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摘要：高寒地区在我国分布较为广泛，主要分布于我国西北、东北、以及西南等地区，其总面积约占我国国土面积的30%。水泥稳定砂砾材料作为我国高等级公路路面基层材料，在高寒地区应用时，需考虑到高寒地区的气候条件。在高寒地区，水泥稳定砂砾基层材料很容易出现冻融、冻胀破坏、结构损伤等方面的问题，从而降低了其承载能力，影响道路使用功能。对此，本文从水泥稳定砂砾的水泥剂量、级配、以及其它各相关因素着手，提出了具体的优化策略。
关键词：高寒地区；高海拔地区；水泥稳定砂砾；施工质量；控制措施
引言
高寒高海拔区气候条件恶劣，昼夜温差大，风沙大，常年气温较低，即使在施工的黄金季节夜间仍出现负温，使水泥稳定砂砾基层强度形成十分困难。形成强度的基层又极易因干缩与温缩产生裂缝，引起公路面层的反射裂缝，严重影响路面的使用性能。同时处于高寒高海拔区水泥稳定砂砾基层冰冻时间长，冻融循环次数较多，也会影响材料的水分迁移、温度、冻土活动层厚度、土体结构和强度。由此可见高寒高海拔区路面的基层材料除了要满足基本的强度、刚度、水稳性、抗冲刷性外更要有良好的抗冻性能和温缩、干缩性能。使其更好的适应冰冻地区的特点，有效的延长路面的使用寿命。
一 水泥稳定砂砾石含水量的控制
高寒高海拔地区由于人烟稀少，冻土覆盖层较薄等地域特点多以修建二、三级公路为主，施工线路长，运输距离长，运输过程中由于风大，光线强，运输车辆表面水泥稳定砂砾拌和料水分损失极快。这就要求水稳料在拌制过程中根据运距的远近适当比最佳含水量高出1%-3%，运输过程中采用棉被覆盖，尽量避免运输过程中水分的损失。摊铺过程中由于风大，水分损失快，采用初压及时跟进摊铺，始终保持在20m左右，出现花白料时，在初压一遍后及时用水车采用喷雾形式补充表面水分的散失。
二 水泥稳定砂砾石干缩、温缩性能控制
高寒高海拔地区水泥稳定砂砾基层极易因干缩、温缩产生裂缝，水泥与各种骨料和水经拌和、压实后，由于水分蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附水及分子间力作用、材料矿物晶体或凝胶体层间水的作用和炭化收缩作用等会引起半刚性材料产生体积收缩。水分减少得慢，干缩变形缓慢产生，干缩应力增长得就慢。强度形成初期干缩很大，在早期强度形成后混合料因失水引起的收缩非常小。[3]
水泥稳定混合料的宏观温度胀缩性是固、液、气三相热学性质相互作用综合效应的外观表现。组成水泥稳定粒料整体结构的原材料各矿物，一般具有较小的胀缩系数，而新生胶结物则具有较大的温度胀缩系数。由于组成水泥稳定粒料混合料的各矿物有不同的温度胀缩性，但又胶结为整体性材料，所以其温度胀缩性是各组成单元体间相互作用的“综合效应”。水泥稳定粒料混合料内部广泛分布有孔隙，其中存在有自由 水、毛细水、表面结合水和结晶水等。水有相当大的热胀缩系数，比固相部分的热胀缩系数大 4 倍 ～ 7 倍，对混合料的温度收缩影响极大。温度升高时，水的扩张压力使颗粒间距增大而产生膨胀；反之则产生收缩。温度下降时，毛细管中水的表面张力增大，从而增大了整体材料的收缩系数，但是在材料过干或过湿时，毛细管张力消失。当各孔隙中的水在其冰点温度以下冻结时，体积增大，从而引起材料膨胀，使整体材料的温缩系数减小。因此，提高水泥稳定粒料在多年冻土地区环境中的早期强度 对提高其抗干缩开裂性能十分重要；可以掺入外加剂降低混合料中水分的冰点，促进低温硬化过程，加快强度的形成，减少混合料中的水分，使温缩效应的最不利温度区间后移。
鉴于以上原理，在施工过程中尽量要采用42.5普通硅酸盐水泥或者掺加外加剂来解决水泥稳定砂砾石的早期强度，从而控制高寒高海拔区水泥稳定砂砾石后期产生的温缩、干缩反映造成的路面开裂。
三 拌和、摊铺时段的控制
