高速公路水稳层配合比设计试验研究与现场验证 / 开普饭

摘要

为了验证《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)新细则在广东省高速公路的实际应用效果，本文将通过不同级配的水稳基层试验段，检测了不同级配试验段的铺筑效果、室内无侧限强度、芯样强度、反射裂缝情况等，该方面研究成果具有较大的实际应用价值，可供广东省高速公路各项目参考。

关键词

水稳层配合比设计 | 施工质量 | 耐久性

前言

目前，省南粤交通公司2017年通车项目大多数处于水稳基层(底基层)施工高潮期，加强水稳基层(底基层)施工质量是公司2017年路面工作的重心之一。《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)(以下简称“新细则”)于2015年8月1日正式实施，原《公路路面基层施工技术规范》(JTJ03-2000)同时废止，新细则颠覆了以往我们对于半刚性基层的一贯看法，生搬硬套新细则各项规定或不按新细则要求开展水稳基层(底基层)配合比设计及施工均将对水稳层施工质量及耐久性造成不利影响。

传统水稳基层配合比设计强调所谓的“骨架密实结构”，为避免水稳基层出现开裂，我省多数高速公路项目基层混合料合成级配曲线4.75mm通过率要求在30%以下。采用该设计方法可在一定程度上减少水稳层早期开裂，但存在较多的不足。混合料配合比级配越粗，施工现场水稳层离析现象越严重。我省路面工程人员常认为水稳基层是不透水的，实际情况并非如此，离析路段透水非常严重。此外，路面施工中运输车辆通行在所难免，由于混合料中细料较少，水稳层掉粒现象非常严重。省交通工程质监站指出我省高速公路项目水稳层窝料、离析、松散、“弹簧”、开裂等质量缺陷较常见，这既与施工质量和交通管制措施有关，更与配合比设计关系密切。

新细则认为对于水泥稳定碎石基层不存在所谓的“骨架密实结构”，公路沥青路面设计规范提供的接近于SMA的骨架密实级配，其实是有骨架但不密实，不密实对混合料的耐久性和路用性能产生严重影响。水泥稳定类材料，强度主要来自矿料本身强度、混合料密实性及水泥水化作用，与级配的骨架本身并没有直接联系，所以混合料密实性比骨架结构更重要。细则认为4.75mm以上粗集料不是越多越好，也不是越少越好，含量在55-65%，混合料具有较好的力学状态。由于新细则推荐的级配过细，在我省没有应用先例，各参建单位对于应用新细则顾虑较大，担心级配变细会出现过多的收缩裂缝。此外，新细则提高了特重高速公路基层的无侧限抗压强度(5~7MPa)，从而引发我省工程技术人员担心基层强度过高导致路面反射裂缝病害严重。

为了验证新细则在广东省高速公路的实际应用效果，本项目在LM1合同段(长大公司)和TJ14标(中铁十二局)分别了做了不同级配的水稳基层试验段，检测了不同级配试验段的铺筑效果、室内无侧限强度、芯样强度、反射裂缝情况等，该方面研究成果具有较大的实际应用价值，可供广东省高速公路各项目参考。

LM1合同段水稳上基层试验段

试验路方案

由于为了比较不同级配、不同水泥剂量水稳层的无侧限强度及防开裂效果，根据各档料掺配比例不同和水泥剂量不同，共制定6个试验路方案，各试验方案具体情况见表1。

原材料情况

(1)碎石

试验路采用九龙寨石场生产的碎石，原材料各项检测指标均符合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中集料的技术要求，具体检测结果见表3。

(2)水泥

试验路采用粤海牌P·C32.5R水泥，经检测各项指标均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中水泥原材料的技术要求，具体检测结果如下：

