1、干旱寒冷高原地区路面水泥稳定砂砾基层施工技术干旱寒冷高原地区路面水泥稳定砂砾基层施工技术技 术 报 告第一章 项目概述1工程概况国道215线察尔汗盐湖至格尔木段高速公路D标段位于青海省海西州格尔木市境内，是国家高速公路网中横线-连云港霍尔果斯高速公路柳园至格尔木联络线重要组成路段。项目所在地海拔高度26002800m，属大陆高原气候，高低温循环变化且昼夜温差大、干旱、多风，冬季漫长寒冷，夏季凉爽短促，降雨量年平均仅41.5mm，蒸发量却高达3000mm以上。项目管段内为盐渍土地段，盐渍化程度较为严重。本合同段起讫里程桩号为K591+700K630+000,YK600+500YK601+561.
2、83，标段总长39.670Km。水泥稳定砂砾基层设计长度39.670Km，设计厚度20cm。2总体施工方案概述由于本合同段位于西北青藏高原特殊的地理位置及地处干旱寒冷气候条件下，为确保水稳砂砾基层的施工质量及施工进度，在干旱寒冷高原地区水稳砂砾基层施工中采用小循环流水快速施工法，根据现场多风且风大等施工情况，合理划分施工段落，以50m为一个施工段落进行碾压，保证在混合料最佳含水量的情况下达到压实状态；根据拌合站的距离及天气情况随时调整混合料的含水量，保证混合料的最佳含水量；根据西北高原地区昼夜温差大的自然状况，在水稳砂砾基层混合料中添加特制早强剂，使路面填料的早期强度尽快形成，缩短养生周期，实
3、现快速施工，以提高路面结构层的防冻性。水稳砂砾基层混合料采用厂拌法施工，采用WCD600型拌合站拌合，ABG423型摊铺机双机联铺，碾压采用1+2+1组合进行碾压，即采用1台双钢轮压路机、2台单钢轮压路机、1台胶轮压路机的组合方式。第二章 国内外研究现状国内外曾对干旱寒冷地区路面结构、材料及施工技术进行了研究，但在路面使用过程中仍出现多种病害，严重影响路面的正常使用。在国内，西安公路研究所、重庆交通学院、同济大学等单位对半刚性材料进行了大量的室内外试验研究。目前我国公路界学者对半刚性基层的抗冻性及收缩的机理、防治措施、材料组成等进行了大量的研究，然而大多数考虑的是季冻区的抗冻和收缩，干旱寒冷高
4、原地区气候因素对路面性能的影响较季冻区更严重及复杂些。1低收缩半刚性基层材料组成研究现状国内著名的学者张登良教授研究得出：(1)半刚性基层的温缩系数是由各组分的体积弹性模量、温缩系数以及占总量的比例来决定的；(2)当不同含水量的半刚性基层混合料试件都保持封闭、含水量不变时发现：水泥稳定粒料类的温缩性石灰稳定粒料类的温缩性石灰粉煤灰稳定粒料的温缩性；在水泥稳定类基层中掺加连续级配的集料，能够显著改善混合料的温缩性；经过对比分析发现有对应最小温缩系数的最佳水泥剂量。 西安公路研究所提出，半刚性基层的材料组成设计指标过于单一，针对基层材料的组成设计方法应当不仅要考虑强度指标，还应考虑约束收缩的性能指
5、标。并经过大量干缩试验得出：水泥稳定粒料基层混合料中，粒料呈悬浮结构的较嵌挤结构的干缩系数要大得多；粒料含量为80的混合料能够表现出良好的综合强度指标和抗收缩性能。 重庆交通学院则比较关注实际施工中遇到的问题，其认为应当综合考虑施工操作性、经济性、混合料的强度抗收缩性等综合性能。水泥稳定粒料类基层施工中较常见的问题是粗细集料的离析。粒料的比例同时影响着混合料强度与抗收缩性，比例过大则施工中易出现离析现象，粒料比例过小则容易产生收缩裂缝。在国外，水泥稳定砂砾在路面工程中的应用受到普遍重视，对水泥稳定砂砾的研究起步较早，对半刚性材料的强度、收缩特性等路用性能做了大量的研究工作，取得了不少有价值的成