应优先选用早拌和、早摊铺，早收工。每日早上6点左右开始拌制水稳料，下午5点左右停止摊铺。在拌合之前，实验室应该对施工材料各项指标进行监测，确定施工配合比，若检测结果不符合要求则应该进行一定的调整。在高寒高海拔地区砂砾基层施工应采用流水作业法，并确保拌合、运输、摊铺等工艺的施工规范。通常来说，在高寒高海拔地区，施工用水泥剂量应高出实验室配合比水泥用量的0.5%左右，若增加了粉煤灰此项内容可不予考虑。拌合时，实验室需要安排专业对拌合站进行监控，随机抽取试样对水泥剂量、含水量、级配等指标进行检测，并对成型试件进行抗压强度检测。[5]在实际中，应采用500型以上的水稳拌合设备进行集中拌合，并配置2个以上容量为80-100t的水泥罐，同时还要配备6个以上的集料仓，为避免串料影响材料级配，还应该在各料仓之间设置高度不低于50cm的挡板。在摊铺过程中，需要针对不同的情况选择不同的摊铺方法，在半幅摊铺中，可采用摊铺机进行施工，具体的做法是将2台摊铺机相隔5-15m之间，同步梯进向前进行混合料的摊铺。值得注意的是，在进行混合料的摊铺时，应根据现场拌合料的运输能力，合理的控制摊铺机的运行速度，通常来说，以匀速摊铺为宜，尽量避免中间停机。另外在摊铺过程中，应确保摊铺机螺旋内始终保持有2/3的混合料，从而避免混合料发生离析现象。若发现表面有离析现象，应尽快补充细料，确保成型段表面外观质量。
四 水泥稳定砂砾石抗冻性指标控制
为解决高寒高海拔区水泥稳定砂砾石基层材料在冻融循环条件下的抗冻性能，并寻找出提高其抗冻性能的措施，本文采用冻融循环试验以及灰关联分析，探讨了冻融循环条件下影响水泥稳定砂砾基层材料抗冻性能的影响因素，并总结了其控制措施，具体过程如下：
1 冻融循环试验
1.1 试验材料
本试验用水泥均为42.5级硅酸盐水泥，集料为石灰岩，压碎值经检测为18.4%，其它各项性能指标均符合国家规范要求，其基本力学性能检测结果如下表1所示。
1.2 试验方法
本试验在粗、细两种级配的基础上，按照4%、5%、6%三种水泥剂量，分别进行了重型击实试验，并按照国家相关规范确定了试验用水泥稳定砂砾材料的最佳含水量和最大干密度，并在此基础上进行了混合料的拌制。按照粗、细级配两组，分别进行静压梁型试件制作和振动成型梁型试件，试件规格为：10cm×10cm×40cm，试件在标准养生180天后开始进行冻融循环试验，试件养生期在到达第180天时，应从养护箱中将试件取出，并按照无侧限抗压强度试验方法将其浸水24h，在浸水时间结束后，将试件置于低温箱中进行冻融循环试验，冻结温度保持在-20℃2℃之间，经过16h的冻结之后，应立即将试件置入20℃水温的水槽中进行融化，融化试件不低于8h，这一过程为一次冻融循环。在重复上述冻融循环过程到一定次数后，再将试件进行弯拉破坏试验。
1.3 评估指标
从目前来看，我国针对半刚性多孔材料的冻融循环试验还没有统一的评价方法，水泥稳定砂砾材料作为一种半刚性材料多孔材料，其冻融循环试验评价方法同样尚未统一。目前主流的冻融实验评价方法主要是借鉴水泥混凝土抗冻性能评价方法，其评价指标为经过5次或10次冻融循环后混合料的无侧限抗压强度比。但考虑到水泥稳定砂砾基层材料在应用过程中会在其不表面铺设沥青，从而使水泥稳定砂砾基层处于弯拉应力状态。因此，文本决定将水泥稳定砂砾材料经冻融循环后弯拉强度和冻融循环前的弯拉强度之比作水泥稳定砂砾材料的抗冻性能评价指标。其表达式为：
KD=
其中，KD为抗冻系数，SD为冻融循环后水泥稳定砂砾材料弯拉强度，SC为冻融循环前水泥稳定砂砾材料弯拉强度。
1.4 试验结果分析
1.4.1 水泥剂量
在经过冻融循环试验后，笔者对比了在级配和试件成型方式相同的条件下，不同水泥剂量水泥稳定砂砾材料的抗冻系数。在4%、5%、6%三种水泥剂量中，采用6%水泥剂量的水泥稳定砂砾材料抗冻系数最大，而采用4%水泥剂量的水泥稳定砂砾材料抗冻系数最小，由此可见，当水泥剂量在4%-6%范围内时，水泥剂量越大，水泥稳定砂砾材料抗冻系数最大。通过分析，笔者认为这是由于在材料级配和成型方式一致的条件下，水泥剂量的增加，会增大凝胶材料与砂砾之间的接触面积，从而降低了砂砾的孔隙率，减少了外界水分的渗入，从而有效地减少了外界水膨胀对水泥稳定砂砾材料造成的损害。另一方面，采用较高的水泥剂量还会在试件底部形成一层水泥浆层，从而强化了试件的抗弯拉能力。但由于水泥剂量对水泥稳定砂砾材料的整体刚度以及收缩性能具有一定的影响，因此在实际中水泥剂量不宜过大。