1)凝结时间：初凝时间为5小时31分，终凝时间为6小时32分；

2)水泥3d龄期抗压强度为22.9MPa，抗折强度为4.5MPa。

3)安定性合格。

试验路检测结果

(1)压实度

终压结束后分别对各个试验段进行压实度检测，每个段落选1个测点。经检测压实度和厚度检测结果均满足规范要求，具体检测结果见表4。

(2)水泥剂量检测

现场取样进行水泥剂量检测，经检测实测水泥剂量均满足配合比水泥剂量设计要求，具体检测结果见表5。

(3)平整度检测

采用3米直尺对各试验段平整度进行检测，检测结果见表6。

根据《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1-2004)中规定：采用3m直尺法要求平整度不大于8mm，检测结果均满足要求。

(4)室内无侧限抗压强度

将现场取回的混合料室内成型无侧限抗压试件，在试件标准养护7天后，进行无侧限抗压强度检测，试件无侧限抗压强度满足要求，具体检测结果见表7。检测结果表明：试件无侧限抗压强度均满足规范要求。

(5)弯沉检测

采用贝克曼梁法对试验路段进行弯沉检测，各试验段弯沉检测结果见表8。

(6)现场芯样检测

试验段养护7天后进行现场钻芯取样，具体检测结果见表9。

根据表9可知，水稳混合料级配对其抗压强度影响较大。在5%水泥剂量下，方案3的抗压强度代表值最高达到7.0MPa，方案1的抗压强度代表值最低为5.4Mpa。在6%水泥剂量下，方案6的抗压强度代表值最高达到8.3MPa，方案1的抗压强度代表值最低为6.3Mpa。这说明采用密实混合料可取得较高的抗压强度。

然而，是否存在级配越细，水稳混合料的强度越高呢？为此，本项目增加了200米非试验路段方案(水泥剂量5%,与方案1-方案6不是同天铺筑)。根据表11可知，非试验段抗压强度比方案3低。由于这两个路段不是同时铺筑，芯样强度可能会受天气影响变化，但试验结果一定程度反映了级配过细对混合料强度有不利影响。

(7)裂缝情况

各试验段养护7、14天后进行现场裂缝观测，均未发现明显裂缝。由于观察时间较短且现场气温温差变化小，采用6%水泥剂量的试验段没有出现收缩裂缝。然而，本项目在2017年1月做了不同级配不同水泥剂量的水稳层试验段，水泥剂量为5.5%不同级配的试验段在养生期后不久均出现了密集的收缩裂缝。根据本项目的应用经验，水泥剂量和气温变化对水稳层收缩裂缝影响较大，级配变化对水稳层产生收缩裂缝影响较小。

TJ14合同段水稳层试验段

试验路方案

由于为了比较不同级配、不同水泥剂量水稳层的无侧限强度、铺筑情况及防开裂效果，根据各档料掺配比例不同和水泥剂量不同，共制定5个试验路方案，各试验方案具体情况见表10。

原材料情况

(1)集料

采用李洞隧道洞渣加工生产的19～26.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0～2.36mm 其各项指标如表16。

(2)水泥

采用赣州“海螺P·C32.5R级缓凝型复合硅酸盐水泥，各项指标见表17。

试验路检测结果

(1)水泥剂量检测

施工过程中对底基层混合料水泥剂量检测数据如表18，根据表18可知，试验路水泥剂量控制较好。

(2)混合料筛分结果

现场检测了不同级配试验段的混合料级配，根据表19可知，各试验段混合料级配与目标合成级配数据比较吻合，各关键筛孔通过率变异性较小，确保了试验结果的可信性。

(3)压实度结果

终压结束后分别对各水稳层试验段进行压实度检测，每个段落选3个测点。经检测压实度和厚度检测结果均满足规范要求，具体检测结果见表20。

(4)室内无侧限抗压强度

将现场取回的混合料室内成型无侧限抗压试件，在试件标准养护7天后，进行无侧限抗压强度检测，试件无侧限抗压强度满足要求，具体检测结果见表21。检测结果表明：试件无侧限抗压强度均满足规范要求(底基层强度代表值要求满足设计3-5Mpa，基层强度代表值要求满足设计5-7Mpa)。

