骨架密實結(jié)構(gòu)低劑量水泥穩(wěn)定碎石抗裂基層技術(shù)的創(chuàng)新機(jī)制

1、骨架密實結(jié)構(gòu)低劑量水泥穩(wěn)定碎石抗裂基層技術(shù)的創(chuàng)新機(jī)制0 引 言 半剛性基層具有強(qiáng)度高、板體性好、穩(wěn)定性高及建設(shè)成本低的優(yōu)點(diǎn)，但在實際使用中存在一些不足。目前，半剛性基層的突出問題是由于材料組成設(shè)計不佳或施工中關(guān)鍵工序控制不力而引起的開裂問題，以及由此引發(fā)的其他路面病害1。長期以來，中國在半剛性基層抗裂方面的研究主要從材料入手，也取得了一些成績，但總體來講，實體工程并沒有取得突破性的進(jìn)展。成型方式的變革、級配的優(yōu)化使半剛性基層抗裂性能取得了突破性的進(jìn)展。本文依托大廣線濮陽段高速公路，對骨架密實結(jié)構(gòu)低劑量水泥穩(wěn)定碎石抗裂基層技術(shù)進(jìn)行了研究。 1 原材料性質(zhì) 1.1 水泥 采用當(dāng)?shù)孛想?25#水泥，

2、技術(shù)指標(biāo)見表1。表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)項目試驗值標(biāo)準(zhǔn)要求抗壓強(qiáng)度/MPa14.5≥11.0抗折強(qiáng)度/MPa3.8≥2.5凝結(jié)時間初凝/h5.10≥0.75終凝/h6.25101.2 石料 石料采用當(dāng)?shù)厥規(guī)r，經(jīng)檢測，粗集料壓碎值為7.9%，滿足規(guī)范中的要求(不大于30%)。 2 室內(nèi)試驗 2.1 成型方式 室內(nèi)材料配比設(shè)計中需要成型小型試件，并對其物理、力學(xué)以及相應(yīng)的路用性能進(jìn)行試驗、測試2。盡可能使室內(nèi)試件成型的方式與現(xiàn)場碾壓方式匹配，才能測得室內(nèi)、外一致的最大干密度、最佳含水量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，才能有效控制現(xiàn)場質(zhì)量3。 長安大學(xué)沙愛民教授研制了室內(nèi)道路材料振動壓實機(jī)，該機(jī)較

3、好地模擬了振動壓路機(jī)的工作原理，并且具備更靈活的振動參數(shù)調(diào)節(jié)范圍。采用變頻器實現(xiàn)振動頻率的無級可調(diào)，根據(jù)振動壓路機(jī)常用的頻率和材料固有的頻率范圍，選擇頻率范圍為050 Hz；為減少振動對電機(jī)和變頻系統(tǒng)的破壞作用及控制壓實系統(tǒng)的質(zhì)量，使系統(tǒng)能夠模擬較小靜面壓力下的振動壓實狀況，在設(shè)計時將電機(jī)和變頻系統(tǒng)移出，采用軟軸和萬向節(jié)傳動。研究所用的振動壓實成型機(jī)械時間范圍確定為015 min，振動頻率為30 Hz，偏心塊夾角為30，激振力為7 612 N，靜面壓力為140 kPa，振幅為1.4 mm，振動總時間為2 min。 與重型擊實法相比，無論是懸浮結(jié)構(gòu)還是骨架密實結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石，振動法所確定的最

4、佳含水量、最大干密度均增大。研究發(fā)現(xiàn)，用振動試驗測得的最大干密度比重型擊實儀和表面振動壓實儀分別提高3和5%。試驗采用了相同的材料、相同的水泥劑量，分別用重型擊實、表面振動壓實儀和振動儀三種方式成型，最大干密度如表2所示。表2 不同成型方式的最大干密度、最佳含水量對比對比項目重型擊實儀表面振動壓實儀振動壓實機(jī)最大干密度/（g-cm-3）2.3772.3812.472最佳含水量/%5.05.25.52.2 混合料性能試驗 2.2.1 試驗級配的確定 骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石材料中粗集料占很大比例（60%以上），粗顆粒之間互相嵌擠，形成骨架，故表現(xiàn)出與普通懸浮密實結(jié)構(gòu)不同的力學(xué)性質(zhì)和路用性能。根據(jù)

