我国公路建设之半刚性基层质量控制

1、我国公路建设之半刚性基层质量控制 宋云祥 河南省交通科学技术研究院有限公司主要内容概述半刚性基层的技术要求半刚性材料的特点半刚性基层材料的组成设计施工质量控制水泥稳定材料的抗裂性问题主要内容关于级配设计的说明振动压实试验存在的问题改进措施一、概述1.我国公路建设的发展历程第一阶段，泥结碎石和级配砾石路面 第二阶段，渣油表面处治和石灰土基层路面第三阶段，国内二级以上的公路（含高速公路）几乎全部采用半刚性路面 在1983年召开的世界第十七届道路会议上，将具有水硬性结合料处治层的沥青路面正式命名为半刚性路面。 一、概述2.半刚性基层的定义 在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的无机结合料（包括水泥、石

2、灰或工业废渣等）和水，经拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料 。由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，常称此为半刚性材料。以此修筑的基层或底基层亦称为半刚性基层或底基层。 一、概述3. 基层的类型按材料组成水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定 类、水泥混凝土类、沥青稳定 类、无结合料粒料类；按力学行为半刚性、柔性、刚性按结构组成骨架密实型、骨架孔隙型、 悬浮密实型、均匀密实型二、半刚性基层的技术要求 有足够的强度和刚度有足够的水稳性和冰冻稳定性有足够的抗冲刷能收缩性小有足够的平整度与面层结合良好三、半刚性材料的特点具有一定的抗拉强度

3、 利用圆柱体试件并延其直径方向用接近于线压力进行试验直到破坏，用此法测得的试件抗拉强度称作间接抗拉强度或劈裂强度 环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大的影响 环境温度越高，半刚性材料内部的化学反应就越快和越强烈，因此其强度也越高。 三、半刚性材料的特点强度和刚性都随龄期的变化 随龄期的增长，强度和刚性都会增长，但不同材料增长的幅度不同，同一种材料在不同地区的增长幅度也不同，而且结合料的剂量越大，龄期的影响也越大。 三、半刚性材料的特点干缩特性 体积收缩，影响因素如下：细粒含量和矿物成分（多） 土的塑性指数（大） 水泥剂量（多） 混合料的含水量（大） 暴露时间及失水量（长） 集料的平均粒径

4、（小） 三、半刚性材料的特点温缩特性 影响半刚性基层温缩性质的因素既多又复杂，主要有温差、材料的温缩系数、弹性模量和极限拉应变、基层长度和厚度、阻力系数及材料的徐变等。试验分析表明，选择温缩性小、极限拉应变大的路面材料是控制半刚性基层温缩裂缝的有效措施。因此，要根据本地自然条件、材料性能等，加强基层材料配合比研究工作，而不仅仅局限于按照规范进行设计与施工。三、半刚性材料的特点不足 目前，半刚性基层材料在使用过程中主要存在的问题是：当原材料选择或混合料配比设计不当时，半刚性基层容易出现抗裂性不足、抗冲刷能力不足、抗冻性不好以及与面层粘结差等缺陷。四、半刚性基层材料的组成设计在80年代以前，国内对

5、无机结合料稳定材料不重视其组成设计，或根本不进行组成设计，致使路面结构质量不高。 大量的工程应用实践表明，相当部分的由基层引起的路面损坏现象并非因基层承载力不足，而是由于基层材料抵抗温度或干燥收缩变形或抵抗外来水分冲刷唧浆能力的不足。 四、半刚性基层材料的组成设计半刚性基层用材料结构类型划分悬浮密实型、骨架密实型、骨架孔隙型 划分的标准是粗集料经压实后，粗颗粒间空隙体积与压实后起填充作用的细集料之间的关系。这里粗、细集料的划分是以筛孔尺寸4.75mm或9.5mm作为分界尺寸的。四、半刚性基层材料的组成设计悬浮密实型混合料中细料的压实体积应大于粗集料形成的空隙的体积，即粗集料在压实混合料中处于“

6、悬浮状态”；骨架密实型混合料中细料的压实体积应“临界”于粗集料形成的空隙的体积，粗集料在压实混合料中有一定的“骨架作用”；骨架孔隙型混合料中细料的压实体积则小于粗集料形成的空隙的体积，压实混合料中形成“骨架”的粗集料之间存有一定的孔隙。四、半刚性基层材料的组成设计这几种结构各有其特点：悬浮密实型混合料中的粗集料用量一般在50左右，细集料含量较多，抗弯拉性能较好，适用于各等级公路的基层和底基层。骨架密实型混合料中的粗集料用量一般在75以上，细集料含量较少，压实混合料的嵌挤强度较高，抗裂性、抗冲刷性较好，宜用于高速公路和一级公路的基层。四、半刚性基层材料的组成设计骨架孔隙结构型混合料与骨架密实型混