1.4.2 水泥稳定砂砾材料级配
在相同成型条件和水泥剂量的情况下，笔者对比了粗、细两种级配下水泥稳定砂砾的抗冻系数。经过对比后发现，细级配水泥稳定砂砾试件的抗冻系数要较粗级配稳定砂砾试件抗冻系数要大。在不同成型条件和水泥剂量下，细级配水泥稳定砂砾试件抗冻系数较粗级配水泥稳定砂砾抗冻系数都有不同的增幅。这说明，偏细级配叫粗级配的水泥稳定砂砾材料具有更好的抗冻性能。其主要原因在于，偏细级配的混合料中，细料相对较多，可有有效地填充砂砾间的空隙，有助于阻挡外界水的渗入，从而减少由外界水引起的冻胀破坏。
1.4.3 试件成型方式
在相同水泥剂量和级配下，振动成型试件较静压成型试件的抗冻系数更大，对比粗级配和细级配下不同成型方式试件的抗冻系数，发现振动成型试件较静压成型试件抗冻系数均有一定增幅，这说明振动成型方式较静压成型方式更加能够增加水泥稳定砂砾的抗冻性能。其原因在于，通过振动成型的试件，砂砾在振动下会受迫运动，从而帮助了使细骨料更加充分地填充了砂砾间隙。而静压成型砂砾仅仅是相互堆积，材料均匀性交叉，容易造成应力集中现象，从而导致在冻融循环条件下抗冻性能降低。
1.4.4 控制措施
通过冻融循环试验，我们可以得出影响水泥稳定砂砾材料抗冻性能的主要因素包括三个方面，即：水泥剂量、材料级配、成型方式等。因此，在实际施工中必须要对以上三个方面进行合理控制。首先，在水泥剂量使用上，应确保在不影响水泥稳定砂砾材料整体刚度要求和收缩性能要求的情况下，适当地增加水泥用量，从而降低水泥稳定砂砾材料孔隙率，减少冻胀破坏，提高水泥稳定砂砾材料整体强度，确保施工质量；其次，在材料级配的使用上，应在配合比设计的基础上，适当地减小材料级配，从而利用细骨料填充砂砾间隙，减少材料裂缝，阻挡外界水进入，避免外界水膨胀对水泥稳定砂砾材料造成损害；最后，在实际施工中，在混合料的拌制过程中，应该对混合料进行充分振捣，确保粗、细骨料分布均匀，避免应力集中，对水泥稳定砂砾基层施工造成危害，进而提高施工质量。
结束语
综上所述，在高寒高海拔地区水泥稳定砂砾基层施工中，应结合高寒高海拔地区气候条件，对水泥稳定砂砾材料性能的各方面影响因素进行分析，从而在实际施工中采取有针对性的策略确保水泥稳定砂砾基层施工质量。对此，本文采用控制变量法，对影响水泥稳定砂砾材料性能的因素进行了深入探讨，并分析了其中的原因，最后再提出了几点有针对性的解决措施。
参考文献：
[1]曾庆来，李亚.浅析道路路面基层水泥稳定碎石施工的质量控制措施[J].建筑工程技术与设计，2016（17）.
[2]李志刚.浅谈水泥稳定碎石基层施工工艺及施工过程质量、安全及环保控制措施[J].城市建设理论研究：电子版，2016，1（16）.
[3]单春宇，石磊.浅析水泥稳定碎石基层施工的质量控制[J].黑龙江科技信息，2015（32）.
[4]郑水木.浅谈水泥稳定碎石基层施工的质量控制[J].福建交通科技，2016（2）：36-38.
[5]谢海.浅谈水泥稳定碎石道路基层施工质量控制的要点[J].中国新技术新产品，2016（18）：170-171.
[6]徐世超.浅谈水泥稳定碎石基层施工及质量控制[J].中国科技纵横，2017（11）.
[7]张德学.浅谈水泥稳定碎石基层双层连铺施工及质量控制[J].江西建材，2017（4）：195-195.
[8]李杨.浅析农村公路水泥稳定碎石施工质量及防控措施[J].价值工程，2017，36（26）：96-98.
论文作者:陈付利
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/10
标签：砂砾论文; 水泥论文; 稳定论文; 材料论文; 剂量论文; 基层论文; 系数论文; 《基层建设》2017年第36期论文;