6、果。美国KP乔治等人研究了水泥稳定土的干缩特性，并对影响水泥稳定土收缩应变的显著性因素进行深入分析： (1)小于0.002mm粘粒含量对水泥稳定土的干缩性影响很大。在其它条件相同情况下，此粒径以下的粘粒土愈多，水泥稳定土收缩愈大；并且水泥稳定土的干缩量增加的速度大于粘粒含量增加的速度。 (2)在基层施工中要严格控制含水量。基本呈现出试件含水量愈大，干缩应变愈大的规律。 (3)改进压实方法可降低干缩应变。试件密实度越大干缩应变愈小。 (4)对水泥稳定土可找出一个干燥收缩最小的最佳剂量。土的种类不同，对应的最佳水泥剂量也不同。(5)养生期。基层养生的好坏直接影响着水泥稳定粒料基层摊铺初期的干缩量。
7、基层的养生不仅指养生时间的长短，还在于养生的质量。总结国内外学者对水泥稳定类基层材料收缩情况的研究成果：半刚性基层的温缩系数是由各组分的体积弹性模量、温缩系数以及占总量的比例来决定的；有对应最小温缩系数的最佳水泥剂量；小于0.002mm粘粒含量对水泥稳定土的干缩性影响很大；含水量、压实度以及养生情况都对水泥稳定类混合料试件的干燥收缩有直接影响。2低温早强半刚性基层材料组成研究现状 目前解决水泥稳定砂砾基层材料强度的问题都借鉴水泥混凝土的做法。从本质上讲就是提高胶结矿物含量、胶结物与集料粘结强度的问题，其实质与提高水泥混凝土的强度问题是一样的。由于水泥混凝土应用的广泛性，国内关于水泥混凝土的早强
8、问题已有大量的研究，而公路行业中水泥稳定砂砾基层早强技术的研究还不够成熟，有待完善和深入。尤其是早强剂的种类和早强效果方面明显改进的做法还比较保守，在兼顾提高早期强度的同时，能够改善混合料的抗干、温缩性能是梦寐以求的效果。根据相关资料报道，许多国家为实现路面混凝土的早强，大多采用特殊的胶结材料或特殊的施工工艺，如特种水泥、微波加热、隔热养护等，也有使用外加剂的，但存在早强效果不太理想或成本较高的问题。 总结国内外学者对水泥稳定类基层材料提高早期强度情况的研究成果：加入早强剂能够显著提高水泥稳定碎石基层的早期强度，且得到较广的应用；早强剂对混合料试件的抗收缩性能影响大小因早强剂种类与工艺的不同而
9、差别较大；目前开发的早强剂种类与工艺尚不够全面深入，且效果有待于进一步考察；对生产工艺方面的改进考虑不够，即使是已经发明的早强剂，其生产品质方面仍待加强。综合以上低收缩、早强研究现状，可以看出：水泥稳定类基层作为路面基层材料，其干温缩性能良好；低温下掺加早强剂实现水泥稳定砂砾基层强度尽快形成可行。但针对干旱寒冷高原地区的气候特征，水泥稳定砂砾基层需要进一步深入研究适宜高原干寒地区的材料级配类型、级配范围及早强特性。我公司开发的干旱寒冷高原地区水稳砂砾路面基层快速施工技术，可有效提高干旱寒冷高原地区水稳砂砾基层早期强度的形成，缩短施工时间，实现了干旱寒冷高原地区水稳砂砾基层研究和施工技术的新突破
10、，其施工技术在国内处于领先水平。第三章 配合比设计研究1干寒地区影响基层收缩的气候因素干寒地区水泥稳定砂砾基层材料受环境影响的收缩变形从施工顺序上可划分为两个阶段：沥青混凝土面层末覆盖以前，在干寒地区低降水量高蒸发量、以及养护缺水的环境因素下，施工早期是以干燥收缩为主的阶段；基层施工完毕，覆盖了沥青而层后，干燥收缩已处于稳定阶段，此后是以低温收缩与昼夜温差产生的温度收缩作用为主的阶段。总之，严重影响干寒地区水泥稳定砂砾基层的环境因素主要有温度和湿度两个方面，风场只是对这两个因素作用的强化，现就这两方面的气候影响因素具体介绍 (1)高低温循环变化水泥稳定砂砾在高温时水分会迅速蒸发，当含水量超过最
