水泥稳定碎石施工研究

摘 要：随着我国高速公路建设事业的不断发展，路面结构层也在不断改进，半刚性材料被广泛用于修建高等级公路路面的基层或底基层。随着时间的推移，新建或改建的高等级公路的沥青面层出现了不同程度的早期损坏现象，如何改善路面使用性能及延长路面的使用寿命，从水泥稳定碎石的形成机理、技术及施工等方面进行分析以期有所改善。

关键词：水泥稳定碎石 防治措施

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0085-02

1 特点

水泥稳定碎石基层具有显著的优点：早期强度高，短时间内（5～7d）可获提2.0 MPa以上的强度；稳定性好，结构层本身具有一定的通透性，不会因为水的影响发生大的变化。可根据施工要求，通过改变其组成设计，而调整所需要的强度，而其它结构层的强度则受材料本身制约较大。机械化施工，质量好，进度快，小段落的零星工程，可以采用简易机械或人工拌和摊铺，灵活而经济。整体性强、刚性大，而且较为经济，这决定了越来越多的高等级公路采用水泥稳定碎石作为基层。但其本身也存在着一定的不足：在强度生产后也就会出现干裂的现象，从而引起上面层的开裂，导致雨后积水，引起路堤早期破坏，减少了使用寿命；施工时易离析；强度形成后在车轮等外力作用下，表面易被剥落、磨耗；延迟时间短，即从拌和到碾压成型要在较短的时间内完成，对设备临时故障要有预防措施，以免造成材料浪费。

2 强度形成的机理

用水泥稳定碎石作为基层时，发生的各种作用过程是非常复杂和多种多样的，包括：化学过程，如水泥颗粒的水化作用和水解作用，有机物的聚合作用，以及与产生许多化学成分复杂的新生物有关的其他化学过程。物理―化学过程，如碎石混合料部分的结合料与化学剂中个别组分的交换吸附作用，颗粒的凝聚作用和微聚结作用，以及随后多种结构的形成。物理过程，碎石的镶嵌，混合料的拌和、压实，以及水泥稳定等。

水泥加水拌和后，开始时具有一定流动性和塑性的浆体，接着很快变稠失去可塑性，但尚不具有机械强度，这个过程称为水泥的凝结。随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬的石状物――水泥石，这一过程称为水泥的硬化。硅酸盐水泥和普通水泥在加水后，起初3～7 d强度发展很快，大约四周以后便逐渐减慢。影响水泥凝结和硬化的因素很多，除矿物成分外，还有水泥的细度、拌和时用水量、养护温度和外加剂等。水泥粉磨得越细，即颗粒表面越大，与水的接触面积也就越大，水化作用即快又充分，因而凝结硬化的速度也快，早期强度也高。拌和时用水量较少，水泥浆就较稠，凝聚―结晶网状结构易于形成。水泥在高温的凝结与硬化速度显著加快，低温时显著减慢。在水泥内掺入各种促凝剂、缓凝剂或混合材料，对水泥的凝结速度也会产生改变。水泥在储存与运输时，应防止受潮。否则，表面受潮、水泥水化并结块，丧失胶结能力，强度大大降低。即使在良好的储存条件下，水泥也不可储存太久，储存过程中，水泥吸收空气中的水分及二氧化碳，进行缓慢的水化和炭化，也要影响水泥的强度。所以储存过久的水泥应重新检验其实际强度。

水泥加入碎石混合料中并加水拌和后，水泥中的各个成分与混合料发生水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钠，并形成其他水化物，水泥与水反应所发生的各种水化物可继续硬化并在混合料中形成水泥石骨架。当水泥中加入水后，主要的水化产物是碱性的硅酸钙、铝酸钙和消石灰。硫酸钙在水泥中虽然只占4%，但它与铝酸三钙一起与水反应生成水泥杆菌。水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间里析出，反应结果把土中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。将水泥加在粒料土中时，胶结很像混凝土中的现象。胶结作用主要靠硅酸钙和铝酸钙与矿质颗粒表面的结合。水泥在稳定碎石混合料中的作用，从工程观点看主要是水泥加入混合料中后，将大大增加混合料的强度和稳定性，而且水泥剂量愈大，稳定碎石的强度愈高，稳定性愈好。

3 影响强度的因素

对于水泥稳定碎石通常使用的硅酸盐水泥，由于从拌和到压实，通常所需时间最少不低于2 h，所以快硬水泥或早强水泥都不适合。水泥的终凝时间越长，从拌和到压实的延迟时间对水泥碎石混合料的干密度及抗压强度的影响越小。在用于稳定碎石的通常水泥剂量范围内，水泥稳定碎石的强度随水泥剂量而增加。大多数级配好的材料经水泥稳定后，其强度与剂量之间大致是一直线关系，而且此直线通过原点。这种直线关系不受龄期的影响，从一天到一年都存在这种直线关系。