7、合料相比具有较高的孔隙率，适用于有较高路面内部排水要求的基层。均匀密实型混合料建筑费用较低，可用作二级及二级以下公路路面的基层或底基层，不能用作高速公路和一级公路的底基层。四、半刚性基层材料的组成设计 在现行的沥青路面设计规范中对骨架密实性水泥稳定类基层的集料级配提出了具体的要求：筛孔尺寸（mm）31.519.09.504.752.360.60.075通过量（%）10068-8638-5822-3216-288-150-3悬浮密实性XM骨架密实性GM骨架空隙性GK无侧限抗压强度次之最大最小抗压回弹模量次之最大最小劈裂强度最大次之最小抗折强度最大次之最小抗折回弹模量最大次之最小平均温缩系数最大次

8、之最小平均干缩系数最大次之最小抗冲刷能力最差次之最大四、半刚性基层材料的组成设计四、半刚性基层材料的组成设计粗、细集料分界尺寸及最大粒径 一般将粗、细集料的分界尺寸定为4.75mm，即通过4.75mm筛孔的石料属于细集料，4.75mm以上的石料属于粗集料，粗集料的最大粒径参照目前规范中的级配范围取26.5mm。 四、半刚性基层材料的组成设计混合料组成设计方法1、强度标准确定 本省设计规范规定：1.当累计当量轴次小于1200104时，水泥稳定类基层7d（标准养护条件）龄期无侧限抗压强度为3-4 MPa之间，不得超过5 MPa；水泥稳定类底基层7d（标准养护条件）龄期无侧限抗压强度为1.5 MPa

9、2 MPa，上限不得大于3 MPa。 原材料检验室内试验步骤施工配合比调整四、半刚性基层材料的组成设计2.当车道累计当量轴次大于1200104时，水泥稳定类基层7d（标准养护条件）龄期无侧限抗压强度应在4 MPa5 MPa之间，不得超过6 MPa；水泥稳定类底基层7d（标准养护条件）龄期无侧限抗压强度为2 MPa3 MPa，最大不得大于4 MPa。四、半刚性基层材料的组成设计3.考虑到今后交通量越来越大、重车越来越多。故规定交通量大，重车多时取高值，一般情况取中、低值。）五、施工质量控制原材料的质量 水泥宜采用强度合格的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥以及火山灰质硅酸盐水泥，在保证水泥的安定性合

10、格的前提下，控制初凝时间不小于4h，终凝时间宜为6h-8h的水泥。快硬水泥、早强水泥以及已受潮变质的水泥不应使用。应采用等级较低的32.5水泥在选择水泥厂家的时候，应该选择水泥质量比较稳定，关键是保证水泥批次之间的离散系数比较小。也可以按照本工程的施工特点及工期要求，集中同水泥厂家签订水泥供应合同。不要选择早期强度过高的水泥。五、施工质量控制在保证水泥3天、28天抗折、抗压强度合格的同时，保证3天抗压强度16MPa。水泥收缩比对结果：2008年对某高速选定的三种水泥进行的比对试验。 试验项目水泥编号抗压强度（MPa)抗折强度（MPa)干缩系数（%）3d28d3d28d14d21d28d1号水泥

11、21.4 53.4 4.72 10.2 0.040 0.044 0.068 2号水泥17.8 45.4 4.42 9.5 0.089 0.100 0.124 3号水泥14.6 47.9 3.62 8.3 0.063 0.081 0.092 五、施工质量控制 对集料要求集料颗粒径愈大，拌和机、平地机和摊铺机等施工机械愈易磨损，粗细集料愈易产生离析，铺筑层的平整度也愈难达到要求。施工中应尽可能采用最大粒径较小的集料，以适应机械施工。我国目前对公路路面所用集料的最大粒径规定得较宽，碎石最大粒径应小于31.5mm， 。针片状、压碎值、含泥量等可按混凝土国标等标准控制。注意控制风化石、山皮石含量。细集料

12、中小于0.075mm的含量应不大于10%。石屑应已砂当量指标控制，砂当量应大于45%。级配设计 混合料的级配满足规范要求。但规范给的范围很宽，具体设计时应仔细调整以使混合料结构达到骨架密实结构级配对强度的影响见下表：五、施工质量控制级配对干缩的影响级配对温缩的影响五、施工质量控制五、施工质量控制五、施工质量控制施工工艺水泥稳定碎石基层施工工序质量控制流程 五、施工质量控制碎石材料料 仓自动计量料强制式拌和机拌和自卸汽车运料至路槽内原材料抽检水 泥自动加水路槽施工放样路两侧立模板下承层检验修整下承层拌和料摊铺 人工整平压路机碾压 洒水养生分项工程完工验收施工放样检验取现场拌料制作10 x10试件