11、佳含水量越多混合料产生的干燥收缩就越大，体积收缩现象严重。有实验表明，水泥稳定粒料混合料在摊铺初期产生的于缩应力可以高达1 3MPa。因此，最普遍的情况是在睃结料少或者粘结力弱的混合料处就会出现干缩应力大于胶结界面抗拉强度，进而产生收缩裂缝。当温度开始降低，混合料颗粒的体积开始收缩，各组成材料的收缩情况可参考表1可以看出，胶结物的热胀缩系数明显大于原材料的，也进一步表明水泥水化产生的胶结物在混合料成型初期固化水分蒸发是基层干燥收缩的主要原因。表1 水稳类材料基层各组分热涨缩系数成分热涨缩系数（10-6/）原材料土中原生矿物0.912土中次生矿物氧化物/粘土矿物8.39.3/较大集料513胶结物
12、CaCO3625Ca（OH）29.833C-S-H凝胶C-A-H、C-A-H结晶1020 当高低温循环变且变化速率快间隔时间短的情况下，粒料界面经历温度应力的反复作用将会疲劳开裂。高低温循环变化对半刚性基层材料的影响在我国很多地区都有所体现，但在干寒地区尤为突出。由于青海气候干燥且交通量适中，路面主要的病害就是裂缝。对于面层的开裂尚可列为日常养护或中小修，但是半刚性基层本身的裂缝就直接导致了大修，因为其本身的裂缝反射到面层、面层开裂进水导致基层进一步开裂这样的循环最终导致结构性破坏，路面使用性能严重下降。(2)苛刻的水分条件就青海省而言，其境内绝大部分地区年降水量在400mm以下，且晴日多蒸发
13、强，大气中水分稀少，导致降水量远远低于年蒸发量。严峻的水分条件严重影响着施工阶段能否得到良好的压实度、较充分的进行水化作用、养生、继而形成适宜强度。(3)低温研究表明，低温持续的时间以及降温的速率对半刚性基层的收缩、强度呈现显著影响。持续低温的环境为半刚性基层内部已经形成的干缩微裂缝进一步扩展提供了契机。水泥稳定砂砾基层在急剧降温的过程中产生低温缩裂，当面层本身已经存在裂缝时，裂缝向上扩展贯穿整个基层部分而完全失去抵抗拉应力的能力。综上所述为提高结构耐久性，防止裂缝，水泥稳定材料的选定及施工工艺应结合所处环境，采用性能指标满足环境要求的高性能水泥稳定材料。水稳层指标应符合公路路面基层施工技术规
14、范JTJ034-2000的各项规定。选用的原材料应有供应商提供的出厂检验合格证书，并应按有关检验项目、批次规定，严格实施进场检验。 2原材料的检验及选定2.1水泥水泥技术符合通用硅酸盐水泥GB175-2007关于P.C 32.5复合硅酸盐水泥的有关要求。水稳砂砾层用水泥采青海海西化工建材股份有限公司生产的32.5级复合硅酸盐水泥，经试验各项主要技术指标均符合要求，其试验结果见表2。表2 复合硅酸盐水泥技术指标序号项 目技术要求试验结果1三氧化硫含量，3.50.82氧化镁含量，5.02.13氯离子，0.060.014碱含量，0.600.35凝结时间，min初凝4580终凝6001946安定性合格
15、（沸煮法）合格7抗压强度 MPa3d10.013.628d32.538.78抗折强度，MPa3d2.54.128d5.58.09细度(用比表面积表示)，%101.42.2粗、细集料选用集料的选用本着运距长短、经济性合理的原则，采用格尔木小岛砂砾场产天然砂砾和砾石，本项目集料采用砂砾0-31.5mm、砾石10-31.5 mm两种规格，同时作为重要的组成部分，要求必须洁净，无杂质，颗粒级配符合JTG E42-2005规范的要求，还需要控制小于0.075mm颗粒含量，防止因集料过细或含泥量过大使结构层产生裂缝，并影响结构层的强度，具体各种试验指标见表3。表3 集料技术指标序号项 目技术要求试验结果1