5、相關(guān)研究成果，針對工程所用各檔集料的級配組成，提出了級配范圍(表3)，并對其上、下限級配進(jìn)行了體積參數(shù)分析，結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明：上限級配振動成型試件VCAmix處于松堆及插搗VCA之間，下限級配VCAmix小于插搗VCA，說明上、下限級配均為骨架密實型級配。與規(guī)范級配范圍相比，提出的級配范圍具有如下特點(diǎn)。表3 水泥穩(wěn)定碎石集料的級配范圍篩孔尺寸/mm31.526.5199.54.752.360.60.075上限/%10010089573927153.5下限/%100907647291780表4 水泥穩(wěn)定碎石混合料的體積參數(shù)分析級配種類振動成型試件粗集料間隙率VCAmix/粗集料間隙率/松

6、堆插搗上限40.743.937.6下限36.544.137.3（1） 4.75 mm通過率降低，粗集料含量增加，使得在級配范圍內(nèi)能形成骨架密實結(jié)構(gòu)混合料。 （2） 194.75 mm集料所占比例較大，粗集料自身組成合理，可避免現(xiàn)場攤鋪及碾壓時產(chǎn)生離析。 （3） 0.6 mm以下粉料含量相對較低。在試驗中同時用目前規(guī)范中推薦的懸浮密實結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，最終確定的試驗級配見表5。表5 試驗用水泥穩(wěn)定碎石集料級配篩孔尺寸/mm31.526.5199.54.752.360.60.075級配A（懸浮密實結(jié)構(gòu)）/%100.095.078.557.039.026.015.03.5級配B（骨架密實結(jié)構(gòu)）/%99.

7、792.880.051.931.425.49.32.32.2.2 強(qiáng)度試驗 研究選用A（懸浮密實結(jié)構(gòu)）、B（骨架密實結(jié)構(gòu)）兩種級配，用振動法確定最佳含水量及最大干密度后分別采用振動法和靜壓法成型試件，測試7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗結(jié)果見表6、7。表6 振動成型水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度試驗結(jié)果水泥摻量/%3456級配A級配B最佳含水量/5.65.75.75.8最大干密度/(g-cm-3)2.4382.4382.4322.4357 d強(qiáng)度/MPa4.906.077.088.88變異系數(shù)/8.587.933.425.27最佳含水量/5.45.45.55.5最大干密度/(g-cm-3)2.4702.47

8、02.4702.4647 d強(qiáng)度/MPa6.517.739.0410.08變異系數(shù)/6.836.625.565.56由試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論。（1）級配B的最佳含水量小于級配A的最佳含水量，而最大干密度大于級配A的最大干密度（平均增大135）。相同水泥摻量時，級配B的混合表7 靜壓成型水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度試驗結(jié)果水泥摻量/%3456級配A級配B最佳含水量/5.05.15.05.1最大干密度/(g-cm-3)2.3902.3902.3842.3877 d強(qiáng)度/MPa2.062.904.294.80變異系數(shù)/6.268.177.778.11最佳含水量/5.05.05.1最大干密度/(g-cm-

