于照海
(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司 烏魯木齊市 830002)
水泥穩(wěn)定類半剛性基層是高等級公路的典型結(jié)構(gòu),具有成本低、穩(wěn)定性好等特點,但路基材料和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定受氣候環(huán)境影響較大,對于偏遠地區(qū)或氣候特殊地域,受晝夜溫差、雨雪凍融影響,水泥穩(wěn)定類半剛性基層道路鋪筑技術(shù)還有待進一步研究和提升[1-3]。孫宇航[4]以吉林某路段工程施工為依托,采用了30%摻量的砂礫進行穩(wěn)定基層的材料特性和施工工藝研究。李國嬡[5]研究了水泥穩(wěn)定砂礫材料的配合比設(shè)計對強度的影響規(guī)律,認為密實型骨架結(jié)構(gòu)更有利于砂礫材料的抗裂強度;羅燕[6]研究了不同水泥劑量對砂礫碎石材料的穩(wěn)定作用及強度影響規(guī)律,總結(jié)了砂礫碎石基層施工的工藝要求。許世勇[7]研究了低水泥劑量下砂礫碎石材料的力學(xué)性能,通過回彈模量測定探究了適宜的水泥劑量摻配范圍。白明舉[8]研究了不同水泥劑量及砂礫摻量下基層碎石材料的抗壓強度、水穩(wěn)定性等,認為低水泥劑量砂礫碎石材料性能達到路用標(biāo)準(zhǔn);劉書君[9]研究了重載交通環(huán)境下砂礫碎石基層的力學(xué)影響變化規(guī)律,認為砂礫碎石的材料和級配對于基層結(jié)構(gòu)的影響較大;汪生忠[10]研究了砂礫碎石基層在戈壁荒漠地區(qū)的應(yīng)用概況,并結(jié)合施工工藝提出了裂縫防治技術(shù)。相關(guān)研究表明基層裂縫的開展與砂礫材料的性能、配合比設(shè)計、施工養(yǎng)護工藝等直接有關(guān),相關(guān)研究僅圍繞影響碎石材料性能的某一劣化因素進行研究,缺乏系統(tǒng)性的整體結(jié)論[11-12]。本研究結(jié)合墾區(qū)公路砂礫碎石基層的建設(shè),系統(tǒng)地探究水泥劑量、成型方式、養(yǎng)生條件、壓實條件、道路結(jié)構(gòu)等因素對砂礫碎石基層材料的性能影響規(guī)律,總結(jié)水泥穩(wěn)定砂礫基層裂縫防治關(guān)鍵技術(shù)。
甘莫公路,即第六師G216甘泉堡~第八師148團西營鎮(zhèn)公路,位于新疆昌吉州境內(nèi),是墾區(qū)內(nèi)交通運輸?shù)膭用}和對外交通的基礎(chǔ),是北疆地區(qū)、昌吉州及第六師公路網(wǎng)的重要組成部分。本水穩(wěn)基層試驗段屬于第六師G216線甘泉堡—148西營公路道路工程第二合同段。試驗段起點樁號K34+600,終點樁號為K37+000。路線全長2400m。
研究根據(jù)莫干公路的砂礫碎石基層路段施工進行試驗段材料性能研究,路面結(jié)構(gòu)如圖1所示,碎石材料的級配組成如圖2所示。試驗采用調(diào)整水泥劑量(3.0%~5.0%)的方式設(shè)計了8個不同方案的試驗路段,具體方案如表1所示。在4.0%水泥劑量正常路段下,分別采用正常灑水養(yǎng)生、塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生、灑布透層油養(yǎng)生三種養(yǎng)生方案探究對砂礫碎石材料的性能影響。
圖1 試驗段橫斷面示意圖
圖2 砂礫碎石基層材料級配設(shè)計
表1 試驗路方案
本試驗段自攤鋪完成,各項工序結(jié)束后,施工單位組織有關(guān)人員和機械按預(yù)定的養(yǎng)護方案進行養(yǎng)護,且在養(yǎng)護過程中在試驗段兩頭分別設(shè)路障,禁止養(yǎng)護期間除灑水車以外其他車輛的通行,試驗段上各分段落具體位置如表2所示。
本試驗段養(yǎng)護完成后,施工人員對基層進行了觀察,各種水泥含量的基層均未發(fā)現(xiàn)有開裂情況,養(yǎng)護期后各基層平整,無松散、起包等現(xiàn)象,總體情況良好。0%水泥含量基層(級配碎石基層)芯樣無法成型。3%水泥含量芯樣共取9次,有2個無法成型,芯樣成型情況不是太好。4%和5%水泥含量芯樣可以成型但均有不同程度破損。
研究將不同水泥劑量和不同成型方式下砂礫碎石材料的無側(cè)限抗壓強度進行統(tǒng)計,如表3所示。
將上述抗壓強度均值和代表值繪制成圖分析,如圖3、圖4所示。
圖4 碎石材料抗壓強度代表值
