试论道路水泥稳定基层施工的质量控制要点

2016-11-15孟宪武

山西交通科技 2016年4期

孟宪武

（山西路桥集团国际交通建设工程有限公司，山西太原 030006）

在高等级道路中，无论是沥青混凝土路面，还是水泥混凝土路面，其下部承重层都是由水泥稳定土材料铺筑而成。虽然道路上部的荷载（包括车辆及其他路上荷载）直接由道路面层承担，但道路的经典承载理论显示，水泥稳定土基层是道路的主要荷载承受层。特别是沥青混凝土路面，作用在其上的载荷都要经过路面传递到下面的水泥稳定土基础。因此，水泥稳定土基础也是抵抗道路面层变形的主要结构层。

1 问题的提出

综上所述，保证水泥稳定土基层的施工质量是十分重要的，其中水稳基础的材料组成、拌制工艺和摊铺质量的优劣就成为影响高等级道路总体质量和服务寿命的关键因素。众所周知，由于水泥稳定层处于道路面层的下部（即由上部加铺的面层所覆盖），在道路铺就后的整个道路服务期间一般不会“再现”，因此水泥稳定土材料的质量和施工问题很容易得到忽视。但作为抵抗道路面变形的主要结构层，其质量问题将导致下述结果：

a）水泥稳定层的“不稳”导致道路整体承载能力的下降。

b）早期道路病害，如纵横网裂、坑槽和松散的大量出现。

c）基础的薄弱和面层病害势必导致整个道路的大面积破坏。

长期以来，笔者曾参与山西临离、长晋和忻黑等多条高等级道路的工程施工，并在现场进行了大量调查，发现水泥稳定土基层的施工作业有诸多急需改进之处。为了保证水泥稳定土基层的施工质量，就必须从材料选择、稳定土制备和运送、摊铺施工和后期养生等工序进行质量监控和工艺优化。

2 水泥稳定土基层的原材料

原材料的质量，包括严格的级配要求，是保证水泥稳定土混合料总体质量的基础。不同等级的道路，其水稳层的材料组成也不同。一般讲，水泥稳定土基层是由一定级配的砾石、砂、水和水泥等材料拌合而成。水泥和水混合产生水化反应形成凝胶状物体，并以此作为黏结剂[1]，经拌合与级配砾石和砂等固体颗粒材料混合成水泥稳定土混合料。为了达到要求的强度和使用耐久性，水稳层所用原材料必须严格按照设计要求的比例进行配比。如在高等级道路的水泥稳定土基层材料配比时，一般要求路用水泥应使用不低于P42.5的早强型硅酸盐水泥，且水泥的用量应大于等于0.3 t/m3。笔者曾参与山西大运高速忻州路段的工程施工，由于该路段处于我国北方较寒冷的地区，无霜期较短，为了尽量增大道路施工周期，改善低温环境水泥稳定土材料的早期强度，采取上述水泥标号和用量比例是十分恰当的，这已在实体道路工程中得到成功的应用。而水稳材料中的细骨料应采用级配良好的硬质中砂（若以块石粉碎制作，则应以酸性石料，如花岗岩、闪长岩等高硬耐磨石料作为原材料的首选）。砂中的土含量必须小于等于2%。这对于保证水稳材料的制备质量是十分必要的。

3 水稳材料的拌制和运送

作为道路的基层部分，水稳材料是由多种材料混合拌制而成。而水稳材料的拌制工艺直接影响到水稳基层的整体质量，为了保证混合料的拌制质量，应特别注意下述问题。

3.1 采用间歇强制式拌合设备

目前，用于高等级道路施工的水稳材料均采用强制式搅拌设备完成。这种设备分为连续式和间歇式两种。前者的进料、拌合和出料均为连续完成，作业效率较高。但一旦作业程序输入完成，在作业过程中就很难进行再控制和再调整，而拌合过程中各种原材料的掺配受到多种因素的影响，因此其拌合质量的控制比较困难。后者为间歇作业式，其每次进料量能够进行较为精确的称量控制，且各种材料的称量均可独立进行，特别是拌合时间（即物料在拌合装置中的存留周期）能够根据需要方便调整。这些特点使得水稳材料的质量容易得到保证。因此，虽然作业效率相对较低，但间歇强制式拌合工艺在高等级道路施工的水稳材料拌制工序得到了更为广泛的应用。有鉴于目前我国道路施工单位保有大量的连续式强制拌合设备，若将其用于高等级道路施工，笔者建议应特别注意下述技术条件。

