江 波

(吉林省建設(shè)集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)春市 130025)

0 引言

目前，工程上普遍采用重型擊實(shí)法確定水泥穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水率，靜壓法成型試件測(cè)試其強(qiáng)度, 進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì), 并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。但隨著壓實(shí)機(jī)械噸位及性能的不斷提升，使得80年代提出的室內(nèi)擊實(shí)法及靜壓成型法嚴(yán)重落后于當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際水平,無(wú)法真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振碾成型的基層,室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與基層實(shí)際應(yīng)用效果相差較大, 如施工含水率大、壓實(shí)度超百現(xiàn)象普遍、現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度遠(yuǎn)大于室內(nèi)試件強(qiáng)度等, 進(jìn)而無(wú)法有效地預(yù)測(cè)與控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量, 影響了水泥穩(wěn)定碎石基層使用品質(zhì)。在這種背景下，我們積極配合吉林省重點(diǎn)工程科技項(xiàng)目《瀝青路面材料VVTM方法設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用》，對(duì)垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[1-3]。

1 工程簡(jiǎn)介

榆樹至松原段高速公路為鐵力至科右中旗高速公路(簡(jiǎn)稱鐵科高速)吉林境東段，是《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013～2030年)》中綏芬河至滿洲里高速公路(G10)的聯(lián)絡(luò)線(G1015)，也是《吉林省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》(2014～2030)“五主、一并、一環(huán)、七聯(lián)絡(luò)”中的聯(lián)三線，在國(guó)家和區(qū)域路網(wǎng)中居重要地位。高速公路主線采用設(shè)計(jì)速度120km/h四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度 27.0m，全封閉立交。試驗(yàn)路段長(zhǎng)4.58km，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，配合比為水泥∶碎石=6∶94(質(zhì)量比)，級(jí)配為規(guī)范推薦的C-B-1，見表1。

2 級(jí)配與試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥為冀東牌P.O42.5水泥，集料為吉林長(zhǎng)春產(chǎn)安山巖。技術(shù)指標(biāo)略，均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，為試驗(yàn)路段工程用材料。

2.2 混合料級(jí)配

采用項(xiàng)目組優(yōu)化的強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配(GM)，見表1。

表1 水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配范圍

2.2.1強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)原則

根據(jù)抗裂原理，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)[1,4]原則如下：

(1)粗集料形成骨架，較強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)有利于改善水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度、抗干縮或溫縮裂縫能力。

(2)細(xì)集料數(shù)量充足，能夠?qū)Υ旨闲纬傻墓羌芸障妒┮跃o密填充，這有利于提高結(jié)構(gòu)的耐久性，也是充分發(fā)揮優(yōu)良路用性能的必要條件。

(3)確定骨架密實(shí)型級(jí)配，必須考慮易于鋪筑和壓實(shí)，而且比較經(jīng)濟(jì)。

2.2.2強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)方法

(1)粗集料級(jí)配：采用逐級(jí)填充方法。

(2)細(xì)集料級(jí)配：采用同濟(jì)大學(xué)林繡賢教授提出的i法。

把水泥、細(xì)集料和水組成的混合料稱為水泥砂漿。固定水泥摻量，通過(guò)變化i值，考察砂漿的7d無(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度或CBR和收縮性能等，最終確定i值，即細(xì)集料的級(jí)配。

(3)粗細(xì)集料比例：在水泥穩(wěn)定碎石中，以粗集料形成骨架嵌擠，使其空隙率最小，以水泥砂漿填充骨料的空隙，形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，使整體混合料獲得最大的密實(shí)度。因此，在固定水泥劑量前提下，可變化粗、細(xì)集料比例進(jìn)行混合料強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)強(qiáng)度最大原則確定水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配。

2.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.3.1試驗(yàn)儀器

使用項(xiàng)目組自主研發(fā)的垂直振動(dòng)擊實(shí)儀(VVTE)進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化與混合料配合比設(shè)計(jì)。

VVTE的構(gòu)造及工作原理：垂直振動(dòng)擊實(shí)儀(VVTE)的構(gòu)造及工作原理見圖1所示，其中激振器是振動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，由對(duì)稱于垂直平面的兩個(gè)具有轉(zhuǎn)速相等、方向相反的偏心塊構(gòu)成。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，振動(dòng)軸帶動(dòng)兩偏心塊高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力。兩偏心塊產(chǎn)生的離心力水平分量相互抵消、垂直分量相互疊加，形成垂直方向的正弦激振力，使VVTE在理論上產(chǎn)生垂直振動(dòng)，并減少橫向力的剪切作用，確保VVTE的穩(wěn)定性。

