浅谈垂直振动法在水泥稳定碎石施工中的优势与不足

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摘要：本文通过工程实例，就陕西省地方标准《垂直振动法水泥稳定碎石设计施工技术规范（DB61）》在水泥稳定碎石底基层和基层施工中的具体应用进行了探讨，指出了垂直振动法的优势与不足，并提出了改进措施与建议。

Abstract： This paper through an engineering example， discussed the specific application of Shaanxi local standard of "design and construction technical specification （DB61） for cement stabilized crushed stone" in the construction of cement stabilized macadam base or sub-base， pointed out the advantages and disadvantages of the vertical vibration method， and put forward the improvement measures and suggestions.

关键词：垂直振动；水泥稳定碎石；施工

Key words： vertical vibration；cement stabilized crushed stone；construction

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0142-03

0 引言

目前，水泥稳定碎石的配合比设计一般采用重型击实试验及静压成型试件的方法确定。工程实践中发现，照此方法确定的水泥稳定碎石最大干密度偏小、水泥剂量偏大，温缩和干缩引起的基层裂缝较多，后期直接反射至面层易引起沥青面层开裂。陕西交通系统经过多年研究，在重型击实试验及静压法成型试件的基础上发展了一种模拟现场振动压路机振碾工况的垂直振动法，用以水泥稳定碎石配合比的设计与施工。经省内多条高速公路施工检验，取得了良好效果，形成并出版了地方标准《垂直振动法水泥稳定碎石设计施工技术规范（DB61）》在全省推广使用。本文结合G312商洛至丹凤一级公路改建过程中运用DB61的一些做法，探讨了垂直振动成型法优势的一面，同时指出了不足。

1 概述

1.1 项目简介

G312商洛至丹凤一级公路改建工程，是在原有二级公路的基础上采用加宽改建的方式升级为一级公路，路线全长53.746公里，其中完全新建段长3.39公里，旧路扩建段长41.852公里，完全利用旧路段长8.504公里。新建路面结构设计为：厚5cmAC-16中粒式改性沥青混凝土上面层+厚7cmAC-25粗粒式沥青混凝土下面层+厚36cm4.5%水泥稳定碎石基层+厚18cm4%水泥稳定碎石底基层。水泥稳定碎石底基层、基层的配合比设计及施工均按照陕西省地方标准《垂直振动法水泥稳定碎石设计施工技术规范（DB61）》的要求执行。

1.2 DB61概述

《垂直振动法水泥稳定碎石设计施工技术规范（DB61）》是由长安大学蒋应军教授主持编写的一部陕西省地方性标准，该规范建立在长安大学研究团队多年来对垂直振动法的持续、深入研究，以及省内多条高速公路施工成功运用的基础之上，系统性地对垂直振动成型法水泥稳定碎石的配合比设计、施工、检验提出了规范性要求，适用于新建和改扩建高速、一级公路水泥稳定碎石设计与施工，其他等级公路参照执行。

2 垂直振动法的优势

2.1 此法得到的最大干密度符合工程实际

传统的重型击实试验及静压成型法，受试验方法及理论限制，试件的成型过程与实际振碾工况不相符，成型后的试件内部结构与现场振碾而成的基层材料内部结构不吻合，得到的水泥稳定碎石最大干密度偏小，现场往往出现压实度超百的现象。施工企业为了得到合理的试验数据，要么人为减少压实遍数，要么编造试验数据，试验的科学性、指导性大打折扣。另外为了获得较好的钻芯效果，又通过加大水泥剂量来提高试件强度及整体性。如此一来，增大了基层开裂风险。垂直振动法解决了重型击实试验和实际振碾工况不相符、室内静压法成型的试件物理力学性能不能真实可靠地反映材料实际性能等问题。研究表明，按照垂直振动法成型的试件最大干密度是重型击实法最大干密度的1.028倍，最佳含水量是重型击实法的0.84倍。

商丹一级公路改建工程水泥稳定碎石底基层、基层按照垂直振动成型法（DB61）得到的最大干密度及最佳含水量见表1。现场按照试验路确定的碾压方案，由3台自重22t的单钢轮振动压路机碾压6遍后，部分实测压实度数据如表1。

上述试验数据表明，底基层及基层压实度检测合格率均为100%，正常施工条件下，合理的碾压组合方式及碾压遍数能够达到设计要求的压实度，且未出现超百现象，充分说明了垂直振动法得到的水泥稳定碎石最大干密度是符合工程实际的，对实际施工具有科学的指导意义。

2.2 降低了水泥使用量，节约了施工成本

商丹一级公路水泥稳定碎石底基层设计水泥用量为4%，基层设计水泥用量为4.5%。按照垂直振动法进行配合比试验，得出的不同水泥剂量下试件室内7d无侧限抗压强度如表2。

通过上述数据表明，当底基层水泥用量为3%时、基层水泥用量为3.5%时，试件的7d无侧限抗压强度即可满足规范要求。但考虑实际施工时原材料的变化、施工变异性等因素，底基层水泥用量取3.5%、基层水泥用量取4%，均比原设计水泥用量减少了0.5个百分点。按照商丹一级公路改建工程全线70万吨水泥稳定碎石混合料计算，可节约水泥约3483t。

2.3 减少了基层开裂，延长了道路施工寿命

传统的重型击实法设计的混合料配合比类型一般为悬浮密实结构，混合料强度的形成主要依靠填充在粗骨料空隙间的结合料及水泥胶浆的粘聚力发挥作用，因此需要较大的水泥剂量及较多的填充料才能形成整体。垂直振动法设计的混合料配合比类型为骨架密实结构，混合料强度的形成主要是依靠粗骨料间的强嵌锁作用，设计的初衷就是在增加混合料中粗骨料含量的同时降低水泥用量。国内许多学者通过大量试验认为，骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增大其抗裂系数50%左右。商丹一级公路全线四十余公里的水泥稳定碎石底基层及基层施工完毕后，早期未发现有明显的开裂现象，达到了预期效果。

