水泥穩(wěn)定碎石的施工工藝與技術研究.doc

水泥穩(wěn)定碎石的施工工藝與技術研究水泥穩(wěn)定碎石的施工工藝與技術研究 1 關于水泥穩(wěn)定碎石基層在國內外運用的形勢 水泥穩(wěn)定碎石具有足夠高的強度 板體性 水穩(wěn)性以及抗凍性等優(yōu)點 它 可以根據(jù)交通量的大小 通過材料組成設計 調整強度的高低來滿足不同的交 通量 不同道路等級的要求 完全能適應重交通量和高速公路路面基層的需要 水泥穩(wěn)定碎石強度比較穩(wěn)定 它受水分變化的影響不大 而且它的強度越高 穩(wěn)定性越好 由于水泥穩(wěn)定碎石的表面比較粗糙 清潔 能通過透層油或封層 油與面層很好地聯(lián)成整體 無論是拌和還是攤鋪 都能由機械來完成 機械化 程度越高 質量越能得到保證 因此在國內外得到廣泛的應 此外 還有許多 的施工單位發(fā)明了新的施工工藝 雖然其優(yōu)點很多 使用范圍也比較廣泛 但是若對其特點了解不足 施工 質量控制不好 就不能充分發(fā)揚其長處 甚至會留下工程隱患 造成嚴重的后 果 2 水泥穩(wěn)定碎石施工中存在的缺點 2 1 材料級配 水泥用量 離析 成活時間難控制 2 2 從拌和到碾壓的時間短 凝結時間過短不利施工安排 由于水泥的凝 結時間一般為1 3小時 而水泥穩(wěn)定碎石基層在實際施工中 拌和站距攤鋪點 較遠 對于大規(guī)模機械化施工 要保證在水泥終凝之前完成攤鋪和碾壓操作很 困難 特別是夏季溫度較高時 往往未等到攤鋪 水泥已凝結 拌和料呈顆粒 狀 嚴重影響穩(wěn)定基層的密實度和膠結強度 此外 水泥穩(wěn)定碎石基層屬于硬 性貧水泥混凝土 加水量大時穩(wěn)定層強度降低 干縮率增大 抗裂性差 加水 量小時則工作性變差 穩(wěn)定層呈松散狀態(tài) 密實度降低 2 3 水泥穩(wěn)定碎石的干縮 收縮裂縫引起路面破壞 水泥穩(wěn)定碎石基層 中的膠凝材料為水泥 而水泥基材料在水化形成強度過程中易產生干縮性裂縫 尤其是隨水泥用量及用水量的增加 其收縮性更大 基層表面易出現(xiàn)較為規(guī)則 的間距為5 15m橫向裂縫 這種橫向裂縫在交通荷載或溫度應力的反復作用下 由下層逐漸反射到瀝青混凝土表層 使表層產生規(guī)則的反射裂縫 在路表雨水 的滲透作用下 半剛性基層和底基層以及路基層將產生濕脹 降低其承載能力 從而形成瀝青混凝土路面的早期病害 3 如何從施工工藝方面解決上述問題 從施工工藝中可以一定程度上解決上述問題 首先 認清水泥穩(wěn)定碎石 的組成和性質 水泥穩(wěn)定碎石是以水泥 碎石 石粉 水為原料 以適當?shù)募?配和配比拌和而成 該混合料屬于半剛性材料 在水泥穩(wěn)定碎石混合料中 水 泥是活性材料 其配比多少直接影響到基層的強度和收縮變形 若水泥配比過 多 易產生收縮變形 水泥配比過少 則形不成一定的強度 一般情況下 水 泥配比以3 6 為宜 集料是水泥穩(wěn)定碎石的主體 它與基層強度有著密切 的關系 集料本身的質量及級配還直接影響到水泥摻量的大小 水對水泥的水 化 混合料的拌和 攤鋪 碾壓乃至形成強度的整個過程 一般拌和過程中含 水量應控制在5 8 攤鋪 碾壓過程中由于水分蒸發(fā) 還要及時補充灑水 知道了水泥穩(wěn)定碎石的組成和性質之后 就可以看出有以下幾個因素造成 上述問題 原材料 配合比 