16、压碎值，30152针片状颗粒，20113含泥量，314小于0.075 mm颗粒含量-5.72.3干寒地区水泥稳定砂砾基层混合料级配类型及其适用性 干寒地区水泥稳定砂砾基层的力学及路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。在干寒地区气候因素作用较大的情况下，结构的各项力学特性和路用性能也随之发生变化。（1）目前混合料级配类型目前公路界学者普遍认同半刚性基层混合料结构按照材料组成结构特点的不同分为四种类型，划分为均匀密实结构、悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙结构。现将各种混合料级配类型介绍如下：1均匀密实结构均匀密实结构主要指无机结合料稳定细粒土类材料组成的混合料。公路土工试验规程指出，细粒土
17、指的是试件中细粒组质量大于总质量50的土，可以都是按照塑性图对其进行分类的。划分依据是以扰动土的两个塑性指标为依据的，它能较好的反映土粒与水相互作用的一些性质，对以土为工程主要材料时不失为一个良好的方法。2悬浮密实结构以水泥稳定类材料为例，公路沥青路面设计规范规定基层水泥稳定类集料的级配范围见表4。表4 基层水泥稳定类集料的级配范围 通过下列方筛孔(mm)的质量百分率()规范要求37.531.5199.54.752.360.60.0751009010060802949153262005 此类水泥稳定混合料的级配结构是按照最佳密实构成的原理的连续型密级配。悬浮密实结构混合料中集料级配按照“松排骨
18、架，紧密填充”的原则设计，固体颗粒按照粒径大小有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大，孔隙最小的混合料，犹如粗集料孤立的悬浮在细集料中。这种级配结构强度是以不同粒径的的集料和水泥之间的粘结力为主、以集料颗粒之间的嵌挤力和内摩擦阻力为辅而构成的。3骨架密实结构骨架密实型混合料须满足两个条件：粗集料充分嵌挤形成骨架结构；小于4.75mm以下的混合料充分填充骨架的孔隙使混合料密实，细集料主要起孔隙填充作用，因此粒径不宜过大，细集料粒径小一些更能提高骨架一密实级配的稳定性。骨架密实型水泥稳定类基层集料的最大粒径不大于31.5mm，规范推荐骨架密实级配范围如下：表5 骨架密实级配范围项目各筛孔通过
19、率（%）31.5199.54.752.360.60.075规范要求10068-8638-5822-3216-288-150-3半刚性基层混合料中的结合料和集料中小于“0.075mm的颗粒统称为基体材料，只有具有足够的基体材料以填充较粗的集料形成的孔隙，并要求能够达到规定的压实度，而这对于混合料的强度和耐久性十分重要。然而，如果基体材料过多，则混合料会由“骨架密实型转变为“悬浮密实型”。若基体材料过少，则混合料可能会由“骨架密实型”转变为“骨架孔隙型”，同时有可能会导致混合料强度不能满足规定要求和施工时的离析现象。因此研究骨架密实级配的基本原则是：在保证混合料抗压强度的前提下，尽可能减少集料中细
20、料的含量，以最大限度地提高混合料整体的抗裂性能。4骨架孔隙结构骨架孔隙结构是一种粗集料形成骨架、具有相互连通孔隙的开级配的混合料结构形式，介于悬浮密实和骨架密实结构之间其混合料的组成特点是：粗集料达到石一石接触状态，提供足够的透水性，475mm筛孔通过率不得超过20。对于最终混合料的孔隙率，应该考虑现场条件等因素后设定目标孔隙率。并通常采用在236mm到95mm之间为断级配的矿料。骨架孔隙结构主要用于排水层设计，孔隙多则排水功能好而结合力差。孔隙率以20为基准，在1 80o-25范围内决定，一般都参照用于面层的OGFC集料级配理论确定其材料级配，由于排水基层可以看作一种夹层结构，所以它对软基的