有机质对水泥稳定是有害的。用水泥稳定不含有机质的碎石混合料其强度增长比含少量有机质的提早一个星期左右，比含大量有机质的强度高出21倍，因此我们在做碎石原材料试验时一般应做有机质含量试验。硫酸盐能与结硬水泥中的铝酸三钙结合而产生硫酸铝酸钙。这一新生物能膨胀，使原来的体积增大，从而破坏水泥稳定土的胶结。因此，硫酸盐含量达到一定的程度，就使得这种材料不在适宜用水泥稳定。另外，水泥稳定试件在含水量不变的条件下养生时，硫酸钙对抗压强度影响不大。但当试件浸水后，其强度的损失就很大。虽然使用抗压硫酸根水泥代替普通硅酸盐水泥也没减少硫酸根的破坏作用。

混合料中含有碳酸钙有利于用水泥稳定。这是因为多数植物在石灰质的岩体中不能生长，这种石料中有机质含量很少，并且这些有机质都被钙离所饱和。通过施工中得出的结果，用同一剂量的水泥稳定级配良好的集料，其强度和耐久性比稳定级配不好的集料的强度和耐久性要高得多。如，对于天然砂砾，要用6%～8%的水泥稳定，方可达到规定的要求；而添加部分细料使其达到最佳级配后，只要用3%～4%的水泥稳定，便可达到所需的强度要求。水泥稳定最佳级配砂砾的强度比稳定天然砂砾高出0.5～1.0倍。为了满足冻融试验的要求，最佳级配砂砾只要用2%水泥，而天然砂砾要用5%～6%水泥。碎石集料中0.075 mm以下颗粒的含量对水泥混合料的弯拉强度Rb、抗压强度Rc和弹性模量E有很明显的影响。

水泥稳定碎石的干密度对强度的影响很大。对水泥稳定碎石的试验资料进行统计分析后，曾得出水泥稳定碎石的干密度平均增加8.8%时，其承载比平均增加1.38倍，如最大干密度时水泥稳定碎石承载比为100，则压实度为98%时，其承载比平均为83（均方差3），压实度为95%时，其承载比平均为62（均方差8）。应该指出，干密度对水泥稳定碎石强度的影响不如其对普通级配集料强度的影响大，格里默研究了水泥稳定碎石的干密度对其抗压强度的影响。

水泥稳定碎石混合料要有足够的水分，以满足水泥水化的需要和压实的需要。水泥稳定碎石的干密度―含水量关系与天然土的相同。对于一定的压实功能，存在一个能达到最大干密度的最佳含水量。对于水泥稳定碎石，用重型击实试验法确定的最佳含水量可以足够供应水泥水化的需要。在实际工作中，对于水泥稳定碎石，碾压时混合料的含水量宜较最佳含水量大0.5% ～1.0%。

水泥稳定碎石在高等级公路上一般不采用现场路拌法进行施工而采用厂拌机铺的方法进行施工，因此在进行施工时主要控制拌和时的水泥剂量、含水量及从加水拌和到摊铺、压实的延迟时间。主要说从加水拌和到摊铺、压实的延迟时间对水泥稳定碎石的影响，水泥一旦与水接触，就会开始水化。因此，水泥碎石混合料中在拌和站里拌好就应立即运至摊铺现场摊铺、碾压，就要在最短的时间内完成，碾压时，为了破坏已经形成的水泥的这种胶结作用，就要花费额外的压实功能，从而影响水泥稳定碎石的压实度。以上这些因素都会导致水泥稳定碎石强度的损失。强度损失的程度与水泥水化的速度有关，而水泥的水化速度则与水泥类型、温度以及碎石的化学成分有关。不同情况下的水泥稳定碎石的强度损失可能变化很大。在一定的压实功能下，从拌合站拌合好出厂到制件的延迟时间对水泥稳定碎石的干密度及抗压强度的影响。从加水拌和到压实的延迟时间为2 h时，水泥稳定碎石可使强度降低10%～25%。如果用控制干密度的方法制件，以消除延迟时间对于干密度的影响，则延迟时间对混合料强度的影响也将大大减小，但不能消除。