(5)弯沉检测

采用贝克曼梁法对试验路段进行弯沉检测，各试验段弯沉检测结果见表22。

(6)现场芯样检测

试验段养护7天后进行现场钻芯取样，具体检测结果见表23。取芯结果看，芯样均完整。

方案1和方案2水泥剂量相同(4%水泥剂量)，方案2芯样抗压强度高于方案1。

方案3、方案4和方案5水泥剂量相同(5%水泥剂量)，方案5芯样抗压强度最高，方案3的芯样抗压强度最低。

根据表23可知，水稳混合料级配对其抗压强度影响较大，级配越细，水稳混合料的强度越高。

(7)水稳层表面状况及芯样剖面图片

由于天气温度变化小，各试验段养生7天后现场没有出现横向裂缝，14天后也未出现横向裂缝。这也说明水稳混合料级配对其抗开裂效果影响不大。

从水稳底基层实体的表面效果来看，方案1的实体表面相对方案2的实体表面离析和松散的现象比较多。从芯样的剖面图来看方案2芯样也比方案1芯样剖面密实。

从水稳基层实体的表面效果来看，方案3表面离析较明显，存在较明显条状、片状离析，局部表面有松散现象。方案4与方案5的表面较密实、平整，基本没有松散和离析现象。综合来看方案4与方案5的表面效果要好于方案3表面效果。

结论

配合比设计是做好路面工作的前提，本项目在施工单位开展水稳基层(底基层)配合比设计前，会同施工单位、检测单位充分探讨并确定配合比设计方案，避免盲目开展配合比设计工作。相对于旧规范，水稳基层施工技术新细则在很多方面存在较大的变化，为检验其在广东省高速公路的应用效果，在水稳层大规模施工前先后试铺了多个试验段(不同水泥剂量、不同级配)，并检测了试验段的各项指标。通过总结试验段的施工经验和各项路用性能，充分肯定了新细则在水稳层施工的实际应用效果，同时对于新细则中存在的一些不足，管理处发文进行了相应调整，从而有效确保了仁新项目的水稳层施工质量。

严格材料分档和单档级配要求

新细则规定特重交通高速公路水稳基层分为五档，本项目为特重交通，将基层集料分为0-3mm、3mm-5mm、5mm-10mm、10mm-20mm和20-25mm。与旧规范相比，将传统的“0-5mm”集料细分为“0-3mm”和“3mm-5mm”，可较好控制水稳基层混合料关键筛孔4.75mm和2.36mm通过率，从而确保基层混合料的均匀性。

省内多数高速公路项目“重面层，轻基层”，对水稳层单档级配要求较低，只要水稳层合成级配能够满足规范的级配范围内即可，往往由于单档级配关键筛孔通过率波动较大，导致水稳层配合比设计迁就集料生产，甚至导致配合比设计失去实际意义。例如，为了追求高利润，不少石场在10-20mm石料中掺入一定比例的瓜米石，如果项目忽视对单档级配控制，混合料的级配均匀性就很难保证。

本项目严格控制水稳层集料单档级配，各档集料关键筛孔通过率不符合规范要求的，禁止进入水稳拌合站备料区。由于本项目水稳层各档集料级配关键筛孔通过率均符合规范要求，水稳层混合料的级配变异性显著减少(合成级配大于0.075mm关键筛孔通过率波动性小于3%，0.075mm关键筛孔通过率波动性小于1%)。图11~图12为2016年10月份检测月报中青山隧道洞渣加工场10-20mm粗集料和0-3mm细集料关键筛孔通过率曲线(由于篇幅原因，仅选择该两档集料作为范例)。

优化水稳层集料级配

传统水稳基层配合比设计强调所谓的“骨架密实结构”，为避免水稳基层出现开裂，我省多数高速公路项目基层混合料合成级配曲线4.75mm通过率要求在30%以下。新细则强调水稳层密实性的重要性，提出了C-B-1的级配范围。由于该级配在我省没有应用先例，各参建单位对于应用新细则顾虑较大，担心级配变细会出现过多的早期裂缝。

