孟憲武

（山西路橋集團(tuán)國際交通建設(shè)工程有限公司，山西 太原 030006）

在高等級(jí)道路中，無論是瀝青混凝土路面，還是水泥混凝土路面，其下部承重層都是由水泥穩(wěn)定土材料鋪筑而成。雖然道路上部的荷載（包括車輛及其他路上荷載）直接由道路面層承擔(dān)，但道路的經(jīng)典承載理論顯示，水泥穩(wěn)定土基層是道路的主要荷載承受層。特別是瀝青混凝土路面，作用在其上的載荷都要經(jīng)過路面?zhèn)鬟f到下面的水泥穩(wěn)定土基礎(chǔ)。因此，水泥穩(wěn)定土基礎(chǔ)也是抵抗道路面層變形的主要結(jié)構(gòu)層。

1 問題的提出

綜上所述，保證水泥穩(wěn)定土基層的施工質(zhì)量是十分重要的，其中水穩(wěn)基礎(chǔ)的材料組成、拌制工藝和攤鋪質(zhì)量的優(yōu)劣就成為影響高等級(jí)道路總體質(zhì)量和服務(wù)壽命的關(guān)鍵因素。眾所周知，由于水泥穩(wěn)定層處于道路面層的下部（即由上部加鋪的面層所覆蓋），在道路鋪就后的整個(gè)道路服務(wù)期間一般不會(huì)“再現(xiàn)”，因此水泥穩(wěn)定土材料的質(zhì)量和施工問題很容易得到忽視。但作為抵抗道路面變形的主要結(jié)構(gòu)層，其質(zhì)量問題將導(dǎo)致下述結(jié)果：

a）水泥穩(wěn)定層的“不穩(wěn)”導(dǎo)致道路整體承載能力的下降。

b）早期道路病害，如縱橫網(wǎng)裂、坑槽和松散的大量出現(xiàn)。

c）基礎(chǔ)的薄弱和面層病害勢(shì)必導(dǎo)致整個(gè)道路的大面積破壞。

長(zhǎng)期以來，筆者曾參與山西臨離、長(zhǎng)晉和忻黑等多條高等級(jí)道路的工程施工，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量調(diào)查，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定土基層的施工作業(yè)有諸多急需改進(jìn)之處。為了保證水泥穩(wěn)定土基層的施工質(zhì)量，就必須從材料選擇、穩(wěn)定土制備和運(yùn)送、攤鋪施工和后期養(yǎng)生等工序進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和工藝優(yōu)化。

2 水泥穩(wěn)定土基層的原材料

原材料的質(zhì)量，包括嚴(yán)格的級(jí)配要求，是保證水泥穩(wěn)定土混合料總體質(zhì)量的基礎(chǔ)。不同等級(jí)的道路，其水穩(wěn)層的材料組成也不同。一般講，水泥穩(wěn)定土基層是由一定級(jí)配的礫石、砂、水和水泥等材料拌合而成。水泥和水混合產(chǎn)生水化反應(yīng)形成凝膠狀物體，并以此作為黏結(jié)劑[1]，經(jīng)拌合與級(jí)配礫石和砂等固體顆粒材料混合成水泥穩(wěn)定土混合料。為了達(dá)到要求的強(qiáng)度和使用耐久性，水穩(wěn)層所用原材料必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的比例進(jìn)行配比。如在高等級(jí)道路的水泥穩(wěn)定土基層材料配比時(shí)，一般要求路用水泥應(yīng)使用不低于P42.5的早強(qiáng)型硅酸鹽水泥，且水泥的用量應(yīng)大于等于0.3 t/m3。筆者曾參與山西大運(yùn)高速忻州路段的工程施工，由于該路段處于我國北方較寒冷的地區(qū)，無霜期較短，為了盡量增大道路施工周期，改善低溫環(huán)境水泥穩(wěn)定土材料的早期強(qiáng)度，采取上述水泥標(biāo)號(hào)和用量比例是十分恰當(dāng)?shù)?，這已在實(shí)體道路工程中得到成功的應(yīng)用。而水穩(wěn)材料中的細(xì)骨料應(yīng)采用級(jí)配良好的硬質(zhì)中砂（若以塊石粉碎制作，則應(yīng)以酸性石料，如花崗巖、閃長(zhǎng)巖等高硬耐磨石料作為原材料的首選）。砂中的土含量必須小于等于2%。這對(duì)于保證水穩(wěn)材料的制備質(zhì)量是十分必要的。

