水泥稳定碎石基层是目前我国高等级公路建设中被广泛采用的一种基层结构形式,其具有强度高、抗渗水、抗冲刷、干缩变形小和成型快等优点。但在实际的施工过程当中,因其对水泥剂量、含水量及延迟时间限制上都有严格要求,受拌和机械的限制和人为操作的影响,施工操作中难度较大。所以,必须对施工中的各个环节严格控制以确保水泥稳定碎石基层的质量不出问题。
一、前言
水泥稳定碎石基层作为公路规范是一种普通的路面基层。由于其特有的工程特点,水泥稳定碎石结构的几种主要组成材料大致都能就地取材,能大大减少一些不必要的运输及生产成本。所以,这种结构形式在我国现阶段高等级公路建设中广泛采用。
基层是指直接位于沥青面层下、用高质量材料铺筑的主要承重层或直接位于水泥混凝土面板下、用高质量材料铺筑的一层。基层可以是一层也可以是两层,可以是一种也可以是两种材料。目前在我国高等级公路施工中,水泥稳定碎石基层以其强度高、耐久性好、板体性好、干温缩比较小(比二灰碎石)并且易于施工等优点已经被不断推广与应用。
二、 水泥稳定碎石基层的结构特点
水泥稳定碎石一般适用于基层或底基层,厚度一般在15～22cm。水泥稳定碎石基层的结构具有以下特点:
1.强度高:只要基层混合料灰剂量不超过6%,其强度能达到6MPa以上。
2.水稳性好:这种结构只要钙化成型后就不怕被水长期侵蚀。它具有水泥混凝土的一些性质。
3.抗疲劳能力强:因其强度高,所以比其他的结构形式更具稳定性和持久性。
4.易操作:基层混合料易生产,拌和容易。在级配一定的情况下,灰剂量、含水量容易控制,可以根据监测情况随时进行调整。
5.半刚性:因其与水泥混凝土不同,所以不会由于收缩而产生裂纹。
6.远期成本底:其使用寿命长,可以节约重复建设开支,减少建设成本。
三、 水泥稳定碎石基层的工作原理
水泥稳定碎石是以级配碎石作骨料,采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料的空隙,按嵌挤原理摊铺压实。其压实度接近于密实度,强度主要靠碎石间的嵌挤锁结原理,同时有足够的灰浆体积来填充骨料的空隙。
水泥稳定碎石的初期强度高,并且强度随龄期而增加很快结成板体,因而具有较高的强度和抗冻性以及抗渗度比较好。水稳水泥较其他路基材料高,其用量一般为混合料3%～7%,7天的无侧限抗压强度可达1.5～4.0%MPA,水稳成活后遇雨不泥泞,表面坚实,是高级路面的理想基层材料。整个施工过程必须在水泥终凝前完成,并且一次达到质量标准,否则不易修整。需要加快施工进度,加大机械化施工程度,提高机械效率。水稳的施工方法也符合现代化大规模机械化发展的方向。
四、 施工质量保证措施
(一)材料选择
水泥稳定基层这种结构对原材料要求较严,所用材料必须要到达设计要求。如碎砾石的粒径压碎值等,材料配比后必须在级配范围之内。
1. 材料
(1)路用的水泥、石子、砂等材料必须监理工程师批准。未经批准的不允许进场,更不准使用。
(2)水泥:选用终凝时间较长(宜在6小时以上),且宜用325#矿渣及普通硅酸盐水泥。快硬水泥、早强水泥以及受潮变质的水泥严禁使用。水泥品牌的选用应考虑其质量稳定性、生产数量、运距等各种因素。水泥每次进场前应有合格证书,每200T应对水泥的凝结时间、标号进行抽检。
(3)碎石:要求其压碎值不超过30%,最大粒径不大于30mm;碎石的颗粒组成应符合JTJ034-93中第2.2.1.6中2#级配要求。为了施工方便,宜采用10～30mm的粗集料、5～10mm的中集料、0～5mm的石屑细集料三种粒料配合。其粗集料的压碎值、各种粒料的筛分(主要检查所进料的颗粒级配的偏差情况),0.5mm以下细土的塑性指数,小于0.075mm的颗粒含量应符合JTJ034-93中的要求,上述材料进场后的试验项目每2000m3做2个样品试验。
(4)水:凡人或牲畜的饮用水均可用于水泥碎石的施工。
2.混合料的组成设计
(1)组成设计原则:1)粉料含量不宜过多。2)在达到强度的前提下,采用最小水泥剂量,但不小于4.0%。3)改善集料级配,减少水泥用量,使水泥用量不大于6%。
(2)水泥剂量的配制可采用4%、4.5%、5%、5.5%、6%五种剂量。
(3)每种剂量的试件制取9个(最小数量)。
(4)试件必须在规定的温度(20±2℃)保湿养生6天,浸水养生1天后进行无侧限抗压强度,计算试验结果的平均值、偏差系数,并计算RX(1-1.645Cv)是否大于Rd（设计强度）。设计剂量要选用满足强度的最小剂量,并不超过6%。
(5)根据设计剂量做延迟时间对混合料强度的影响试验,并通过试验确定应该控制的延迟时间。
(6)工地实际采用的水泥剂量较设计剂量增加0.5%。
(二)材料堆放
各种材料分别堆放,不得混杂、积水。
(三)水泥稳定基层混合料的生产
生产配合比计算根据试验室提供的目标配合比。拌和站配制混合料,灰剂量、含水量、级配都要符合设计值。由于机器运行误差、气候等因素的影响,混合料各种指标偏离设计值;混合料含水量或大或小,灰剂量或大或小,通过百分率或超上限或超下限。质量检测人员应及时监测、调整,使之保持在设计值内。
