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        山區(qū)高速抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪施工應(yīng)用研究

        2022-11-09 08:34:54陽俊沈杰劉曠怡
        廣東建材 2022年10期
        關(guān)鍵詞:基層施工

        陽俊 沈杰 劉曠怡

        (1 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司)

        (2 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

        (3 中交二航武漢港灣新材料有限公司)

        0 引言

        水泥穩(wěn)定碎石基層作為高速公路最常用的材料類型,具有承載力高、水穩(wěn)定性好、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn),然而由于路面基層施工工藝特點(diǎn)及水泥穩(wěn)定碎石等半剛性材料自身特性,在工程應(yīng)用中也存在一些普遍問題,如:水泥穩(wěn)定碎石基層的開裂現(xiàn)象比較普遍,抵抗沖刷能力較差,基層厚鋪施工中采用分層攤鋪時(shí)存在施工周期長,上、下基層黏合質(zhì)量差等問題。針對水泥穩(wěn)定碎石材料特性,眾多學(xué)者在提升其抗裂和抗沖刷性能方面進(jìn)行了大量的研究[1-4],提出了抗裂型水泥穩(wěn)定碎石配制及施工關(guān)鍵點(diǎn)。隨著路面施工工藝不斷創(chuàng)新,雙層連續(xù)攤鋪的一次成型工藝也開始廣泛應(yīng)用[4,5]。

        西南山嶺地區(qū)某高速公路由于項(xiàng)目地處西南山嶺低緯地區(qū),溫濕多雨、陽光輻射強(qiáng)、夏季氣溫高、晝夜溫差大,雨季集中,同時(shí)由于地形條件的限制,受重載、超載、持續(xù)高溫等影響,路面車轍病害、疲勞病害及水損害問題較為突出。為使基層整體強(qiáng)度更加均勻,密實(shí)度更高,增強(qiáng)基層的強(qiáng)度及抗水損害性能,需結(jié)合路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過材料優(yōu)選、優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、以及控制抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪施工工藝,才能提高路面基層的施工質(zhì)量及耐久性能。

        1 工程概況

        西南山嶺地區(qū)某高速標(biāo)段全長14.351km,主線為雙向4 車道,設(shè)計(jì)汽車荷載等級采用公路Ⅰ級,設(shè)計(jì)速度80km/h,路基寬度25.5mm。主線路面結(jié)構(gòu)層組成見表1。

        表1 主線路面結(jié)構(gòu)組成

        2 原材料優(yōu)選

        2.1 集料

        優(yōu)選石灰?guī)r宕口進(jìn)行集料加工,集料生產(chǎn)采用“顎式破碎機(jī)(一破)+反擊式破碎機(jī)(二破)”工藝,通過篩孔調(diào)節(jié),控制單檔集料粒徑。集料規(guī)格為:1 號料(19~31.5mm)、2 號料(9.5~19mm)、3 號料(4.75~9.5mm)、4號料(2.36~4.75mm)、5 號料(0~2.36mm),集料關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)要求及試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

        表2 集料物理及力學(xué)性質(zhì)

        表3 集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

        2.2 水泥

        結(jié)合當(dāng)?shù)厮鄰S生產(chǎn)供應(yīng)能力及水穩(wěn)基層材料要求合理選材,并考慮經(jīng)濟(jì)性,選取文山興建復(fù)合硅酸鹽水泥(P.C 42.5),其80μm 篩余量6.45%,標(biāo)準(zhǔn)稠度為26%、初凝時(shí)間337min、終凝時(shí)間419min,抗壓強(qiáng)度:3天21.2MPa,28 天47.3MPa,抗折強(qiáng)度:3 天4.7MPa,28天7.3MPa。

        3 混合料配合比設(shè)計(jì)

        3.1 集料級配設(shè)計(jì)

        抗裂型水泥穩(wěn)定碎石具有穩(wěn)定、良好的骨架結(jié)構(gòu),與普通水穩(wěn)相比,具有強(qiáng)度高,干縮、溫縮裂縫少等特點(diǎn)。大量研究證明,抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在滿足強(qiáng)度的要求下,應(yīng)盡可能減少水泥用量并合理控制細(xì)集料含量[2,7]。要獲得較小的礦料間隙率,實(shí)現(xiàn)較低劑量、骨架穩(wěn)定的水泥穩(wěn)定碎石,需進(jìn)行集料級配優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        采用振動成型的多級嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行級配設(shè)計(jì)。通過粗細(xì)集料分級摻配,采用逐級填充法以及I 法分別確定粗、細(xì)集料級配及最佳質(zhì)量比。不同粗細(xì)集料比例下,集料關(guān)鍵篩孔篩分情況見表4。