含水量 混合料的拌和 攤鋪 碾壓及養(yǎng)生的整 個過程 3 13 1 原材料的控制 原材料的控制 碎石質量要求 水泥穩(wěn)定碎石基層的強度主要是依靠碎石本身的強度 石料的嵌擠鎖 結作用和水泥材料的穩(wěn)定膠結作用而形成的 根據(jù) 公路規(guī)范 要求 水泥穩(wěn)定 碎石單個顆粒的最大粒徑不應超過37 5mm 而碎石強度以集料壓碎值表示 一般 不得大于30 碎石的外觀 針片狀含量 碎石采購時應選取具有棱角且近于立 方體 碎石料中扁平細長的顆粒含量不得大于15 水泥的品種及規(guī)范要求 由于不同類型的水泥具有不同的干縮性 經多次對各種水泥使用效果比較 其 中道路用普通硅酸鹽水泥干縮性較礦渣水泥干縮性小 因此 選用干縮性小的水 泥 可在一定程度上降低裂縫的機率 公路路面基層施工技術規(guī)范 JTJ034 2000版 以下簡稱 公路規(guī)范 主 要要求水泥穩(wěn)定碎石基層用的水泥初凝時間在3h以上 終凝時間在6h以上 其他 水泥指標與普通混凝土相同 水泥強度等級采用32 5標準等級水泥即可 石屑 通過篩分設備最小篩孔的集料 一般為0mm 5mm 其作用是作為碎石間填 充材料 以保證達到水泥穩(wěn)定碎石基層要求的密實度和強度 公路規(guī)范 要求石料中粒徑小于0 075mm的顆粒含量不應超過7 3 23 2 配合比的控制 配合比的控制 水泥穩(wěn)定碎石基層混合料中集料級配的好壞不但對基層強度有影響 而且對 其他的路用性能也有影響 公路路面基層技術規(guī)范 中規(guī)定水泥穩(wěn)定類基層 的強度宜在3MPa到4MPa之間 而目前在高速公路建設中 有些施工單位在施工過 程中過分強調水泥碎石基層的強度 認為強度越高越好 并在工地配合比設計中 盡可能地選擇強度高的配比 有的道路在水泥碎石基層完工后進行7d鉆芯取樣 測得的抗壓強度達到7MPa 8MPa 甚至10MPa以上 這種盲目提高強度的做法導致 基層剛度過大 容易產生其他負面的影響 這種做法是不值得的提倡的 這樣不 僅浪費了材料 而且水泥穩(wěn)定碎石基層的效果也不能充分發(fā)揮 從理論上來說 介于規(guī)范級配范圍上下限內的級配曲線有許多條 一般情況 下 在水泥劑量 石料的強度 石料形狀等滿足相應規(guī)范要求的前提下 根據(jù)這 些級配曲線配置的混合料7d抗壓強度大都符合要求 但各個級配混合料的抗裂 性能和抗沖刷性能卻有較大的差異 近些年來 實踐證明 對于用水泥穩(wěn)定碎石 這類半剛性材料作基層的道路 在使用中發(fā)生破壞的原因 除了極少數(shù)是為因抗 壓強度不足引起的以外 大多是由于其收縮性大或抗沖刷能力不足所致 雖然規(guī) 范中對水泥碎石基層材料的抗收縮性能 抗沖刷性能沒有明確的要求 但是在配 合比設計中應該有所考慮 在實際使用中 如果同時要求水泥碎石基層材料的抗壓強度 抗裂性和抗沖 刷性都達到最好的狀態(tài)非常困難 因此所選用的配合比應該是在充分考慮道路沿 線地質 水文 氣候以及施工難易程度的條件下 抗壓強度 抗裂性和抗沖刷性 之間的一種平衡 例如 在抗壓強度滿足要求時 對于比較干旱 但溫差較大的地 區(qū) 就應著重考慮基層材料在溫縮下的抗裂性是否能夠滿足實際要求 具體配比 應該通過相應的試驗確定 此外 在配合比設計中應充分地考慮到在實際施工是 否易于操作 例如 攤鋪機攤鋪粗料含量較多的混合料時 