为了科学选择水稳层集料级配，本项目做了不同级配的水稳基层试验段。根据试验段实施情况看，水稳层裂缝与集料级配关系并不密切。试验段各级配均能取出完整芯样，细级配路段芯样较为密实，粗级配路段芯样存在较多孔洞，芯样底部相对强度较低。根据试验路结果，水稳基层(底基层)混合料合成级配4.75mm通过率建议控制在33%~38%,0.075mm通过率控制在3%~5%。此外，由于新细则级配范围过窄，如果项目完全按照新细则推荐的级配范围进行配合比设计，实际施工中水稳混合料部分筛孔通过率将很可能不在规范范围内。为了确保工程质量，仁新管理处发文给出了水稳层不同筛孔的允许波动范围，混合料各筛孔通过率如果在目标级配曲线波动范围内的视为级配合格。

合理选择水泥剂量

新细则认为半刚性基层材料的强度与收缩开裂没什么必然联系，所以不再限定最大水泥剂量，并大幅提高了水稳基层无侧限抗压强度(特重交通高速公路基层强度范围为5～7MPa)。由于新细则对水稳基层强度标准改变较大，各参建单位对于采用较大水泥剂量有所顾虑，担心出现过密的基层开裂。

为科学选择水稳基层水泥剂量，本项目做了不同水泥剂量的水稳基层试验段。试验结果表明：如果水泥剂量小于6%且养生期气温不出现显著变化时，水稳基层不会出现较密的横向收缩裂缝。为避免出现过多的基层开裂，水稳基层水泥剂量建议不超过5.5%。对于拟采用较高水泥剂量的水稳基层，可采用分块、切缝等有效措施来避免或减少基层早期开裂。同时，水稳基层的水泥剂量不应过低，否则基层强度难以满足新细则要求，不利于改善沥青面层与基层的结合，也不利于基层整体性的形成，更易导致路面非正常损坏。水稳基层水泥剂量最佳比例应根据道路交通等级、施工期气温变化、水泥类型、无侧限强度和试验路实际情况等综合确定，主要通过优化碾压工艺、混合料级配等提高水稳基层无侧限抗压强度，不能采用片面增加水泥剂量来提高基层强度。

重型击实法与振动成型法

新细则推荐半刚性基层配合比设计重型压实法，这与许多高速公路项目采用振动成型法很不一致。新细则不推荐振动成型法，基于以下理由：1)对于半刚性基层，确定最大干密度和最佳含水量这两个参数，对于强度和抗裂性有直接关系，而这两种方法如果压实功相同，得到这两个参数结果差不多，所以这两种方法无所谓优劣；2)关于工程界认为振动压实方法比重型击实的强度高、水泥剂量低、抗裂性好的观点，关键原因为两个试验方法压实功不等效，常常是振动压实功大于重型击实功。此外，国内振动压实设备、型号很多，很难比较。3)国内一些工程采用非标准振动试验方法，工程中存在难碾压的问题。4)重型击实法是几十年来普遍应用的方法，很多科研和实验资料都是基于此，若改成振动成型方法不利于成果的延续和继承。

本项目水稳基层配合比同时做了振动成型法和重型击实法，试验结果表明：振动成型法最大干密度一般比重型击实法最大干密度大1~2%，但振动成型法的试件强度明显大于重型击实法的试件强度。考虑我省不少施工单位和检测单位试验室未配备振动成型仪且振动成型试验相对重型击实试验过于复杂，本项目水稳基层试验方法仍采用重型击实法，基层最大干密度采用重型击实法确定的最大干密度乘以两个试验方法最大干密度比值，其实质是提高了基层的压实度标准。新细则建议特重交通高速公路基层和底基层的压实度标准提高1~2个百分点，本项目的做法与新细则规定实际是一致的，不但避免为提高基层强度采用过大的水泥剂量，又确保基层强度满足规范要求。

水稳层层间水泥浆撒布新工艺及新设备

在路面施工过程中，为了提高层间结合，增强基层、底基层整体性，规范要求基层、底基层层间粘结采用水泥浆粘结。为了使水泥浆能均匀地撒布在水泥稳定结构层的表面并具有一定的渗透深度，同时粘结强度能满足要求，这就对水泥浆的水泥用量，水泥浆的流动性以及可施工性提出了具体要求。水泥浆中水泥量太少，强度低，达不到粘结的效果。水泥量高，水泥浆稠度高，不能满足现有机械设备撒布施工的要求，同时也不经济。