3 水穩(wěn)材料的拌制和運(yùn)送

作為道路的基層部分，水穩(wěn)材料是由多種材料混合拌制而成。而水穩(wěn)材料的拌制工藝直接影響到水穩(wěn)基層的整體質(zhì)量，為了保證混合料的拌制質(zhì)量，應(yīng)特別注意下述問題。

3.1 采用間歇強(qiáng)制式拌合設(shè)備

目前，用于高等級(jí)道路施工的水穩(wěn)材料均采用強(qiáng)制式攪拌設(shè)備完成。這種設(shè)備分為連續(xù)式和間歇式兩種。前者的進(jìn)料、拌合和出料均為連續(xù)完成，作業(yè)效率較高。但一旦作業(yè)程序輸入完成，在作業(yè)過程中就很難進(jìn)行再控制和再調(diào)整，而拌合過程中各種原材料的摻配受到多種因素的影響，因此其拌合質(zhì)量的控制比較困難。后者為間歇作業(yè)式，其每次進(jìn)料量能夠進(jìn)行較為精確的稱量控制，且各種材料的稱量均可獨(dú)立進(jìn)行，特別是拌合時(shí)間（即物料在拌合裝置中的存留周期）能夠根據(jù)需要方便調(diào)整。這些特點(diǎn)使得水穩(wěn)材料的質(zhì)量容易得到保證。因此，雖然作業(yè)效率相對(duì)較低，但間歇強(qiáng)制式拌合工藝在高等級(jí)道路施工的水穩(wěn)材料拌制工序得到了更為廣泛的應(yīng)用。有鑒于目前我國道路施工單位保有大量的連續(xù)式強(qiáng)制拌合設(shè)備，若將其用于高等級(jí)道路施工，筆者建議應(yīng)特別注意下述技術(shù)條件。

3.2 增加二次拌合工序

眾所周知，材料拌合的均勻性與拌合時(shí)間成正比，他們之間的關(guān)系見圖1所示。

圖1 材料拌合的均勻性與拌合時(shí)間的關(guān)系

水穩(wěn)材料拌制的均勻性應(yīng)達(dá)到96%以上，即拌合后的混合料不允許出現(xiàn)任何白料，各種材料必須均勻地互相裹覆在一起，這就要求材料在拌合機(jī)中的拌合時(shí)間不應(yīng)小于50 s（見圖1）。而連續(xù)式強(qiáng)制拌合設(shè)備的作業(yè)特點(diǎn)決定了其材料的拌合時(shí)間往往小于該值且無法調(diào)整。為了達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)，增加二次拌合工序是必要的。二次拌合工序可采用連續(xù)式，也可以是間歇式，但后者必須增加一套中間集料系統(tǒng)用于初次拌合后材料的收集。中間集料系統(tǒng)應(yīng)具有計(jì)量和自動(dòng)出料功能，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)。其作業(yè)工序?yàn)椋涸牧吓浔燃尤搿B續(xù)式拌合→中間集料、計(jì)量和出料→二次間歇強(qiáng)制拌合。

增加二次拌合工序可使材料的拌合時(shí)間提高一倍左右，水穩(wěn)材料的制作成本相應(yīng)增加20%～25%，但卻有效提高了材料的制作質(zhì)量。如山西大運(yùn)、汾柳等高速公路和207、308、208等國道的水穩(wěn)材料拌制和RCC路面（高碾壓混凝土路面）施工中增加二次拌合工序后均有效提高了拌合質(zhì)量，特別是材料鋪筑后的壓實(shí)密實(shí)度和早期強(qiáng)度得到明顯提高。

