在减少含泥量的同时，应限制细料、粉料用量；改善集料的级配可以明显增加水泥稳定碎石的强度、耐久性、抗裂性和抗冲刷性能。因此，级配的优化选择是保证骨架密实结构水泥稳定碎石混合料底基层强度的基础，以确保经济性、技术性满足的前提下获得最佳的保证。

结合济祁高速公路一期、二期工程，要求组成混合料的级配符合表四所示的范围。按五种规格备料，取工地实际使用的碎石，分别进行水洗筛分，按颗粒组成确定各种碎石的组成比例。在混合料合成级配中4.75mm、2.36mm、0.075mm的通过量应接近级配范围的下限；在确定水泥稳定碎石混合料的相关级配组成中， 4.75 mm通过率将会起着非常重要的作用，通过率为30%左右时达到最佳；而一些悬浮密实结构会在4.75 mm通过率为35%时达到最佳；在优化合成级配中2.36mm通过率为20%-22%；0.6mm以下的含量越少越好；水稳混合料中0.075mm以下粉料的含量越多，混合料的抗温缩能力越差，因此0.075mm通过率应严格限制，不大于15%，否则会影响抗裂效果；而对于19.0mm通过率为80%-83.5%较适宜；实践表明，优化水稳混合料的级配可以明显增加水泥稳定碎石的强度和耐久性，减少水泥用量，提高抗裂性和抗冲刷性能，节约成本。细集料含量越多，水泥稳定碎石干密度及强度越大，但是抗冲刷性和抗裂性能越差。

表四：骨架密实型水泥稳定碎石底基层颗粒组成范围一览表

结构层 通过下列方孔筛（mm）质量百分率（%）

筛孔尺寸 31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075

设计范围 100 90~100 72~89 42~62 25~45 17~35 8~22 0~7

经确定混合料的级配在施工过程中不得随意更改。生产过程中应加强跟踪检测，严格控制进场材料，如遇材料发生变化并经检测混合料的级配及性能指标不符合要求时，应及时调整，使其质量符合要求并保持相对稳定。

3.2水泥剂量对水泥稳定碎石强度的影响

水泥剂量是直接影响底基层强度的重要指标，从本文表三及表四我们研究证明，混合料的最大干密度及最佳含水率会随着水泥剂量的增加而增大；实际上，随着水泥剂量的增加，劈裂强度以及无侧限抗压强度都会随着增加。但是水泥剂量越大，干缩应力也就越大，水稳底基层开裂的几率就会越高。在施工过程中应严格控制水泥用量，水泥用量除用滴定法检测水泥剂量外，还必须进行总量控制。在满足底基层各项物理力学指标的前提下，尽量减少水泥用量。工程实践证明，骨架密实结构用振动压实法优化的级配及配合比可以增加水泥稳定碎石强度，减少水泥用量，节约经济成本。

济祁高速公路工程设计图纸及招标文件规定水泥稳定碎石底基层设计强度为2.0~2.5Mpa。配合比过程中级配经过优化，取水泥剂量较小的最佳配合比作为水泥稳定碎石的生产配合比，根据静压法与振动压实法两种成型方法强度所得试验结果，综合考虑施工过程中各种因素，水稳混合料的设计水泥剂量取2.6%，满足了规范及设计要求。该水泥稳定碎石配合比水泥用量较低，强度性能良好。

3.3．水泥稳定碎石延迟时间对其强度的影响

所谓延迟时间是水泥稳定碎石混合料从加水到路面碾压终了的时间，对强度及所得干密度有明显影响，延迟时间愈长，混合料的干密度和强度损失愈大；实践证明，水泥稳定碎石混合料强度基本上延迟时间为3~4h后有较明显的损失；故用终凝时间短的水泥，延迟时间对混合料的损失影响更大。考虑温度及运距等影响因素，水稳混合料延迟时间宜控制在4h以内，宜采用水泥初凝时间应不小于3h、终凝时间不小于6h的缓凝型水泥，以确保工程质量。水泥稳定碎石底基层在施工过程中，应充分考虑并预防可能发生的一切不利因素，尽量缩短水稳混合料从加水到拌和、运输、摊铺、碾压终了的时间。