21、适应性强，可以降低刚性面板对地基不均匀沉降的敏感性，从而提高整个结构的强度和稳定性。(2)干寒地区水泥稳定砂砾基层结构类型适用性分析采用的混合料指标计算方法试验说明：采用小试件为小圆柱形试件，试件尺寸5mmX 5mm5mm；大试件为大圆柱形试件，试件尺寸15mm15mm15mm；小梁试件尺寸4mm4mm16mm，中梁试件尺寸10mm10mm40mm，采用振动成型。XM4代表水泥含量为4的悬浮密实结构、GM5代表水泥含量为5的骨架密实结构、GK骨架孔隙结构。各级配类型的混合料强度特性试验结果及其分析项目类型最佳含水量%最大干密度g/cmm抗压强度Mpa劈裂强度Mpa抗压回弹模量Mpa振动压实振动
22、压实7天28天28天28天XM4%5.032.44.46.40.851436XM5%5.092.425.27.50.891599XM6%5.112.446.79.41.221678GM4%4.82.434.77.40.751588GM5%4.92.435.88.61.031835GM6%52.4479.71.321878GK6%4.62.224.27.30.681643GK8%4.652.235.48.50.972024GK10%4.662.256.59.81.222356表6 水泥稳定砂砾试件试验结果由试验结果得出以下结论：水泥稳定碎石的不同混合料类型其28天龄期相对于7天龄期无侧限抗压强度
23、呈现出增长的趋势，但增幅较缓。说明在混合料铺筑初期其强度增长快，当初步强度形成后，强度增长变缓，省略环境因素时强度不断增长，这也是半刚性基层强度增长的特点。另外，同种混合料类型随着水泥剂量的增加，最佳含水量、最大干密度、强度指标也随之增加。比较同种水泥剂量的水泥稳定类混合料：骨架密实结构比悬浮密实结构的7天、28天强度大；同为6的水泥剂量，骨架孔隙结构的强度明显低于骨架密实结构，分析骨架密实结构需要较高的压实度以及对集料的要求较高；并且骨架密实结构能够以较低的最佳含水量获得和悬浮密实相差不大的最佳干密度。经分析比较发现：水泥剂量、混合料类型对于试件强度指标的影响较大。骨架密实结构类型的混合料在
24、短龄期方面体现出较好的强度优势。骨架孔隙结构的抗压强度、抗压回弹模量、最佳含水量和最大干密度指标虽然较好，但是其劈裂强度过低、水泥用量过大。良好的强度性能在干寒地区不但不必要，反而会加大抗干温缩的困难。综合比较发现，骨架密实结构的最佳含水量低于悬浮密实结构，其他各项性能良好，较适合干寒地区缺水的施工特性。按照粗细集料筛分级配结果，通过砂砾和砾石掺配比例的不断调整，使合成级配符合公路路面基层施工技术规范JTJ034-2000要求，确定两种掺配比例分别为：级配A：砂砾（0-31.5mm）：砾石（10-31.5mm）= 60 : 40级配B：砂砾（0-31.5mm）：砾石（10-31.5mm）= 5
25、5 : 45具体的合成级配结果和曲线图见表7和图1。表7 水稳砂砾基层级配调整范围项目各筛孔通过率（%）31.5199.54.752.360.60.075规范要求10068-8638-5822-3216-288-150-3中值1007748272211.51.5调整级配A10077.246.229.222.111.32.2调整级配B10073.941.627.220.410.32.0图1 集料合成曲线图对于两种调整后的级配，都能满足骨架密实型水泥稳定基层集料级配要求。通过对以往试验实践总结及查阅文献资料，确定选用级配A的砂砾（0-31.5mm）：砾石（10-31.5mm）= 60 : 40作为