3.3 注意保持材料的含水量

我國北方地區(qū)大多地處北緯35°～50°的溫帶，其氣候特點(diǎn)是四季分明，道路施工必須在較為適宜的春末、夏季和秋季進(jìn)行。這些時(shí)節(jié)環(huán)境溫度較高，各種混合料的溫度易于保持，有利于材料的攤鋪、成型和壓實(shí)。但在水穩(wěn)材料的拌合和成品料輸送過程中的水分蒸發(fā)較為迅速。因此，應(yīng)在材料拌合、集料和成品料輸送過程中對(duì)其上部進(jìn)行覆蓋，以減少水分蒸發(fā)，盡可能保持材料的含水量。同時(shí)，增加二次拌合工序后使得材料的拌合時(shí)間（包括中間集料時(shí)間）有所提高，而這些過程通常均為暴露作業(yè)，材料中的水分蒸發(fā)較多。為了保持其合理的含水量，為后續(xù)壓實(shí)工序提供必要條件，亦應(yīng)在原材料配比時(shí)適當(dāng)增加水分加入比例。根據(jù)實(shí)體工程經(jīng)驗(yàn)，一般應(yīng)在原加水比例基礎(chǔ)上增加2%～5%（視環(huán)境溫度、濕度等情況而定）。

4 在面層攤鋪前，應(yīng)對(duì)水穩(wěn)層上部表面雜質(zhì)進(jìn)行徹底清理

道路水穩(wěn)基層鋪筑的結(jié)束，即預(yù)示水穩(wěn)層養(yǎng)生階段的開始。經(jīng)過養(yǎng)生工序（養(yǎng)生時(shí)間依環(huán)境溫度的不同差異較大）的水泥穩(wěn)定基礎(chǔ)才能達(dá)到一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，才能以足夠的表面承載能力接受加鋪在其上部的道路面層。由于水泥穩(wěn)定基層鋪筑時(shí)的工程施工質(zhì)量（包括原材料的質(zhì)量和級(jí)配的合理性）及養(yǎng)生期間各種環(huán)境的影響（包括灑水的數(shù)量和均勻性、表面覆蓋保濕的有效性、作業(yè)施工車輛的早期碾壓及各種自然光候的影響等），水穩(wěn)層表面會(huì)出現(xiàn)很多不應(yīng)有的各種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)有些是懸浮于面層上的松散物料，有些是黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)。前者是松散物質(zhì)，后者與路面有一定的黏結(jié)強(qiáng)度，因此其在水穩(wěn)基層表面的存在狀態(tài)極不穩(wěn)定。若無視這些雜質(zhì)在水穩(wěn)基層上部直接鋪設(shè)道路面層材料，則極易產(chǎn)生弊端。

4.1 產(chǎn)生的弊端

a）雜質(zhì)存在狀態(tài)的不穩(wěn)定會(huì)形成一個(gè)介于道路水穩(wěn)基層和上部面層之間的雜質(zhì)夾層，使本應(yīng)良好結(jié)合的承重層和磨耗層之間存在互相滑移的趨勢(shì)而失穩(wěn)。由于面層和基層難以形成整體強(qiáng)度而分別受力，因此當(dāng)?shù)缆飞喜渴艿捷^大的荷載時(shí)，面層會(huì)因受力不勻而變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)大面積斷裂[2]。

b）在尚未形成一定的強(qiáng)度前，水穩(wěn)層表面具有一定硬度的雜質(zhì)在工程車輛碾壓下會(huì)嵌入水穩(wěn)層內(nèi)部與其混合，從而改變水穩(wěn)材料上部的材料配比和礦料粒徑的級(jí)配，進(jìn)而影響水穩(wěn)基層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

c）由于水穩(wěn)層鋪就和壓實(shí)后與上部面層的攤鋪間隔時(shí)間較長(zhǎng)，各種表面雜質(zhì)的種類也會(huì)多種多樣，尤其是在筆者所在的山西省地處西北山區(qū)和丘陵地帶，也是我國的重點(diǎn)煤炭重化工基地之一，如此環(huán)境使得不少堅(jiān)硬質(zhì)地的煤炭和石料顆粒散落在道路表面。由于這些雜質(zhì)的硬度較大（其中以閃長(zhǎng)巖、花崗巖、玄武巖等酸性石料的硬度更甚），當(dāng)遇到碾壓和其他較大的荷載時(shí)，就會(huì)有相當(dāng)部分被壓嵌進(jìn)水穩(wěn)基層的上部而對(duì)水穩(wěn)層的原有強(qiáng)度造成局部消弱。顯然，這也是道路進(jìn)入使用后早期強(qiáng)度減弱和損壞的重要原因之一。