3.2 增加二次拌合工序

众所周知，材料拌合的均匀性与拌合时间成正比，他们之间的关系见图1所示。

图1 材料拌合的均匀性与拌合时间的关系

水稳材料拌制的均匀性应达到96%以上，即拌合后的混合料不允许出现任何白料，各种材料必须均匀地互相裹覆在一起，这就要求材料在拌合机中的拌合时间不应小于50 s（见图1）。而连续式强制拌合设备的作业特点决定了其材料的拌合时间往往小于该值且无法调整。为了达到相应指标，增加二次拌合工序是必要的。二次拌合工序可采用连续式，也可以是间歇式，但后者必须增加一套中间集料系统用于初次拌合后材料的收集。中间集料系统应具有计量和自动出料功能，以便实现系统的自动化作业。其作业工序为：原材料配比加入→连续式拌合→中间集料、计量和出料→二次间歇强制拌合。

增加二次拌合工序可使材料的拌合时间提高一倍左右，水稳材料的制作成本相应增加20%～25%，但却有效提高了材料的制作质量。如山西大运、汾柳等高速公路和207、308、208等国道的水稳材料拌制和RCC路面（高碾压混凝土路面）施工中增加二次拌合工序后均有效提高了拌合质量，特别是材料铺筑后的压实密实度和早期强度得到明显提高。

3.3 注意保持材料的含水量

我国北方地区大多地处北纬35°～50°的温带，其气候特点是四季分明，道路施工必须在较为适宜的春末、夏季和秋季进行。这些时节环境温度较高，各种混合料的温度易于保持，有利于材料的摊铺、成型和压实。但在水稳材料的拌合和成品料输送过程中的水分蒸发较为迅速。因此，应在材料拌合、集料和成品料输送过程中对其上部进行覆盖，以减少水分蒸发，尽可能保持材料的含水量。同时，增加二次拌合工序后使得材料的拌合时间（包括中间集料时间）有所提高，而这些过程通常均为暴露作业，材料中的水分蒸发较多。为了保持其合理的含水量，为后续压实工序提供必要条件，亦应在原材料配比时适当增加水分加入比例。根据实体工程经验，一般应在原加水比例基础上增加2%～5%（视环境温度、湿度等情况而定）。

4 在面层摊铺前，应对水稳层上部表面杂质进行彻底清理

道路水稳基层铺筑的结束，即预示水稳层养生阶段的开始。经过养生工序（养生时间依环境温度的不同差异较大）的水泥稳定基础才能达到一定的结构强度，才能以足够的表面承载能力接受加铺在其上部的道路面层。由于水泥稳定基层铺筑时的工程施工质量（包括原材料的质量和级配的合理性）及养生期间各种环境的影响（包括洒水的数量和均匀性、表面覆盖保湿的有效性、作业施工车辆的早期碾压及各种自然光候的影响等），水稳层表面会出现很多不应有的各种杂质。这些杂质有些是悬浮于面层上的松散物料，有些是黏结在面层上的水泥混合物质。前者是松散物质，后者与路面有一定的黏结强度，因此其在水稳基层表面的存在状态极不稳定。若无视这些杂质在水稳基层上部直接铺设道路面层材料，则极易产生弊端。