9、3)2.3982.3982.3927 d強(qiáng)度/MPa2.423.984.58變異系數(shù)/7.857.7211.58料強(qiáng)度明顯高于級配A（平均提高25）。方差分析結(jié)果表明（顯著性水平0.05），振動條件下，級配對強(qiáng)度有顯著影響。 （2） 與規(guī)范中的重型擊實法相比，通過振動法確定的最佳含水量、最大干密度均增加。與靜壓法成型試件相比，采用振動法成型的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅度提高，試件強(qiáng)度變異系數(shù)降低。骨架密實結(jié)構(gòu)最佳含水量小于懸浮結(jié)構(gòu)的最佳含水量，骨架密實結(jié)構(gòu)的最大干密度大于懸浮結(jié)構(gòu)的最大干密度（平均增大1.35）；水泥摻量相同時，骨架密實結(jié)構(gòu)的混合料強(qiáng)度明顯高于懸浮結(jié)構(gòu)混合料（平均提高25）。方差分

10、析結(jié)果表明（顯著性水平005），振動條件下，級配對強(qiáng)度有顯著影響。 2.2.3 混合料干縮試驗 振動成型15 cmx15 cm抗壓強(qiáng)度試件（水泥摻量5），用千分表法測量試件干縮應(yīng)變，同時成型相同級配及水泥劑量下的靜壓法強(qiáng)度試件，之后對兩者進(jìn)行比較。試驗結(jié)果見圖1、2。圖1 干縮應(yīng)變與失水率的關(guān)系圖2 干縮應(yīng)變與失水率的關(guān)系試驗結(jié)果表明，相同失水率下A、B兩種級配的振動成型試件的干縮應(yīng)變及干縮應(yīng)變均小于靜壓成型試件。這表明振動成型的混合料的抗干縮能力優(yōu)于靜壓成型混合料。而振動條件下骨架密實結(jié)構(gòu)（級配B）混合料的抗干縮能力最佳。振動成型下，骨架密實結(jié)構(gòu)（級配A）混合料干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)最大分別為骨

11、架密實結(jié)構(gòu)（級配B）混合料的1.21.25倍。 綜上所述，從各方面比較，骨架密實結(jié)構(gòu)均優(yōu)于懸浮結(jié)構(gòu)。經(jīng)過綜合考慮，實體工程采用骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石（級配B），水泥用量采用3.5%。 3 實體工程應(yīng)用 3.1 施工質(zhì)量控制 大廣線濮陽段高速公路采用振動成型法設(shè)計的低劑量骨架密實水泥穩(wěn)定碎石抗裂基層技術(shù)取得了較好的效果，采取了以下措施。 （1） 控制原材料質(zhì)量。 （2） 控制離析46。該項目采用的方案為：控制拌和樓出料口與自卸車車斗之間的高差不超過50 cm；自卸車采用前、后、中三次上料；自卸車向攤鋪機(jī)供料時快速卸料，以防止大料滾落；減少攤鋪機(jī)收斗次數(shù)；攤鋪機(jī)螺旋布料器前擋板加橡膠墊，防止大料

12、向前滾落，造成上下離析；適當(dāng)降低攤鋪機(jī)熨平板的高度；采用抗離析攤鋪機(jī)。 （3） 控制含水量。施工時應(yīng)根據(jù)天氣和季節(jié)的變化，嚴(yán)格控制含水量。 （4） 加強(qiáng)路面層間粘結(jié)。為保證層間粘接，業(yè)主撥?？钣糜谙禄鶎优c底基層之間、上基層與下基層之間撒水泥漿，單幅用量為每5 m一袋。 （5） 碾壓。每個標(biāo)段配1臺28 t以上膠輪壓路機(jī)、1臺1820 t的鋼輪振動壓路機(jī)、2臺20 t以上的鋼輪振動壓路機(jī)（總數(shù)不少于4臺），疊二分之一輪，速度小于4 km-h-1，碾壓8遍（振壓不少于6遍），邊沿用手持夯補(bǔ)壓。 （6） 控制級配。各標(biāo)段每4 h做一次原材料篩分和攤鋪機(jī)后取樣篩分，確保生產(chǎn)配合比變異小，設(shè)專人監(jiān)控配合