有鑒于此，在鋪筑面層前對(duì)水穩(wěn)層表面的各種雜質(zhì)進(jìn)行徹底清除是十分必要的。

4.2 清除水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的常用方法

a）以道路清掃設(shè)備（純掃或吸掃式）來完成水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的清除，也可以人工清掃完成作業(yè)。

b）若施工地區(qū)的水資源（地表水和地下水)較為豐富且容易得到，則采用壓力水對(duì)水穩(wěn)層表面雜質(zhì)進(jìn)行沖擊清除。由于施工單位往往保有一定數(shù)量的灑水車，其射水壓力多為0.4～0.7 MPa，單車水容量5～10 kL，能夠以射水方式用于路面雜質(zhì)清除，亦可使這些設(shè)備的利用率得到有效提高。

長(zhǎng)期的工程實(shí)踐表明，上述清除方法的作業(yè)效果尚有很多不盡人意之處，如前者難以較徹底地清除較小顆粒的粉狀物體，而我國北方的山西、內(nèi)蒙和東北地區(qū)多為黃土高原、煤炭和礦石產(chǎn)區(qū)，在運(yùn)輸?shù)缆飞贤斐煞蹱钗矬w的散落和大量聚積，因此表面雜質(zhì)的清除效果較差；后者雖具有相當(dāng)?shù)乃畨簺_洗，但對(duì)某些黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)仍無能為力，而且由于用水較多也造成了水源的浪費(fèi)。近年來，針對(duì)傳統(tǒng)工藝方法的不足，山西省交通系統(tǒng)研發(fā)了以液壓動(dòng)力鋼絲滾刷強(qiáng)制切除、多級(jí)風(fēng)壓吹送為作業(yè)原理的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)快速清除設(shè)備。其整機(jī)采用拖行式整架底盤，可由任何20 kW以上功率的車輛牽引作業(yè)，作業(yè)有效寬度為2 400 mm。整機(jī)主要由柴油機(jī)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力鋼絲滾刷、風(fēng)力吹送系統(tǒng)及其控制部分等組成。專門設(shè)計(jì)了多級(jí)風(fēng)壓吹送結(jié)構(gòu)（圖2）Δ、δ、和ε表示各風(fēng)道的進(jìn)口風(fēng)壓，由于各進(jìn)口與高壓風(fēng)機(jī)直接銜接，則其風(fēng)壓值均處于高位且相等，即Δ=δ=ε；A、B和C、D分別表示風(fēng)道的長(zhǎng)度和寬度。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是各獨(dú)立風(fēng)道與高壓風(fēng)機(jī)的銜接方式能夠保證在較長(zhǎng)的吹送距離上保持較大的吹送風(fēng)壓[3]。作業(yè)時(shí)，先由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的鋼絲滾刷對(duì)道路表面雜質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)力掃除，再由后部的風(fēng)力吹送系統(tǒng)將雜質(zhì)吹出路面。

圖2 前后接力多風(fēng)道吹除作業(yè)原理

由于鋼絲滾刷可將黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)打掉，而后由多風(fēng)道雜質(zhì)強(qiáng)力吹除方式將各種顆粒（包括粉狀物質(zhì)）的雜質(zhì)清出路面，因此能夠較為徹底地完成水穩(wěn)層表面各種雜質(zhì)的清除作業(yè)（各種雜質(zhì)的綜合清除率為98%以上）。目前，這種型號(hào)為SC-2400的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)清除設(shè)備已在山西大（同）運(yùn)（城）高速、忻（州）阜（平）高速和忻（州）（五）臺(tái)等國道的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)清除工程中得到了成功應(yīng)用，有效提高了道路的施工質(zhì)量。

5 總結(jié)

眾所周知，如何保證道路的整體施工質(zhì)量包括很多方面，但水泥穩(wěn)定層的施工是其關(guān)鍵之一。本文基于工程中遇到的實(shí)際問題，從原材料制備、成品料運(yùn)送、水穩(wěn)攤鋪和養(yǎng)生等作業(yè)工序提出了解決問題的方案和意見，相信隨著道路等級(jí)的提高和施工工藝的逐步完善，我國道路的整體建造水平會(huì)更快提高。