4.1 产生的弊端

a）杂质存在状态的不稳定会形成一个介于道路水稳基层和上部面层之间的杂质夹层，使本应良好结合的承重层和磨耗层之间存在互相滑移的趋势而失稳。由于面层和基层难以形成整体强度而分别受力，因此当道路上部受到较大的荷载时，面层会因受力不匀而变形，严重时会出现大面积断裂[2]。

b）在尚未形成一定的强度前，水稳层表面具有一定硬度的杂质在工程车辆碾压下会嵌入水稳层内部与其混合，从而改变水稳材料上部的材料配比和矿料粒径的级配，进而影响水稳基层的设计强度。

c）由于水稳层铺就和压实后与上部面层的摊铺间隔时间较长，各种表面杂质的种类也会多种多样，尤其是在笔者所在的山西省地处西北山区和丘陵地带，也是我国的重点煤炭重化工基地之一，如此环境使得不少坚硬质地的煤炭和石料颗粒散落在道路表面。由于这些杂质的硬度较大（其中以闪长岩、花岗岩、玄武岩等酸性石料的硬度更甚），当遇到碾压和其他较大的荷载时，就会有相当部分被压嵌进水稳基层的上部而对水稳层的原有强度造成局部消弱。显然，这也是道路进入使用后早期强度减弱和损坏的重要原因之一。

有鉴于此，在铺筑面层前对水稳层表面的各种杂质进行彻底清除是十分必要的。

4.2 清除水稳层表面杂质的常用方法

a）以道路清扫设备（纯扫或吸扫式）来完成水稳层表面杂质的清除，也可以人工清扫完成作业。

b）若施工地区的水资源（地表水和地下水)较为丰富且容易得到，则采用压力水对水稳层表面杂质进行冲击清除。由于施工单位往往保有一定数量的洒水车，其射水压力多为0.4～0.7 MPa，单车水容量5～10 kL，能够以射水方式用于路面杂质清除，亦可使这些设备的利用率得到有效提高。

长期的工程实践表明，上述清除方法的作业效果尚有很多不尽人意之处，如前者难以较彻底地清除较小颗粒的粉状物体，而我国北方的山西、内蒙和东北地区多为黄土高原、煤炭和矿石产区，在运输道路上往往造成粉状物体的散落和大量聚积，因此表面杂质的清除效果较差；后者虽具有相当的水压冲洗，但对某些黏结在面层上的水泥混合物质仍无能为力，而且由于用水较多也造成了水源的浪费。近年来，针对传统工艺方法的不足，山西省交通系统研发了以液压动力钢丝滚刷强制切除、多级风压吹送为作业原理的水稳层表面杂质快速清除设备。其整机采用拖行式整架底盘，可由任何20 kW以上功率的车辆牵引作业，作业有效宽度为2 400 mm。整机主要由柴油机、液压传动系统、动力钢丝滚刷、风力吹送系统及其控制部分等组成。专门设计了多级风压吹送结构（图2）Δ、δ、和ε表示各风道的进口风压，由于各进口与高压风机直接衔接，则其风压值均处于高位且相等，即Δ=δ=ε；A、B和C、D分别表示风道的长度和宽度。这种结构设计的主要特点是各独立风道与高压风机的衔接方式能够保证在较长的吹送距离上保持较大的吹送风压[3]。作业时，先由液压马达直接驱动的钢丝滚刷对道路表面杂质进行强力扫除，再由后部的风力吹送系统将杂质吹出路面。

图2 前后接力多风道吹除作业原理

由于钢丝滚刷可将黏结在面层上的水泥混合物质打掉，而后由多风道杂质强力吹除方式将各种颗粒（包括粉状物质）的杂质清出路面，因此能够较为彻底地完成水稳层表面各种杂质的清除作业（各种杂质的综合清除率为98%以上）。目前，这种型号为SC-2400的水稳层表面杂质清除设备已在山西大（同）运（城）高速、忻（州）阜（平）高速和忻（州）（五）台等国道的水稳层表面杂质清除工程中得到了成功应用，有效提高了道路的施工质量。