4 病害及防治

最为常见的病害有弹簧、裂缝、唧泥、不均匀沉降等。混合料中细料的含量和塑性指数对水泥混合料的干缩应变的影响是正比关系，即其含量愈多、塑性愈大，干缩应变也愈大。制件含水量对水泥稳定碎石混合料的干缩应变有明显影响，但其影响程度又随细料含量而变，含量愈大，制件含水量对混合料的干缩应变的影响也愈大。在研究水泥碎石的干缩性时，西安公路研究所采用了不同剂量的水泥，以了解水泥剂量对混合料干缩性的影响。从表中值可以看出水泥剂量从5%增到5%和7%，干缩系数分别增加20×10-6和30×10-6，其影响程度明显小于含水量增加1%。根据经验、试验表明，用5%水泥稳定后，其平均干缩系数育龄期无明显关系。水泥稳定碎石试件经7d保温保湿养生后，暴露在室内自然温度和自然湿度下进行风干，试件的干缩应变Sd和平均干缩ād都随暴露时间t增加而增加。水泥稳定碎石的平均干缩系数ād与失水量，在2.2%～2.3%以下时，混合料的干缩系数相当小，就水泥碎石基层常用的水泥剂量5%～7%而言，其干缩系数只有7×10-6，而这个失水量已约等于45%制件含水量或66%风干时的最大失水量。现场生产实践证明：水泥稳定碎石基层养生结束后，短时间暴露不致产生干缩裂缝，但较长时间暴露就会产生间距5～10 m的横向干缩裂缝。细料越多，塑性指数愈大，干缩系数越大，因此，应控制细集料的含量；水泥剂量越大，干缩应力也越大，裂缝也越多。据统计，水泥增加1倍，路面的横缝增加24倍，很多国家在规定水泥稳定碎石混合料的强度指标的同时，还规定水泥的最大剂量，通常为5%～6%，以减少水泥稳定碎石基层的干缩裂缝。施工碾压时，混合料的含水量越大，干缩应力也越大，导致裂缝增多，缝增宽大。

组成水泥稳定碎石材料的三个相，即不同矿物颗粒组成的固相、液相（水）和气相在降温过程中相互作用的结果，当半刚性材料产生体积收缩，即温度收缩。就组成固相的矿物质而言，原材料中石屑以上颗粒的温度收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是塑性指数大的温度收缩较大。水泥稳定碎石材料中胶结物各矿物有较大的温度收缩性。存在于水泥稳定碎石内部的较大空隙、毛细孔和凝胶孔中的水通过“扩张作用”、“表面张力作用”和“冰冻作用”三个作用过程，对水泥稳定碎石的温度收缩性质产生极大的影响，使其在干燥和饱水状态下有较大的温度收缩值，而在一般含水量下有较大的温度收缩性，影响水泥稳定碎石温度收缩性质的主要因素是含水量、集料和集料成分、环境温度和龄期等。实际路面结构中，水泥稳定碎石作为基层一般是在接近最佳含水量或接近半风干状态下遭受温度作用，而且是在含水量可自由变化的情况下进行收缩。

外力破坏应变产生的疲劳裂纹也就是荷载型结构破坏裂缝，从设计上保证水泥稳定碎石路面不发生荷载型结构性破坏裂缝，是减少水泥稳定碎石裂缝的首要措施。为了避免半刚性路面发生结构性破坏，在路面设计时需进行如下方面的考虑。水泥稳定碎石路面的结构性破坏裂缝是由行车荷载引起的。行车荷载在水泥稳定碎石基层底面产生拉应力。影响水泥稳定碎石基层拉应力大小的主要内应有：面层的厚度、基层本身的厚度、基层的弹性模量和下承层的弹性模量。据有关试验资料表明，在其他条件相同的情况下，水泥稳定碎石基层厚度从10 cm增加到15 cm，拉应力减少到一半。而在其他条件相同的情况下，面层厚度增加到5 cm，基层底部的拉应力的减少比例要小得多。此外，当水泥稳定碎石的弹性模量增加时，在薄基层中的应力增加很快。水泥稳定碎石基层的下承层指半刚性基层以下的各种材料层，如底基层、垫层或土基改善层和土层。试验资料比表明，水泥稳定碎石基层的弹性模量大（10000 MPa），增加下承层的弹性模量1倍可以使基层底面的拉应力减小一半多。只有采用厚层半刚性材料底基层，才容易使下承层的模量增加四倍。采用厚层半刚性底基层增加下承层后，半刚性基层本身的厚度可以减薄。石家庄―新乐段高速公路的路面结构是一个很好的实例。

水泥稳定碎石基层的病害影响因素很多，与施工人员素质、路基施工质量、桥头桥梁伸缩缝的处理、水泥稳定碎石层、沥青面层都有直接的关系。路基是路面和路面基层的基础，路基不均匀沉降，必然引起水泥稳定碎石基层的沉降、断裂，从而造成路面面层的断裂，因此，在处理路基时应彻底、坚决，严格施工、检测工序，特殊路段特别处理，重点部位，像半填半挖路段、软土地基路段、涵洞回填处、桥梁两端等等。路基处理完毕，要保证路基的弯沉值，压实度等检测项目合格。对不合格路段，应坚决采取措施，不留隐患。

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