低剂量骨架密实型抗裂水稳基层在高速公路中应用分析

摘要：水泥稳定碎石以其强度高、水稳定性好、施工工艺简单等优点,被广泛用于公路沥青路面基层和底基层,但易出现反射裂缝。本文通过室内试验与理论计算,研究了骨架嵌挤型水泥稳定碎石成型参数、级配组成,对骨架嵌挤型水泥稳定碎石的推广应用具有实用价值和指导意义。

关键词：骨架嵌挤;振动成型;多孔玄武岩;抗裂性能;

半刚性基层因具有强度高、抗压、刚度大、板体性等优点被广泛应用于高速公路建设当中。其刚度大、稳定性高,可减小路面弯拉应力,尤其适用于沥青路面。半刚性基层材料虽具有明显的优点和广阔的使用前景,但因其材料本身特性,在内部温湿度及外部交通荷载的双重作用下,易产生裂缝。裂缝产生会破坏路面结构的整体性,降低承载能力,降低道路使用质量。对行车安全造成危害。甚至失去交通能力。造成资源量费。因此,提出科学有效的半刚性基层抗裂措施,进一步改善水泥稳定材料的不足,具有重要意义。

骨架密实型水稳碎石能有效抵抗干缩和温缩引起的裂缝,主要因为:(1)采用粗集配,大粒径集料,大骨料相互搭接嵌锁。形成的空隙填补一定的细集料和水泥胶浆,并不完全致密,这使得在温度和湿度变化时材料产生的应力不会集中。从而减轻开裂。(2)骨架密实结构细集料含量少,比表面积小,裹附面积小,需要的水泥胶浆的含量和用水量小。水泥胶浆产生温缩应力是半刚性基层开裂的主要原因。降低水泥胶浆用量可从根本上降低温缩应力。

某高速公路,全长56.815km。采用双向四车道高速公路标准,设计车速120km/h,路基宽28m,路面宽23.5m。试验段共设2个施工标段。

水泥、集料技术指标均满足技术要求。表1为水泥检测结果。

表1水泥技术指标导出到EXCEL

P·

试验项目

结果

技术指标

结论

初凝时间(min)

270

≥45

满足
GB175-2007
要求

终凝时间(min)

330

≤600

标稠用水量(%)

27.5

--

安定性(mm)

1.0

≤5

3d抗折(MPa)

3.7

≥2.5

3d抗压(MPa)

16.9

≥10

28d抗压(MPa)

/

≥5.5

28d抗压(MPa)

/

≥32.5

骨架嵌挤型水泥稳定碎石生产配合比设计见表2和图1。

表2水稳混合料生产配比导出到EXCEL

筛孔
尺寸

通过率(%)

31.5

19.0

9.5

4.75

2.36

0.6

0.075

生产
配比

100.0

78.1

45.7

29.2

20.1

10.1

2.5

分别采用振动压实、重型击实成型试件,相关系数取1.02。选取2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%五种水泥剂量下拌制水稳碎石混合料,成型后测量最佳含水量和最大干密度。试验结果见表3。

根据确定最佳含水量,分别测定采用静压法成型和振动压实法成型的水稳试件的7d无侧限抗压强度。试验结果见表4。

图1水稳混合料生产配比级配曲线图下载原图

表3水稳混合料成型试验结果导出到EXCEL

成型方法

项目

水泥剂量(%)

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

重型击实

最佳含水量(%)

5.6

5.4

5.5

5.3

5.5

最大干密度(g/cm3)

2.276

2.285

2.304

2.287

2.311

振动成型法

最佳含水量(%)

6.3

6.1

6.1

6.3

6.2

最大干密度(g/cm3)

2.496

2.489

2.495

2.503

2.512

振动密度与击实密度相关系数

1.022

1.024

1.023

1.031

1.041

表47d无侧限抗压强度试验结果导出到EXCEL

项目

水泥剂量(%)

静压成型法

振动压实法

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

强度平均值(MPa)

2.4

2.6

3.2

3.4

3.6

5.0

5.1

5.1

5.2

5.5

偏差系数(%)