由圖3、圖4及表3可以看出:隨著水泥劑量增大,不同條件下水泥穩(wěn)定砂礫混合料的7d無側(cè)限抗壓強度值也不斷增大;室內(nèi)由于精心控制級配和水泥劑量,最終混合料的強度相對較高。當(dāng)水泥劑量超過4.0%時,水泥穩(wěn)定砂礫混合料7d無側(cè)限抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值基本滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》二級公路基層7d無側(cè)限強度代表值不小于2.5MPa的要求。從試件成型條件對強度的影響角度來看,由于室內(nèi)級配控制良好,各水泥劑量時,三種條件強度均值的變化規(guī)律基本一致,即室內(nèi)試驗值>料場取料成型試件值>鉆芯取樣值。
研究對試驗段落中三種不同養(yǎng)生方式(自然灑水、灑布乳化瀝青及鋪設(shè)塑料薄膜)混合料強度的影響進行了對比分析,試驗結(jié)果如表4、圖5所示。
表4 不同養(yǎng)生方式試驗段強度對比(水泥劑量4.0%)
圖5 不同養(yǎng)生方式下碎石材料強度
上述研究表明:自然灑水與灑鋪乳化瀝青養(yǎng)生后的強度均值基本一致,鋪設(shè)塑料薄膜養(yǎng)生后的強度值則高于前兩者。以強度均值為例,鋪設(shè)塑料薄膜的碎石材料強度為2.80MPa,相較于前兩者,分別提升了4.45%和2.38%。其主要原因是,薄膜覆蓋可以保持水穩(wěn)砂礫碎石材料內(nèi)部分的水分,水泥在充分的水分含量下材料盡可能地進行水化反應(yīng),進一步增強碎石材料的整體強度。因此,如果有條件,盡量采用薄膜覆蓋的養(yǎng)生方法,否則可采取撒布乳化瀝青覆蓋養(yǎng)生法。
從理論計算和已有研究看,不同的壓實度對應(yīng)混合料的強度應(yīng)有所不同。對超壓試驗段和正常碾壓試驗段鉆芯取樣后的強度試驗結(jié)果如表5所示。
表5 不同壓實程度試驗段強度對比(水泥劑量3.0%,自然灑水養(yǎng)生)
由表5可以看出:超壓段的強度值高于正常段,超壓段將砂礫材料進行密實碾壓,有效控制了砂礫材料的穩(wěn)定性,適用于北方特殊環(huán)境地區(qū)基層路段施工。因此在路面施工過程中,可通過采用大噸位壓實機械,提高一定的壓實度來提高水泥穩(wěn)定碎石(礫石)混合料的強度。
對于正常路段、切縫加鋪土工格柵段及結(jié)構(gòu)層倒置段三種不同結(jié)構(gòu),通過取芯比較了試樣的強度,如表6所示。
表6 不同結(jié)構(gòu)試驗段強度對比(水泥劑量4.0%,自然灑水養(yǎng)生)
由表6可以看出,各段落水穩(wěn)砂礫基層混合料的強度相差不大。但由于水穩(wěn)砂礫混合料所處層位與路面頂面的相對位置不同,路面的整體強度在設(shè)計過程中有顯著差異。
研究對8個不同試驗段的水泥穩(wěn)定砂礫基層進行彎沉值的測定,試驗結(jié)果如表7所示。
表7 各試驗段基層彎沉均值
對于基層頂面彎沉,倒裝結(jié)構(gòu)由于級配礫石層的存在導(dǎo)致基層頂面的彎沉最大;隨著水泥劑量的增大,基層頂面彎沉總體呈現(xiàn)減小趨勢,但4%水泥劑量水穩(wěn)砂礫基層和5%水泥劑量水穩(wěn)砂礫基層頂面彎沉總體相差不大。
甘莫公路施工完畢后,對上述8種不同類型試驗段進行裂縫檢查,檢查結(jié)果如表8所示。
表8 裂縫觀測匯總表
裂縫較少而且寬度、長度較短的是薄膜養(yǎng)生、灑粘層油養(yǎng)生以及級配礫石倒裝結(jié)構(gòu)。因級配礫石倒裝結(jié)構(gòu)強度存在一定的問題,建議慎用。此外因面層較薄,粘層油段有泛油現(xiàn)象,因此要控制灑布量;灑水養(yǎng)生裂縫數(shù)量明顯多于上述兩者養(yǎng)生手段,說明養(yǎng)生方式是影響裂縫的重要因素;對統(tǒng)一采用灑水養(yǎng)生但水泥劑量不同的路段,裂縫數(shù)量相差很少。根據(jù)施工期間的檢測結(jié)果來看,水泥劑量沒有嚴格按照設(shè)計級配來,施工控制不是很好,因此盡管原則上降低水泥劑量、控制礦料級配是一種比較認可的防裂方法,但實際操作困難,建議仍以滿足最低強度要求來設(shè)計水泥用量。
本研究根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)論和研究成果,鋪設(shè)了8種方案合計2.4km的試驗段,分別實現(xiàn)了不同水泥劑量(3種)、不同養(yǎng)生條件(3種)、不同處治方法(正常、切縫鋪設(shè)土工材料)、倒裝結(jié)構(gòu)等不同情況下半剛性基層瀝青路面的施工工藝、質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測方法。通過試驗段的鋪筑,發(fā)現(xiàn)了施工過程中存在的問題,通過問題的溝通和解決,提高了施工工藝和施工質(zhì)量管理水平;通過試驗段的質(zhì)量檢測,對不同路面結(jié)構(gòu)的使用狀況進行了分析,提出了提高水穩(wěn)砂礫基層質(zhì)量的有效建議。