我省高速公路水泥浆撒布通常采用人工撒布和机械撒布两种方式。常规机械撒布设备相对简易，通过搅拌轴预混水泥浆，施工过程中时间长了易沉淀、凝结堵塞撒布管道，清理比较麻烦。撒布时水泥浆必须再适当稀释，造成水泥浆稠度达不到预想的效果，最终结果层间粘结效果不太理想。而常规的人工撒布比较费人工，易产生扬灰，存在撒布不均匀的现象。

(1)水泥浆人工撒布新工艺

为了确保水稳层间粘结效果，本项目提出了新的人工撒布工艺，具体过程如下：

①首先根据施工面积计算及设计值，每断面均匀的布置袋装水泥。

②对清理过的工作面首先进行洒水湿润；

③对湿润过的工作面再采用人工均匀铺洒水泥粉；

④对人工撒布完的水泥粉再进行适当洒水(洒水不宜过多，否则容易造成水泥浆冲走)

⑤对局部水泥浆不均匀的部位人工采用扫把进行涂刷扫匀。

⑥每一作业段根据施工进度和天气情况，合理控制撒布长度，避免撒布长度过长，水泥浆过早干掉。

实施效果：

人工撒布水泥浆新工艺最先在TJ14标全面推广，水泥用量为1.5kg/㎡。人工撒布后，芯样层间的粘结效果较好，层间粘结率达到66.6%。芯样图片如下：

(2)水泥浆机械撒布新设备及其撒布工艺

1)新型撒布设备

为保证上下基层之间的有效粘结，提高水稳基层整体受力的完整性，应在上下基层之间洒布水泥净浆，水泥净浆采用与基层一致的水泥，即P.C 32.5R级缓凝型复合硅酸盐水泥。为提高水泥浆撒布施工效率与精度， TJ14合同段研发了全自动水泥净浆撒布车进行上下基层之间水泥净浆的撒布。

全自动水泥净浆撒布车底盘主发动机提供撒布行走动力，同时通过车速传感器将行走车速传输至全自动水泥净浆撒布车控制系统，由副发动机带动液压油泵，通过比例阀调节，为输料马达和计量马达提供动力。

根据施工需要，在控制系统内设定每平方撒布重量，控制系统通过车速、撒布宽度、设定的撒布量、称重系统实时重量、输料固定值A及计量固定值B(根据撒布车机械结构设计，每一套输料系统运行一周的出料量为固定值A，每一套计量系统运行一周的出料量为固定值B)进行智能运算，输出控制信号，控制输料系统比例阀及计量系统比例阀的开启量，进而控制输料系统马达和计量系统马达转速，通过均整器将物料均匀撒布在施工路面。输料系统马达及计量系统马达分别装有转速传感器，可以实时将输料系统马达转速及计量系统马达转速反馈至控制系统，控制系统接收到转速传感器反馈的信号，结合称重系统传递的物料重量信号与实时车速信号，智能换算并发出控制指令至输料马达比例阀及计量马达比例阀以实现精准控制撒布量。

洒水部件是设置在均整器前后的不锈钢立板，表面焊有均匀平整的小立板。通过精密控制，喷水落下形成水幕，灭尘润湿的同时能更好地把撒布水泥黏合成浆。此设计巧妙地将节水、灭尘、泥黏结合在一起，洒水与水泥撒布同步进行，形成优质的水泥净浆。洒水分两部分，撒布车水泥撒布装置前后各装一个洒水部件，先洒一遍水，紧接着撒布水泥，最后再洒一遍水，以保证水泥和水掺和形成浆。

全自动水泥净浆撒布的均整器可自动调节角度，撒布的出料口可直接接触结构层面并以10cm高出料。自动计量装置的出料口落料到各自对应的接料口，均整器和计量装置的壳体之间密封良好，可避免飞扬粉尘，起到环保作用。并可通过增加计量器个数，减小体积，加密格子，使控制重量的精度得到进一步提高。