摘要：加强高速公路水泥稳定碎石基层裂缝的控制对公路工程的耐久性和使用寿命的影响至关重要。但由于在高速公路基层修筑过程中大多数项目采用普通的室内拌和设备以及连续式现场搅拌设备，对水泥剂量不能精准控制，导致水泥用量波动较大，影响钻芯成型效果,并形成一定间距的横向裂缝。裂缝的扩展不仅增加治理的成本，还会对沥青路面结构层产生破坏，从而影响路面结构层的使用寿命和行车的舒适性。如何通过室内振动拌和进行基层配合比优化、采用现场振动拌和设备，在保证基层弯拉强度等指标的情况下减小水泥用量、增加混和料拌和的均匀性，进而减少或避免基层裂缝的出现是本文主要探讨的问题。
关键词：振动拌和、基层、水泥、裂缝
1.水稳基层裂缝控制的现状
造成水稳基层开裂的原因很多，比如干缩性裂缝、荷载性裂缝和温缩性裂缝等。对基层裂缝的预防和控制可以通过以下手段进行：控制级配和压实度、控制小于0.075以下的颗粒含量、控制水泥用量和碾压时的最佳含水量、选择有利的季节或时间进行水稳基层的施工等。其中，严格控制混合料的级配和在施工过程中严格控制水泥用量是主要的预防和控制措施。
2015年8月1日实施的《公路路面基层施工技术细则》对基层的弯拉强度、级配曲线范围、压实度指标、搅拌设备和时间等都提出了更加严格的要求。现在工程中大多数拌和设备的拌缸长度不大于5m，混合料在拌缸中的拌和时间不超过10s，甚至有些仅有5～6s左右，难以保证混合料拌和的均匀性[1]。2017年以前施工基层的项目普遍采用四档料进行基层目标配合比的设计，未对9.5～19的集料进行分档；7天无侧限抗压强度要求不小于4MPa；压实度也比目前实施的基层规范要求略低。
多数工程基层裂缝（图1）的出现比较频繁，约8～12m出现一道。本项目通过采用振动拌和设备，基层裂缝的发展的到有效控制，只有少数部位（约200m左右1道）出现轻微的裂缝（图2），但未出现比较频繁的裂缝。
表1 新细则的水泥稳定材料7d龄期无侧限抗压强度标准单位：Mpa
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图2 本项目基层裂缝现场图
2.配合比采用振动拌和设备确定
2.1、采用室内振动拌和设备进行目标配合比的设计
本项目在目标配合比设计时采用了改装的室内振动拌和设备（图3）对混合料进行拌制,该设备模拟室外振动拌和设备，使集料在拌和过程中更加均匀地与水泥结合，减小离析，提高水泥利用效率。试验室通过对原材（集料、水泥、水）性能检验，各项指标满足基层规范和设计图纸要求。根据《公路路面基层施工技术细则》构造4条级配曲线，其各曲线筛孔质量通过百分率如下：
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3）确定目标级配曲线
根据各曲线的各项试验结果，选取构造级配1为水泥稳定级配碎石基层目标级配曲线，即各筛孔质量通过百分率如下：
表6 确定的目标配合比通过下列筛孔（mm）质量百分率（%）
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图4 混合料合成级配图
5）混合料合成级配性能验证
根据混合料合成级配，分别选用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、6.0%的水泥剂量配料进行击实试验，从而确定每种剂量下的混合料最大干密度和最佳含水量。再根据混合料合成级配曲线水泥剂量不同重型击实试验得到的最大干密度和最佳含水量，按规定要求98%的压实度，计算出制备无侧限试件所需的试件质量，并成型无侧限强度试件，其7天无侧限抗压强度结果如下见表：
表8 无侧限（7天）抗压结果表
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结合规范和设计图纸的要求，根据本次配合比试验结果各项性能均满足要求，确定目标配合比为：0-4.75mm:4.75-9.5mm:9.5-13.2mm:13.2-19mm:19-31.5mm=37：19:11:17:16,水泥剂量4.5%，最大干密度为2.371（g/cm3），最佳含水率为5.2%，7天无侧限强度代表值为7.3Mpa。