5.86

6.61

1.76

3.97

2.37

5.63

8.58

5.58

6.30

8.18

强度代表值(MPa)

2.25

2.40

3.21

3.26

3.54

5.30

5.11

5.12

5.28

5.60

吸水率平均值(%)

1.04

0.95

0.91

0.85

0.85

0.94

0.82

0.78

0.76

0.71

结合两种成型方法试验结果,由于部分集料采用多孔玄武岩,混合料的水泥剂量取4.2%。试验段1水泥稳定粒料基层混合料试验结果:最大干密度为2.506g/cm3,最佳含水量为6.2%。

压实度是骨架嵌挤型抗裂水稳施工控制重点,为保证压实度,需增加碾压作业的压实功。增加碾压次数及碾压机械吨位。

为防止水稳混合料离析问题,应尽量减少摊铺机拼接宽度,以减少路面的条带状离析,尽量减少摊铺机收斗频率,在卸料车快要卸料前进行部分收斗,减少路面的块状离析。

通过试验路段的施工,并结合其他试验段,对抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层混合料的关键指标进行分析,包括级配和最大干密度、强度、压实度及碾压方案等。

骨架嵌挤型抗裂水稳混合料4.75mm通过率一般控制在30%左右,采用振动成型的最大干密度均较采用重型击实的要大。振动压实使被压实材料的内产生振动冲击,被压实材料的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态,逐步填充混合料路面的空隙,提高密实度[9]。比较振动成型和重型击实成型试件的最大干密度,对于不同的工程,不同的材料,前者是后者的1.03～1.05倍[10]。结果表明,优化的骨架密实型级配,加上振动法设计的混合料在拌和、运输、摊铺及碾压中未发现明显离析,其压实度标准可达98%以上。

采用振动成型的水稳基层强度较静压法大。水泥剂量分别为3.5%、4%和4.5%时,镇溧高速采用振动成型的强度分别较静压法大37.9%、36.9%和44.1%,瑞赣高速采用振动成型法的强度则分别较静压法大130.3%、110%和115.2%。表明振动成型使压实材料之间间隙减小,其颗粒间接触面增大,导致内摩阻力增大,其承载力增大。不同压实成型方法对水稳强度影响较大,其不仅能提高强度,还能降低水泥用量。

与悬浮密实型水泥稳定碎石相比,骨架嵌挤型水泥稳定碎石混合料需要更大的压实功。推荐采用振动成型试件的最大干密度为标准进行评价,指标要求仍然是要求现场干密度不小于振动成型试件最大干密度的98%。通过各试验段的应用,表明采用重型压实工艺后,现场的压实度完全是能满足要求。

试验段路面施工质量的检测包括:压实度、钻芯、7d无侧限抗压强度。通过现场取样结果,其芯样完整,压实情况良好。现场施工时存在部分混合料离析情况。试验段养生后取芯检测结果如表5所示,压实度和强度均满足技术要求。

表5现场检测结果导出到EXCEL

混合料
类型

标段

检测批次

压实度
(%)

静压法强度
(MPa)

振动法强度
(MPa)

抗裂水稳

01标

1

99.7

5.5

11.5

2

99.4

4.3

8.8

续表

导出到EXCEL

混合料
类型

标段

检测批次

压实度
(%)

静压法强度
(MPa)

振动法强度
(MPa)

技术要求

≥98

≥3.0

≥4

本文通过室内试验与理论计算结合具体工程案例,研究了骨架嵌挤型水泥稳定碎石室内振动成型参数、骨架嵌挤型水泥稳定碎石级配。通过无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、干缩温宿试验及小梁疲劳试验对骨架嵌挤型水泥稳定碎石的性能进行了研究。依据试验路段提出了摊铺、碾压等关键步骤的施工要点,提出了施工质量控制关键指标。试验路铺筑完成后,进行了试验路的取芯检测,强度、压实度等取芯试验结果表明铺筑的骨架嵌挤型水泥稳定碎石基层具有良好的性能,满足施工规范技术要求。对骨架嵌挤型水泥稳定碎石的推广应用具有实用价值和指导意义。

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