        表4 不同粗、細(xì)集料比例下集料關(guān)鍵篩孔篩分結(jié)果

        以水泥劑量4.0%,比較不同粗、細(xì)集料比例下混合料的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

        由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著粗集料比例占比增加,混合料強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢,細(xì)集料較多,骨架趨于懸浮結(jié)構(gòu),細(xì)集料減少,骨架內(nèi)部空隙大。當(dāng)粗集料占比為75%時(shí),骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,混合料強(qiáng)度最高。鑒于此,考慮工程實(shí)踐施工和易性等情況,最終確定粗細(xì)集料的質(zhì)量比為75:25;即最終確定各檔集料19 ~31.5mm:9.5 ~19mm:4.75 ~9.5mm:2.36 ~4.75mm:0 ~2.36mm 的質(zhì)量比為24:31:20:8:17。后續(xù)施工中,建議抗裂型水泥穩(wěn)定碎石集料級配范圍如表5 所示。

        表5 抗裂型水泥穩(wěn)定碎石集料級配范圍要求

        3.2 水泥劑量及最佳含水率確定

        水泥穩(wěn)定碎石基層采用振動碾壓方式成型,為真實(shí)模擬施工現(xiàn)場,測得合理的最大干密度、最佳含水量來控制現(xiàn)場施工質(zhì)量,抗裂水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)時(shí)主要采用振動擊實(shí)法[2,7]。

        試驗(yàn)取用現(xiàn)場水泥,選取水泥劑量為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%進(jìn)行振動擊實(shí)試驗(yàn),確定各組混合料的最佳含水量和最大干密度、7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表6。

        表6 水泥穩(wěn)定碎石基層配合比

        由表6 可知,水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能與水泥劑量正相關(guān),而大量研究也證明,同一級配條件下,水泥穩(wěn)定碎石基層干縮和溫縮系數(shù)隨著水泥劑量增加而增加。因此要滿足水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度要求,并使之具有較小的溫縮、干縮系數(shù)和良好施工性能,最終選用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量為4.0%,最佳含水量4.3%。

        3.3 延遲時(shí)間確定

        水泥穩(wěn)定碎石采用雙層連鋪施工時(shí),混合料從加水拌和到碾壓終了有一定的延遲時(shí)間,其對混合料的強(qiáng)度和密度影響很大。邊旭煒[8]通過二次振動試驗(yàn)測得模擬施工現(xiàn)場,對水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪延遲時(shí)間各種因素進(jìn)行詳細(xì)分析,提出最大延遲時(shí)間確定方法。參照此方法,測得延遲時(shí)間對水穩(wěn)性能影響,結(jié)果如表7 及圖2 所示。

        表7 延遲時(shí)間對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石性能影響

        從表7 及圖2 可看出,延遲時(shí)間控制小于9h 時(shí),因二次做功,對混合料進(jìn)一步壓密,水穩(wěn)強(qiáng)度較一次振實(shí)有一定程度增加,當(dāng)延遲時(shí)間繼續(xù)增加,水穩(wěn)強(qiáng)度降低較明顯,延遲時(shí)間超過12h,其強(qiáng)度已低于基準(zhǔn)強(qiáng)度。此外,考慮現(xiàn)場施工氣溫、風(fēng)速等,并考慮二次擾動對水泥穩(wěn)定碎石基層層間結(jié)合特性的影響[9],應(yīng)盡可能控制延遲時(shí)間不超過6h。

        4 雙層連鋪施工要點(diǎn)

        水泥穩(wěn)定碎石基層采用“雙層連鋪、一次成型”施工工藝時(shí),需一次達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),尤其要通過合理化組織,精細(xì)化作業(yè),加強(qiáng)施工過程管控。施工時(shí)應(yīng)對原材料、混合料配比、拌和過程、攤鋪及碾壓等質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)控制。

        4.1 原材料

        應(yīng)嚴(yán)格控制水泥及集料質(zhì)量。水泥應(yīng)選擇穩(wěn)定性可靠的廠家,初凝時(shí)間應(yīng)大于3 小時(shí)(宜大于4 小時(shí))、終凝時(shí)間大于6h 且小于10h。集料生產(chǎn)應(yīng)采用反擊破破碎工藝,確保集料粒型符合要求,尤其應(yīng)嚴(yán)格控制細(xì)集料0.075mm 通過率和塑性指數(shù),盡可能減少水泥穩(wěn)定集料中的粘土含量。建議合成級配通過0.075mm 篩孔的顆粒含量盡量控制在5%以下,通過4.75mm 篩孔的顆粒含量盡量控制在35%左右;如含有塑性指數(shù)的土?xí)r,塑性指數(shù)宜控制在4 以下。