(四)控制混合料含水量
混合料堆放一小时,在高温30°天气情况下,含水量平均损失0.5%;而摊铺后停放1小时,表面3cm能损失含水量2%左右。这样,拌和站从出料含水量 5%,到摊铺碾压前,混合料含水量平均损失1%左右。考虑到混合料从出料到碾压,含水量损失1%,所以要控制出料含水量大于最佳含水量6%。
(五)水泥稳定基层混合料的运输
长距离运输,混合料含水量容易损失,产生离析,造成摊铺碾压后,基层局部平整度差。确需长距离运输,应通过试验,采取措施,保证混合料在碾压时有较适宜的含水量。
(六)水泥稳定基层混合料的摊铺
混合料从出拌和站到摊铺地点,应尽量用最短的时间,及时摊铺,在水泥的终凝时间内,完成拌和、运输、摊铺、碾压、整平等。不得使用时间超过水泥终凝时间的混合料。
每一作业段碾压完成后,立即做各项指标的检测,整理好内业资料向监理人员报验(24小时内),强度指标单独报验。监理人员应在现场及时抽检,发现问题及时通知处理。
五、水泥稳定基层常见质量问题及防范对策
水泥稳定基层易出现四个质量问题:(1)平整度差;(2)厚度不够;(3)强度不够;(4)压实度不够。要消除这些质量问题,首先要搞清它们的形成原因。
平整度差的成因是由于水泥稳定基层混合料含水量不一致,级配变化;再一个就是在摊铺机履带轮下有垫物。这几个原因往往会导致混合料压实度系数产生不一致情况。所以,应保持混合料的各种指标一致性,必须提高碾压工艺水平。另外,压路机的操作手的操作水平高低,也会影响到基层的平整度。
厚度(或高程)不够,这也是混合料含水量、级配变化造成的。含水量和级配的改变,使压实系数相应改变,测量人员往往也会不断改变压实系数,进而导致基层厚薄不均,高程超过允许的偏差值,最终出现厚度(或高程)不够现象。
压实度不够:主要原因是混合料含水量、级配的问题最终造成基层压实不够。
强度不够:造成基层强度不够的主要因素是混合料灰剂量和级配不够、不合理造成的。因混合料灰剂量偏小,起粘结作用的细颗粒偏少,导致基层成型、钙化后存在一定空隙,不能密实。水泥在基层混合料中,起到主要的钙化作用,细颗粒在基层混合料中,起着粘结的作用。因此,通过控制细颗粒在混合料配比中的百分比,可以减少空隙增大密度。
六、 施工中如何减少裂纹裂缝
路面基层总会不可避免产生不同程度的裂纹甚至裂缝的主要原因是基层一般均设计为半刚性材料;而水泥稳定碎石由于强度高、刚度大,则容易产生收缩裂缝。网状裂纹比较少见,裂缝的出现一般都很有规则,大概12～15m左右出现一条横向裂缝。
基层裂缝往往会对沥青面层造成反射裂缝或对应裂缝,从而导致面层水下渗,使得基层与面层之间积水。随着车轮的荷载作用力形成动压,基层中的细料在动水的不断冲刷下,往往会产生“唧泥”现象,导致面层出现坑洞破坏。因此,应在施工中控制施工的质量,尽量减少裂缝的产生。
1.尽量减少粉料含量,粉料(小于0.075mm)的含量越多,水泥碎石的收缩越大。
2.碾压含水量不宜超过最佳含水量的1%,因含水量越大,则水泥稳定碎石蒸发散失的水分越多,形成的裂缝就越大。
3.水泥剂量应在设计得出的适宜剂量之间;超过6%时,干缩系数会增大。
4.良好的集料级配有助于减少水泥用量,从而降低干缩系数。
5.基层施工完毕后,最好在一星期后即进行下封层或喷洒透层油,随后尽早铺筑沥青面层,保证基层不继续失水,引起干缩裂缝。
七、施工注意事项
施工过程中应严格控制混合料的灰剂量、含水量、级配范围。及时调整好摊铺设备,不得在工作中停车检修,以免混合料因长时间放置影响碾压密实度和强度。压路机手必须在混合料可塑状态下(即水泥的终凝时间之前)完成碾压成型。
碾压施工时要派专人跟机找平、处理基层平整度。水泥稳定碎石成型后,必须进行洒水养生。养生时间不少于7天。后期养生对水泥稳定碎石的强度提高、板体的形成至关重要,特别在炎热的夏天更应不间断洒水。由于高速公路有横坡,水不易存留,应在板体上覆盖麻袋、草垫、土工布等物,再在上面洒水,可延长水分存留时间,节约用水。在养生期间,要严格执行交通管制,严禁大型重载车辆通行。
八、 结语
水泥稳定碎石基层的施工由于其特有的水泥水化硬化作用,容易产生温缩、干缩裂缝,施工工艺要求较高;但是由于水泥稳定碎石具有强度高、水稳性好的特点,能与高级公路日益提高的设计承载能力相适应,因此得到越来越广泛的应用。只有在严格控制好原材料质量的前提下,做好配合比设计环节,并在施工过程中实事求是地做好现场试验检测工作,才能完成高质量的水稳基层建设。要确保水泥稳定基层的施工质量及避免一些常见质量问题的出现,必须先充分了解它的工程特性。只有在充分了解和认识的基础上,才能在施工过程中制定有针对性、有实用性的质量保证措施。总之,无论是在沥青砼路面设计中,还是水泥砼路面设计中,在当前公路事业高速发展的大环境下,任何一种路面基层都无法去代替它的重要地位。