4.施工现场控制

4.1混合料的拌合及运输

每天拌和前，先检查各种集料的含水量，计算当天的施工配合比，根据气候条件不同，含水量应略高于最佳含水量，但不超过最佳含水量的1.0%。开始搅拌后，抽取混合料检查配合比是否符合设计要求。正式生产后，随时在线检查配合比及含水量是否发生变化。如有改变，做出相应的调整。运输车辆应采用性能良好的大吨位自卸车，数量应满足施工需要，且略有富余，不得加高厢板，装料前应将车厢清洗干净。运输车辆中的混合料应用篷布覆盖，以免水分损失。确保混合料在初凝时间内运到工地摊铺压实，否则必须予以废弃。运输车辆必须均匀装载混合料，从拌和机向运料车上放料时，车辆应前后移动，每卸一斗挪动一下汽车位置，分三次装料，以减少粗细集料离析，其高度不允许超出原车厢板50cm。及时将混合料运至现场，一次性将混合料缓慢卸倒摊铺机中，尽量减少停顿。

4.2混合料的摊铺及碾压

摊铺机摊铺时应均匀、连续。摊铺前应检查摊铺机的各部分运转情况，摊铺机的螺旋布料器应有三分之二埋入混合料中，严格控制底基层标高和厚度，保证路拱横坡度。在摊铺机的后面应设专人消除粗细集料的离析现象，铲除局部的粗集料“窝”并用新拌混合料填补。为保证底基层边缘的压实度，应有适当的超宽摊铺。应严格遵循碾压程序与工艺，做到稳压充分，振动不起浪、不推移。压实时，按照稳压轻振动碾压重振动碾压胶轮稳压的顺序进行，直至压到无轮迹为止。终压结束后用灌砂法立即检测压实度，对于小于规定值的测点应立即进行处理，再重复碾压，直到全部测点符合要求为止。

4.3养生方法及交通管制

每碾压完成一段后应立即采用无纺土工布保湿养生，不得延误，覆盖2小时后用洒水车洒水或用塑料薄膜覆盖养生。不得用湿粘土，塑料编制物覆盖。养生结束后，必须将覆盖物清除干净。用洒水车进行养生时，其喷头应做成喷雾式，禁止用高压式喷管，以免破坏水稳层结构。养生期间应定期洒水，每天洒水次数视气候而定，不应过湿或忽干忽湿。水稳底基层在7天内应保持湿润状态，在28天内应正常养护。在养生期间应封闭交通。

5. 结论

本文通过结合实例，对骨架密实结构水泥稳定碎石底基层做了相关分析论述。最终确定了振动压实仪相关参数；研究证明了振动压实法优化水稳混合料级配，应用于水泥稳定碎石骨架密实结构底基层，是合理的。施工过程中，水泥稳定碎石底基层各工序间应紧密衔接配合，使混合料从加水到路面碾压终了的时间在初凝之前完成。该项目从成品的底基层来看，水泥稳定碎石水泥用量较低，强度性能良好，大大降低了裂缝产生，提高了质量，取得了良好的效果。

通过上文的论述，随着我们对骨架密实结构抗裂嵌挤型水泥稳定碎石理论研究的不断深入和高等级公路的成功实践经验及压实设备的不断更新，此项技术应用到底基层，会更加成熟完善，使未来的高等级公路建设质量更上一层楼。

参考文献：

[1].JTG D50-2006公路沥青路面设计规范

[2] 黄志福 骨架密实型抗裂水稳设计及研究. 公路交通科技.2010

[3] JTG E51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程.

[4] JTJ 034-2000公路路面基层施工技术规范.