1-升降系統(tǒng)；2-機(jī)架；3-上車系統(tǒng)；4-偏心塊；5-轉(zhuǎn)動(dòng)軸；6-下車系統(tǒng)；7-振動(dòng)錘；8-試模；9-控制系統(tǒng)；10-轉(zhuǎn)動(dòng)軸；11-電機(jī)圖1 垂直振動(dòng)擊實(shí)儀(VVTE)的構(gòu)造及工作原理

2.3.2VVTM振動(dòng)參數(shù)及與規(guī)范方法區(qū)別

(1)振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化原則

①振動(dòng)參數(shù)取值范圍應(yīng)盡量接近于現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓路機(jī)技術(shù)參數(shù)工作范圍。

②振動(dòng)參數(shù)配置力求在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大密實(shí)度為原則, 實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)操作的簡(jiǎn)便快速。

③振動(dòng)參數(shù)配置必須確保在振動(dòng)作用下對(duì)級(jí)配影響規(guī)律盡量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際碾壓吻合。

④振動(dòng)參數(shù)配置還應(yīng)考慮機(jī)械零部件具有較高的使用壽命。

(2)振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)上述振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化原則，試驗(yàn)研究工作頻率、激振力、名義振幅及上下車系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)混合料密度及級(jí)配衰減的關(guān)系，確定了VVTE的振動(dòng)參數(shù)見表2，并將其與規(guī)范上推薦的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比[5]。

表2 VVTM方法與規(guī)范振動(dòng)方法比較

2.3.3試驗(yàn)方法

為盡量模擬施工情況，VVTM試驗(yàn)過(guò)程中采用一層裝料方式；最大干密度的確定及試件的成型是以當(dāng)前現(xiàn)有施工機(jī)械水平和施工工藝下所能達(dá)到的最大壓實(shí)水平作為參考，確定振動(dòng)時(shí)間；試驗(yàn)完成后試件可以立即脫模、進(jìn)行養(yǎng)生。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 最大干密度和最佳含水率

采用重型擊實(shí)法與VVTM法確定水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度ρdmax和最佳含水率w0，結(jié)果見表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水率

表3中結(jié)果顯示，VVTM法確定的最大干密度為重型擊實(shí)試驗(yàn)法確定的最大干密度的1.03倍，即以VVTM試件的最大干密度作為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，則水泥穩(wěn)定碎石的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高了3%，稱之為重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 力學(xué)強(qiáng)度

以98%壓實(shí)度分別靜壓成型和振動(dòng)成型試件進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的測(cè)定[6]，結(jié)果見表4。表中Rc(J)0.95、Ri(J)0.95和Ec(J)0.95分別指靜壓試件的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和90d抗壓回彈模量代表值，Rc(V)0.95、Ri(V)0.95和Ec(V)0.95分別指室內(nèi)VVTM試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和90d抗壓回彈模量代表值。

表4 水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度

表4中結(jié)果顯示，相較于靜壓試件，VVTM試件的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和90d抗壓回彈模量代表值最少提升65%。力學(xué)強(qiáng)度的提升，在于振動(dòng)成型方法不僅提高了試件的密實(shí)度，同時(shí)影響了混合料中集料的排列組成形式。此外，由于強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配與VVTM法的應(yīng)用、力學(xué)強(qiáng)度的提升，可以降低水泥穩(wěn)定碎石中水泥劑量，最終減少水泥穩(wěn)定碎石基層收縮開裂。

4 施工工藝

施工過(guò)程遵守“公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則”JTG/T F20-2015，并在下述方面進(jìn)行了改進(jìn)。