通过上述7天无侧限抗压强度结果可知，当水泥剂量为3.5%和4.5%时变异系数最小，分别为6.9%和6.4%，强度代表值分别为5.1MPa和7.3MPa。设计图纸要求水泥剂量为5.0%，因此确定水泥剂量为4.5%。
3.生产配合比的确定和验证
3.1传统的拌和设备要面对的问题
传统的拌和设备在生产过程中面临三大难题，一直未得到有效解决，具体问题如下：
1）水泥用量过大，造成水泥稳定碎石基层裂缝增多，影响工程使用寿命；
2）搅拌不均匀，导致水泥水化不充分及混合料局部离析，影响通车以后基层的抗弯啦能力和水稳性能，容易出现局部裂缝唧泥沉陷。
3）传统的水泥稳定碎石搅拌机经常出现粗骨料表面干燥露白现象，细集料很少粘结，在装卸运输摊铺碾压过程中容易出现离析，存在质量隐患。
3.2现有振动拌和搅拌设备的优势
本项目采用1台山东贝特800型振动拌和水泥稳定碎石拌和设备，最大拌和能力为800t/h。振动搅拌使水泥、粉煤灰颗粒及水分子在粗骨料表面及间隙中均匀分布最大化，成功破解了水泥稳定碎石机构层设计施工的三大难题。有以下两点优势：
1）充分使细集料弥散，避免混合料的离析
传统的拌和设备采用一级搅拌，拌和时间短，不能使集料和水泥充分接触。而振动搅拌采用两级搅拌，混合料首先在一级搅拌缸内拌和再经二级振动搅拌缸，延长了拌和时间，将混合料中的水泥团震碎，使其均匀地分布在混合料中，有效防止混合料的离析。
2）提高抗压强度，减少裂缝的扩展
振动搅拌技术的应用，大幅提升水泥稳定碎石混合料宏观及微观匀质性，提高了半刚性基层强度。为减少水泥用量，增强水稳碎石结构耐久性，建设耐久型长寿命路面创造了巨大空间。大幅减少了7d取芯不成功造成返工的风险，水泥用量在保证基层强度的情况下采用规范允许的下限和底线，也符合国家公路交通事业节能减排可持续发展的要求。
3.3生产配合比的确定和验证调整。
1）通过试验路的铺筑，确定生产配合比
本项目基层厚度为33cm，分两层摊铺，上下基层粘结通过撒水泥浆的方式进行连接。项目部在K26+350～K26+650进行基层试验段的铺筑，对目标配合比进行验证。得出以下结论：
表9 水泥剂量和含水率检测结果表
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通过上述路段基层的铺筑，得出当底基层水泥剂量不小于2.5%时，7d无侧限抗压强度为3.4MPa（设计要求强度不小于3MPa）；当基层水泥加量不小于3.5%时，7d无侧限抗压强度为5.4MPa（设计要求强度不小于5MPa）。并经过其他路段的铺筑得出相同的结论，且现场取芯完整密实，裂缝的控制也得到了有效的控制，除在试验段（水泥剂量为4.5%）出现数量极少的横向裂缝外，未在其他路段发现基层裂缝的出现。
4.结束语
为适应目前工期紧、任务重的现状，水稳拌和设备大部分采用连续式拌和的方式。连续式拌和的优势是可以快速不间断的拌和混合料，但在精准计量方面存在较大的改善空间，如各档料集料、结合料和水的入缸比例浮动较大，进而影响了混合料级配的稳定性。公路交通的发展对于加强各地的联通起到至关重要的作用，而先进大型设备的发展应用是提高工程质量的重要途径，如何精准计量和大面积推广基层大厚度摊铺设备（目前的大多数摊铺碾压只适合不大于20cm结构层的铺筑，而基层铺筑厚度大部分均大于30cm）是值得我们关注和研究的方向。
虽然基层裂缝的扩展在本项目得到了有效地控制，但因地域差异造成各地材料的物理化学性能不尽相同，如何进一步在后续工程实施过程中在保证基层施工质量的前提下优化配合比、减小水泥用量、控制裂缝的发展仍需要我们更多地去探索。
参考文献：
[1]水泥稳定碎石基层耐久抗裂振动搅拌技术与工程应用(上)[J].冯忠绪，王新亚，冯建生.工程机械.2016(04).
论文作者:肖荣,徐克琦,卿拥军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/12
标签：基层论文; 水泥论文; 裂缝论文; 剂量论文; 设备论文; 抗压强度论文; 碎石论文; 《基层建设》2018年第29期论文;