13、比。 3.2 應(yīng)用情況 3.2.1 強(qiáng)度 以下是大廣線濮陽段高速公路基層施工段抗壓強(qiáng)度的檢測結(jié)果，混合料設(shè)計水泥劑量為3.5%，施工控制水泥劑量為4.0%，強(qiáng)度檢測結(jié)果見表8。表8 大廣高速濮陽段公路基層強(qiáng)度檢測結(jié)果施工季節(jié)標(biāo)段取芯位置室內(nèi)靜壓成型強(qiáng)度/MPa室內(nèi)振動成型強(qiáng)度/MPa7 d取芯強(qiáng)度/MPa冬季春季夏季1257K0+9905.47.47.1K1+1605.47.46.6K3+3005.47.46.1K10+1355.27.16.9K15+1605.27.16.5K12+2805.27.16.4K38+6505.16.88.0K38+7105.17.16.8K39+2005.17.

14、15.6K40+4005.17.16.6K43+6005.17.15.9K52+2305.57.85.8K58+1005.57.87.0K56+3255.57.86.9K56+9005.57.88.1K55+3005.57.86.7綜合7個標(biāo)段的統(tǒng)計資料，強(qiáng)度規(guī)律如下。 （1） 相同的水泥劑量（4%）下，各標(biāo)段的室內(nèi)靜壓成型試驗7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在4.85.6 MPa之間，振動成型7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在6.88.0 MPa之間，前者為后者的1.51.8倍。 （2） 相同的水泥劑量（4%）下，7 d取芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在58 MPa左右，與振動成型7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較接近。 （3） 相同的水

15、泥劑量（4%）下，冬季7 d取芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般在56 MPa之間，28 d取芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在79 MPa之間，前者為后者的50%60%。 3.2.2 裂縫情況 大廣線濮陽段高速公路全線共分為7個土建標(biāo)段進(jìn)行基層施工，從裂縫情況來看，1標(biāo)、7標(biāo)最好，2、4、6標(biāo)次之，相對而言3標(biāo)、5標(biāo)裂縫較多，但與傳統(tǒng)的基層施工效果相比，裂縫間距大大提高。從施工季節(jié)來看，冬季施工裂縫較多，春、秋、夏3個季節(jié)施工裂縫較少。 此外，大廣線濮陽段全線60 km，基層寬度為27 m，厚度為0.36 m，施工水泥劑量為445，而常規(guī)施工水泥劑量為556，該工藝可節(jié)約水泥15，全線共節(jié)約水泥21 465 t，若1 t

16、水泥成本以260元計，全線可節(jié)約水泥成本558萬元。 4 結(jié) 語 （1） 改變室內(nèi)混合料成型方式，使室內(nèi)試驗與現(xiàn)場振動碾壓施工基本一致，用室內(nèi)振動成型的最大理論干密度控制現(xiàn)場壓實度；室內(nèi)振動成型試件的強(qiáng)度與現(xiàn)場取芯的強(qiáng)度一致，說明用室內(nèi)強(qiáng)度控制室外強(qiáng)度可以實現(xiàn)。 （2） 振動成型方式降低了水泥添加劑量，最佳含水量變小，強(qiáng)度增長均勻，收縮產(chǎn)生的應(yīng)力均勻，應(yīng)力集中小，基層抵抗開裂的能力增強(qiáng)。 （3） 振動成型最大干密度提高后，壓實度相應(yīng)提高，混合料間的粘結(jié)力增大，抵抗拉應(yīng)力的能力增強(qiáng)；同時壓實度提高后混合料的空隙減少，干縮量減小，干縮應(yīng)力減小。 （4） 現(xiàn)行規(guī)范基層混合料的級配范圍屬于懸浮密實結(jié)構(gòu)，且其中0.075 mm以下粉料含量較多，采用骨架密實型結(jié)構(gòu)、并控制0.075 mm以下粉料含量，能夠有效減少基層開裂。