13、测强度检验松铺厚度检验压实度、压实厚度分项工程自检监理抽样与鉴认评定质量等级五、施工质量控制拌和质量控制要点摊铺质量控制要点压实质量控制要点养生质量控制要点接缝处理质量控制要点五、施工质量控制拌和质量控制要点(1)计量准确，以保证混合料的级配及用量满足施工配合比要求。不允许认为随意调整比例。(2)料仓加高边，防止窜仓，或采用小型装载机，或给装载机加收边。(3)拌合用水要合适，依据天气、运距适当调整含水量，材料应覆盖。 （4）必要时从出料口取拌好的混合料，做水泥剂量测定及筛分试验。五、施工质量控制摊铺质量控制要点(1)摊铺混合料时应尽量避免粗、细料离析。(2)调整摊铺机侧挡板、底板距离、振实挡位

14、、型号、注意收斗频率、螺旋布料器深度、倒料、运输、接料等 （3）在施工作业段内，用摊铺机摊铺混合料时，中间不宜中断。如因故中断超过了初凝时间应设施工缝。 (4)因故超过水泥初凝时间的混合料，不宜使用。(5)摊铺时取现场的拌和料制成15x15的圆柱体试件，做7d龄期饱和抗压强度试验，并满足强度标准要求。(6)现场平整度可用6米直尺，随时用插纤检测厚度。 （7）摊铺前对下层处理。五、施工质量控制压实质量控制要点(1)压实是基层、底基层的强度形成阶段。用振动压路机在规定的初凝时间内将混合料一次碾压密实，并达到要求的压实度。 (2)超过终凝时间未能碾压的混合料，应予以铲除。(3)检查压实度及压实厚度，

15、并达到规定的技术要求。 （4）压路机仅跟摊铺机、阶梯型前进利于平整度控制，由轻至重避免沟槽出现，碾压遍数必须保证。 （5）禁止车辆在正在施工的层面上调头或急刹车。五、施工质量控制养生质量控制要点(1)每一段碾压完成并经压实度检查合格后，应立即开始养生。 (2)对于高速公路基层的养生期不宜少于7d，有条件的最好养生14d以上。 (3)养生的方式有很多种，如洒水、薄膜覆盖、土工布覆盖等。五、施工质量控制影响水泥稳定材料强度的因素 土质、水泥成分和剂量、成型含水量、工艺过程、养生条件等土质的影响 土的矿物成分对水泥稳定土的性质具有重要的影响。除有机质或硫酸盐含量高的土以外，各种砂砾土、砂土、粉土和粘

16、土均可用水泥稳定，但是稳定效果不同。 一般限定适用范围为土的液限不大于40，塑性指数不大于20。 五、施工质量控制水泥的影响 对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥土强度的主导因素。在通常的情况下，硅酸盐水泥的稳定效果较好，而铝酸盐水泥则较差。 当水泥的矿物成分相同时，水泥土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。 水泥土的强度一般地随着水泥剂量的增加，水泥土的强度增加，不存在最佳水泥剂量。存在一个经济用量。 五、施工质量控制含水量的影响 当水泥稳定土混合料中含水不足时，水泥就要与土争水。 水泥正常水化所需要的水量约为水泥重量的20%。成型工艺影响 水泥、土和水拌和得愈均匀，水泥土的强度和稳定性

17、愈高。拌和不均匀会使在水泥剂量少的地方强度不能满足设计要求，而在水泥剂量多的地方则裂缝增加。 从开始加水拌和到完成压实的延迟时间，对水泥土的密实度和强度有很大的影响。 五、施工质量控制水泥稳定土不同延迟时间成型的最佳含水量、最大干密度试验结果表明：（1）在不同水泥剂量下均随着延迟时间的增加，水泥稳定土的最佳含水量在增大，最大干密度在降低。并且，随着延迟时间的增加，最大干密度的降低幅度在增大。（2）同一种土，相同延迟时间条件下，随着水泥剂量的增加，最大干密度降低幅度减小。五、施工质量控制混合料延迟成型时间对抗压强度的影响：（1）两种土质在不同水泥剂量下均随延迟成型时间的加长，7天龄期的抗压强度降