        4.2 混合料配比

        在生產(chǎn)施工過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制集料級配的變異性,集料摻配時(shí)應(yīng)合成級配呈“S”型,嚴(yán)格控制關(guān)鍵篩孔通過率,當(dāng)集料來源改變或者采用多來源集料時(shí),應(yīng)該提前進(jìn)行配合比驗(yàn)證,必要時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)??紤]水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性,可通過改善集料級配的方法以減少水泥用量,水泥劑量不宜大于5%。

        4.3 拌和過程

        為確保生產(chǎn)的混合料的拌合質(zhì)量,拌和樓進(jìn)行混合料生產(chǎn)前,試驗(yàn)人員應(yīng)對原材料含水檢測,確保總用水量處于最佳范圍。夏季或氣溫較高時(shí),應(yīng)考慮水分散失等因素,最佳含水量應(yīng)提高0.5%~1.0%。拌和生產(chǎn)時(shí),應(yīng)驗(yàn)證拌和均勻性。

        4.4 混合料攤鋪

        雙層攤鋪時(shí),應(yīng)提前將底基層灑水濕潤,上基層施工時(shí),下基層表面應(yīng)噴灑水泥凈漿,水泥凈漿量宜不少于0.5~1.2㎏/m2,灑布長度以不大于攤鋪機(jī)前30~40m 為宜。為減少攤鋪離析現(xiàn)象,攤鋪機(jī)變速箱處必須安裝反向葉片,派專人檢查攤鋪機(jī)后方,及時(shí)鏟除局部集料堆積或離析部位,并用新拌混合料填補(bǔ)。

        4.5 碾壓

        混合料攤鋪后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行碾壓。選用試鋪段施工得到最佳碾壓組合,碾壓段落為40~60m,推薦碾壓組合方式見表8。

        表8 推薦的碾壓方式組合

        碾壓過程中應(yīng)重視接縫處理,攤鋪中斷或每段工作結(jié)束時(shí)要設(shè)置橫縫時(shí),攤鋪機(jī)駛離攤鋪混合料末端,壓實(shí)后碾壓末端形成斜坡。攤鋪新混合料前,檢測接縫處平整度,垂直切去不合格部分,清理干凈,涂刷黏層油,混合料騎縫碾壓,呈“八”字形,先橫向碾壓至新鋪混合料處,再縱向碾壓。

        4.6 養(yǎng)生及交通管制

        合理的養(yǎng)生能保證水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度,也能有效地減少或避免干縮裂縫產(chǎn)生。在基層碾壓完成并經(jīng)檢測合格后,應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)生,避免基層表面水分散失??捎猛凉げ几采w灑水養(yǎng)生,也可灑布乳化瀝青。灑水養(yǎng)生時(shí),應(yīng)視氣候情況,每日灑水5~6 次,做到均勻撒布,養(yǎng)生期不少于7d。

        5 應(yīng)用效果

        ⑴碾壓過程中,采用灌砂法對基層壓實(shí)度進(jìn)行全面檢測。各測點(diǎn)壓實(shí)度均能滿足要求(不小于98%)。其中上基層壓實(shí)度均大于100%,下層壓實(shí)度介于98%~99%之間。

        ⑵養(yǎng)生結(jié)束后,鉆取芯樣進(jìn)行完整性檢測,共取芯5 處,均能取出完整芯樣,密基層上部和下部連接緊密,從圖3 可以看出現(xiàn)場取出的芯樣較為完整,說明水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連鋪施工效果與養(yǎng)生效果均比較理想。

        ⑶自抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層施工完成,通過近3個(gè)月對基層裂縫發(fā)展情況持續(xù)觀測,多數(shù)路段未出現(xiàn)裂縫,少數(shù)出現(xiàn)裂縫路段裂縫間距約300~400m。

        6 結(jié)語

        施工實(shí)踐表明,采用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石一次攤鋪成型工藝,能減少下基層養(yǎng)生等施工工序,減少或延緩了路面裂縫的產(chǎn)生,在提升路面施工效率的同時(shí),提高了路面的施工質(zhì)量及耐久性能。

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