4.1 拌和

混合料拌和可采用普通攪拌設(shè)備，除滿足規(guī)范外，要求拌缸有效攪拌長(zhǎng)度≥2.5m。

4.2 攤鋪

4.2.1攤鋪前

攤鋪機(jī)應(yīng)具有良好的抗離析能力，施工前按以下要求進(jìn)行調(diào)整：

(1)螺旋分料器安裝在低位或中位，不應(yīng)安裝在高位。

(2)螺旋分料器與前擋板和熨平板之間間隙應(yīng)不大于250mm。

(3)應(yīng)采取如增設(shè)橡膠擋板或鋼板等措施以降低前擋板離地高度，離地高度宜小于50mm，見圖2。

(4)前擋板兩端安裝橡膠擋板等，以防止兩端混合料自由滾落。

圖2 設(shè)與不設(shè)前擋板對(duì)離析的影響

4.2.2攤鋪中

攤鋪時(shí)符合以下要求：

(1)攤鋪時(shí)應(yīng)勻速、不停歇，攤鋪速度宜控制在1.5～2.0m/min。

(2)螺旋分料器應(yīng)勻速、不間歇地旋轉(zhuǎn)送料，且全部埋入混合料中。

(3)螺旋分料器轉(zhuǎn)速應(yīng)與攤鋪速度相適應(yīng)，保證兩邊緣料位充足。

(4)攤鋪過(guò)程中，應(yīng)開啟熨平板、夯錘的振動(dòng)功能，并將參數(shù)設(shè)為額定最大值的70%～80%。

4.2.3攤鋪后

攤鋪后、碾壓前，做好下列兩項(xiàng)工作：

(1)設(shè)專人立即對(duì)所攤鋪表面進(jìn)行檢查。局部粗集料集中部位，應(yīng)在碾壓前撒鋪過(guò)4.75mm篩的濕混合料，并人工適當(dāng)拌和。

(2)碾壓前，宜沿型鋼模板側(cè)面將水泥漿灌入基層邊緣混合料中，保證(底)基層邊緣強(qiáng)度。

4.3 碾壓

(1)碾壓時(shí)應(yīng)配備12t以上雙鋼輪壓路機(jī)1臺(tái)，30t以上膠輪壓路機(jī)不少于1臺(tái)，20t以上單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)不少于2臺(tái)。同時(shí)，應(yīng)配備適量的小型振動(dòng)壓路機(jī)。

(2)直線段碾壓時(shí)，壓路機(jī)應(yīng)從外側(cè)向路中心碾壓，平曲線有超高路段，由低側(cè)向高側(cè)、自內(nèi)向外碾壓。

(3)碾壓工藝

①初壓：初壓緊跟攤鋪機(jī)后，采用膠輪壓路機(jī)穩(wěn)壓2遍，前后2遍輪跡不重疊，碾壓速度1.5～1.7km/h。

②復(fù)壓：采用20t以上的振動(dòng)壓路機(jī)，頻率取30～45Hz，先弱振1 遍、再?gòu)?qiáng)振不少于4遍、最后再弱振1遍，碾壓重疊1/2輪寬，碾壓速度為1.8～2.2km/h。

③終壓：采用雙鋼輪壓路機(jī)碾壓消除輪跡、膠輪壓路機(jī)碾壓消除微裂紋，碾壓速度1.5～1.7km/h。

(4)碾壓作業(yè)結(jié)束前，如有局部曬干和風(fēng)干跡象，影響壓實(shí)時(shí)應(yīng)及時(shí)采用噴霧形式補(bǔ)水。

(5)碾壓應(yīng)達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度，且基層表面無(wú)明顯輪跡和微裂紋。水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)在水泥初凝等效溫度時(shí)間內(nèi)完成碾壓工作。

5 應(yīng)用效果

5.1 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度與含水率

試驗(yàn)路段施工完成后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度、含水率進(jìn)行了檢測(cè)，見表5。

表5中結(jié)果表明，以重型擊實(shí)試件密度為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度均超百；以振動(dòng)擊實(shí)試件密度為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度平均為98.9%，說(shuō)明現(xiàn)有的碾壓設(shè)備能夠滿足VVTM法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料壓實(shí)要求。

表5 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度與含水率檢測(cè)結(jié)果

5.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度

取7d現(xiàn)場(chǎng)芯樣，見圖3，測(cè)定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度，見表6。表中Rc(x)0.95和Ri(x)0.95分別為現(xiàn)場(chǎng)芯樣7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)芯樣

表6 現(xiàn)場(chǎng)芯樣和靜壓法、振動(dòng)法成型試件7d

表6中數(shù)據(jù)顯示，芯樣的力學(xué)強(qiáng)度與VVTM試件接近，即VVTM法比靜壓法能更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工效果，可作為重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 水泥穩(wěn)定碎石基層頂面裂縫調(diào)查

對(duì)施工完成后22d的水泥穩(wěn)定碎石基層頂面裂縫情況進(jìn)行了調(diào)查，并與正常路段進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表7。

表7 裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

裂縫調(diào)查顯示，與正常路段相比，VVTM水泥穩(wěn)定碎石基層頂面裂縫平均間距大，其總長(zhǎng)度降低近90%。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)基于VVTM方法確定的強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石基層平整密實(shí)、表面粗糙，利于層間的結(jié)合。

(2)VVTM方法能有效模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，室內(nèi)試驗(yàn)成果能夠真正地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，能客觀準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料性能。以VVTM試件的最大干密度控制現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)，可提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，確保現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

(3)相比重型擊實(shí)法與靜壓法，VVTM方法不僅能夠降低水泥劑量，同時(shí)能大幅度提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度和抗裂性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命，適應(yīng)新時(shí)代高等級(jí)公路建設(shè)的需求。