18、低，并且，强度损失幅度随延迟成型时间的加长而增大。（2）同一种土，相同延迟时间条件下，随水泥剂量的增大，抗压强度仍增大。但随着水泥剂量的增大，强度损失幅度减小。五、施工质量控制养生条件影响 水泥稳定土需要湿治养生，使在混合料中能维持足够的水分，以满足水泥水化的需要。养生温度愈高，水泥土的强度增长得愈快。 六、水泥稳定碎石抗裂性问题六、水泥稳定碎石抗裂性问题 水泥稳定碎石材料的收缩性能取决于材料的组成配比，合适的材料配合比可以显著地减少结构层的收缩和增加结构层的抗裂性。水泥稳定碎石的级配和水泥剂量的变化将影响其温缩、干缩性。水泥稳定碎石干燥收缩特性 水泥稳定碎石材料的干燥收缩系数随含水量的变化是

19、一近似凸型抛物线，有一最大干燥收缩系数。水泥稳定碎石材料，大约在含水量为14时，干燥收缩系数最大。 六、水泥稳定碎石抗裂性问题最大干燥收缩系数对应含水量与配合比的变化关系 最大干缩系数所对应的含水量随集料变粗逐渐减小。 最大累计干缩应变和平均干缩系数随配合比的变化规律 累计干缩应变、平均干缩系数按照:上限从下顶到上底中限从上顶到下底下限的顺序在逐渐减小。六、水泥稳定碎石抗裂性问题 小于0.075mm以下的填料含量所决定的干缩力对干缩系数的影响大于级配类型对干缩系数的影响。 干缩性与集料的级配类型也有一定的相关性。 水泥稳定碎石材料干缩系数随龄期增长的变化规律 随龄期的增加，同一配合比的水泥稳定

20、碎石材料的干燥收缩值在变小。六、水泥稳定碎石抗裂性问题水泥稳定碎石材料干缩系数随水泥剂量的变化规律 相同龄期，相同配合比的水泥稳定碎石材料随着水泥剂量的增加，干缩系数增大。 六、水泥稳定碎石抗裂性问题水泥稳定碎石温度收缩特性 分析温度收缩系数测试结果，可得出以下规律： 各龄期材料的温度收缩系数随温度区间的变化规律 高温区060的温度收缩系数大于低温区-300的温度收缩系数。并且，随着温度的下降，温缩系数有减小的趋势。温度收缩系数随集料级配的变化规律 上限从下顶到上底中限从上顶到下底下限六、水泥稳定碎石抗裂性问题不同龄期而相同配合比的水泥稳定碎石材料的温缩规律 从28天龄期到90天，温缩系数增加

21、明显，从90天龄期到180天，温缩系数增加幅度较小。 相同配比、不同水泥剂量的水泥稳定碎石材料的温缩规律 六、水泥稳定碎石抗裂性问题防止开裂的措施控制集料中细料的含量和塑性指数，以减少集料中的粘土含量，混合料中通过0.075mm筛孔的颗粒含量最好小于3。控制水泥的早期强度不过高。在达到强度标准的前提下，采用最小的水泥剂量。六、水泥稳定碎石抗裂性问题改善集料级配，减少水泥用量，使水泥剂量不大于5%。控制施工碾压时的含水量不超过基层施工规范所规定的值。水泥稳定基层养生结束和喷洒透层沥青或做下封层后，应立即铺筑沥青面层，保护基层混合料不使其过分变干和产生干缩裂缝。七、关于级配设计的说明原则 基层配合

22、比设计案无侧限抗压强度试验方法满足设计要求的配合比。混合料级配 根据公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006），高速公路的基层或上基层宜选用骨架密实型混合料，因此，级配采用规范中表6.1.6-2推荐的范围。 水泥稳定碎石基层的最大通病是易于产生收缩裂缝，易对沥青路面形成反射裂缝，为了减少和减轻收缩裂缝的产生，通过研究对规范给定的级配范围进行了优化，提出“S”型级配。八、振动压实试验 振动压实试验是一种模拟现场压路机工作原理的实验方法，新颁布的公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTG E51-2009对试验方法进行了详细地描述。有以下几点应注意：压实机的标准：不仅仅是满足静压力和激振力就可以了，不同的仪器应通过变换不同的参数进行试验，确定最佳的压实效果。操作过程：压头跳起状态、出浆状态试件成型过程：高度控制振动击实标准是标准击实的1.01-1.05倍。最佳含水量小，减少干缩。水泥剂量减小，强度增加。九、存在的问题原材料质量石料来源不稳定碎石含泥量大，粒径尺寸不稳定石屑含泥量较大料场有积水，未硬化、整平 施工过程控制 施工组织不细致、准备工作不充分，如：模板不够用，前后场的沟通不及时；作面准备不充分，如：路床上有软泥、工作面上洒水过多九、存在的问题 九、存在的问题摊铺拌和机与摊铺机的生产能力应互相匹配。当采用两台摊铺机并排摊铺时，两台摊铺机的型号