3 垂直振动法应用中的不足

3.1 混合料合成级配不易达标

按照DB61的要求，水泥稳定碎石混合料合成级配中0.075mm以下颗粒含量应≤7%。控制0.075mm以下颗粒含量的主要目的在于：0.075mm以下颗粒含量较大的情况下，水泥稳定碎石碾压后表面易引起“镜面”现象，增大了基层开裂风险，不利于层间结合。甚至有专家建议0.075mm以下颗粒含量应控制在3%以内。但实际生产中，受基层碎石原材料加工工艺及行业整体水平限制，基层碎石加工厂普遍无除尘装置，一些小型加工厂生产的碎石材料石粉含量高；另外，出于成本控制目的，有施工企业采用碎石加工生产后的附属料作为细集料使用，合成级配中0.075mm以下颗粒含量不可避免地会超标。商丹一级公路改建底基层及基层水泥稳定碎石混合料中0.075mm以下颗粒含量一直维持在8%左右，虽然进行了多次施工配合比优化调整，但该问题始终未得到有效解决。为了防裂及加强层间结合，施工企业采取了基层层间打毛、洒布水泥净浆等措施。

3.2 水泥用量存在争议

关于水泥剂量的大小，一些专家认为水泥剂量大会增大水泥稳定碎石的开裂风险，但另一些专家却认为，水泥剂量大了会显著提高混合料的强度，对工程后期使用有利，至于开裂的问题，可通过加强施工工艺控制、减少离析、加强养护、后期灌缝等措施进行避免与消除，提高半刚性基层强度带来的道路使用寿命的增加，远大于基层开裂所带来的负面影响。因此，在水泥剂量的大小上，学术界的争论一直未停歇。商丹一级公路改建水泥稳定碎石底基层及基层水泥用量的选取，综合了强度指标、施工变异性、成本控制需要、已建成道路使用效果等多方面因素，经过专家评审会的数次讨论，最终确定底基层水泥用量不超过3.5%，基层水泥用量不超过4%。

3.3 粗骨料多、易离析

垂直振动成型法水泥稳定碎石配合比设计旨在不增加施工难度条件下，通过降低水泥剂量、提高压实度和采取强嵌挤骨架密实级配以及一些防离析措施等，提高水泥稳定碎石工程质量尤其是抗裂性能，缓解甚至解决传统方法设计与施工水泥稳定碎石开裂的技术问题。但由于其在设计上具有水泥剂量低、粗集料用量多的特点，容易导致离析现象发生。商丹一级公路底基层及基层水泥稳定碎石采取的室内配合比矿料合成级配如表3，通过表列数据可以看出，粗集料（≥4.75mm）颗粒含量占到了集料总重的70%左右，混合料总体偏粗，易发生离析。离析使得骨料分布不均，局部出现“集料窝”，导致承重层整体性变差，前期反映出现场钻芯不完整，后期使用过程中会导致路面局部过早破坏，影响道路使用性能及寿命。因此，垂直振动法应用的关键在于防离析。商丹一级公路水泥稳定碎石施工过程中为了减少离析，施工企业通过改造拌合及摊铺设备、改进施工工艺、精细化管理等多项措施并举，取得了良好效果。

3.4 行业标准与地方标准存在矛盾

DB61属于地方性推荐标准，因此并未在全国开展应用。现行《公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）》对水泥稳定碎石底基层7d的无侧限抗压强度要求值为不小于2.5MPa，基层为3.5～4.5MPa。商丹一级公路改建工程施工图设计遵照设计规范，对底基层及基层7d无侧限抗压强度设计值提出了一致要求。但实际施工中，按照垂直振动法成型的试件7d无侧限抗压强度实测值是设计规范及施工图设计所要求强度值的2～3倍。严格意义上来讲，是不符合设计的。出现此种现象的主要原因在于，行业标准和地方标准要求的强度值是基于不同的试验理论及方法提出的要求，静压法和垂直振动法成型的试件内部结构不同、干密度不同，因此强度差异较大，目前还未建立两种试验结果的相关关系，无法科学地进行换算。因此，对于采用DB61标准设计施工的水泥稳定碎石无侧限抗压强度的评定，就不能简单地用实测值与行业标准要求值进行比较，两种数值是不具有可比性的。虽然从实际效果来讲，DB61作为地方标准有其先进性，但现行行业标准若不进行修编，此矛盾还将一直存在。

4 结束语

垂直振动成型法是一个经过实践检验的科学方法，《垂直振动法水泥稳定碎石设计施工技术规范（DB61）》作为一部地方性标准，对陕西的高等级公路路面基层施工带来了新的设计及施工理念，较好地解决了水泥稳定碎石的开裂问题，延长了道路使用寿命、节约了工程造价，值得推广应用。但实际应用过程中，原材料现状的矛盾、水泥用量的争议、离析突出的问题、地方标准与行业标准的矛盾等问题还需要在今后的工程实践中不断总结、改进。

参考文献：

[1]温龙鹏，刘长.垂直振动成型法水泥稳定碎石离析控制与处理[J].建筑工程技术与设计，2015（11上）.

[2]张丙炎.基于VTM水泥稳定碎石设计参数研究[D].长安大学，2011（6）.

[3]成伯君.水泥稳定碎石施工工艺应用研究[D].长安大学，2010.