26、最终调整级配在配合比中使用，这是因为在水稳砂砾基层中，其强度主要由骨料与骨料间作用、细集料与水泥水化产物形成的胶结料以及胶结料与骨料间作用所决定,而在级配A中9.5mm和4.75mm筛孔集料含量偏多，这两筛孔集料主要起到填充和骨架结构的作用，有利于稳定层早期强度的提高和稳定。2.4外加剂水稳砂砾基层中添加一定比例的高效早强剂，其主要技术指标见表8。表8 高效早强剂主要技术指标序号项 目技术要求执行标准1泌水率比，70GB1086-19972凝结时间差初凝-90-+90GB1086-1997终凝3抗压强度比，1d135GB1086-19973d1307d11028d1004钢筋锈蚀作用无GB10
27、86-1997在特定的干旱寒冷地区掺入一定比例的高效早强剂，具有以下作用：(1)水泥中掺入外加剂，由于水化反应迅速形成3CaOAl2O33CaSO432H2O,它在C3A表面形成包裹层，并逐渐在C3A表面形成较厚的3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O晶体，在C-S-H凝胶体形成的同时大量的3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O晶体穿插在凝胶体内，使水泥浆体内形成一个初始骨架，随着水化的快速运行，C-S-H凝胶体和其它水化产物逐渐填充空隙，这些微细纤维状胶体相互交织成网络结构，起到不断加固初始骨架的作用，使早期强度明显提高。(2)外加剂的加入，由于增加了较多的晶体，提高了水泥水
28、化产物之间的原子间力，同时加快了反应速度，使硅酸盐水化更加彻底，形成较多的C-S-H凝胶体，使晶体与晶体、颗粒与胶体之间的粘结力大为增加，水泥稳定碎石的早期强度得以快速发展。(3)此高效早强剂含有抗冻成分，在高寒地区有效抵抗因寒冷天气原因产生的冻裂现象。2.5拌合水高原干旱地区水质中含盐量较高，总硬度不符合施工要求，在拌合站东侧30m打一眼深水井，深度达到200m，水泥稳定砂砾拌合采用该深井水进行施工，水质经过青海省公路科研勘测设计院检测，符合施工用水要求，水质指标见表9。表9 水质分析报告序号项 目试验结果1阳离子，mg/LCa2+40.0234.1Mg2+58.4Na+K+135.72阴离
29、子，mg/LCO32-5.1599.2HCO3-226.5CL-156.2SO42-211.43总碱度，mol/l8.74总硬度，mol/l19.043水稳砂砾基层配合比设计及优化3.1水泥剂量的掺配范围根据集料掺配比例配制混合料，选取水泥用量3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，每一种水泥用量预掺水3%、4%、5%、6%、7%进行标准击实试验，标准击实试验曲线见图6。3.2确定最佳含水量和最大干密度按规定的试验方法对五种不同水泥剂量的混合料做标准击实试验，根据不同水泥用量击实曲线可以得出其各自最佳含水量及最大干密度，试验结果见表10。表10 标准击实试验结果水泥用量 %3.54.04.55.05.5最佳含水量 %4.84.84.84.94.9最大干密度 g/cm32.3652.3582.3622.3612.357图2 不同水泥用量击实曲线图3.3无侧限抗压强度试验按照击实试验结果，选取各种水泥用量的最佳含水量制作无侧限试件各二组，在温度202、湿度大于95标准养护室内进行养护，并将试件进行密封，7天龄期到达后进行无侧限强度试