由于攤鋪機分料器在分 料的過程中將混合料中的粗顆粒撥到了兩側 易使局部的地方出現(xiàn)離析現(xiàn)象 而 細料含量較多時 壓實階段容易產生彈簧現(xiàn)象 與之相比 當混合料配比適當時 則極少發(fā)生離析和彈簧現(xiàn)象 此外 碎石級配應符合10mm 30mm級配要求 實踐證明 用同一劑量的水泥 穩(wěn)定級配良好的碎石 其強度和耐久性要比用級配不好的碎石的強度和耐久性高 為保證顆粒組成合理密度 在施工期間應在現(xiàn)場設專人負責隨機抽樣檢測石料級 配 若發(fā)現(xiàn)不符合上述要求時 及時通知拌合站調整級配 使其符合級配標準 附 表 水泥穩(wěn)定碎石混合料集料組成 附表 水泥穩(wěn)定碎石混合料集料組成 通過下列篩孔 mm 的重量百分率 集配 31 526 5199 54 752 360 60 075 范圍 10090 10072 8947 6729 4917 358 220 7 3 33 3 含水量 含水量 實際施工中 拌合物施工含水量應比試驗最佳含水量高0 5 1 0 即可 如 含水量過低 小于最佳含水量 混合料難以成型 壓實度達不到設計要 求 鉆芯取樣松散 板結性差 其強度達不到設計要求 如含水量偏高 水泥水 化后剩余水分會因蒸發(fā)而引起水穩(wěn)層自然收縮 產生裂縫 混合料的含水量與氣 溫有著密切的關系 氣溫在5 10 時 以設計含水量為準 氣溫在10 20 時 含 水量應加大2 3 氣溫在20 以上時 含水量應加大3 5 隨著氣溫的變化應 及時調整混合料的含水量 此外影響拌合料含水量的因素還很多 施工過程中必 須做到勤測 在動態(tài)中找到平衡 3 43 4 混合料的拌和 混合料的拌和 a 配料要求準確 應采用電子計量系統(tǒng) 電子計量系統(tǒng)在使用前必須校正 b 含水量要略大于最佳含水量 使混合料運到現(xiàn)場攤鋪后碾壓時的含水量 不小于最佳值 c 拌合料要先經過試拌 檢測 調整 直至拌合均勻后 再正式拌合 3 53 5 混合料的運輸 攤鋪 混合料的運輸 攤鋪 為了節(jié)省倒車 拌合料攤鋪時間 一般采用15t以上的自卸汽車運輸較好 并要求車況良好 每天上班前應對車輛進行常規(guī)檢查 排除故障 防止裝滿料 后不能卸車 時間太長 引起水泥穩(wěn)定級配碎石混合料凝固而造成浪費 同時 應用篷布覆蓋 一方面減少運輸途中的灑漏 污染路面 另一方面 減少運輸 途中的水分蒸發(fā) 混合料攤鋪前應將下承層充分灑水濕潤 干燥的下承層會吸收混合料下部 的水分 使得混合料底層難以壓實成型 采用攤鋪機攤鋪 為了避免水泥穩(wěn)定基層中間縱縫接縫 一般采用ABG型攤 鋪機全斷面攤鋪 且攤鋪前應事先測量鋼釬標高 掛好鋼絲繩 鋼釬應選用具 有較大剛度的 6 8鋼筋加工而成 并配有固定架 固定架采用絲扣為好 便于拆卸和調整標高 鋼纖長度為60cm 70cm 鋼絲繩采用 3 不宜太大也不 宜太小 另配兩套緊線器 將鋼絲繩拉緊固定 鋼釬一般以10m一個斷面 間距 大容易產生懸鏈效應 兩鋼釬之間鋼絲下垂出現(xiàn)誤差 間距太小則增加了工作 量 測量跟不上 若遇有平曲線路段 則應加密鋼釬 采用5m一個斷面 鋼釬應打設在離鋪 設寬度以外30cm 40cm處 以防與施工機械碰撞 或由于機械的振動 造成鋼 絲的跳動 而干擾攤鋪機自動找平系統(tǒng) 鋼釬打設完后 根據(jù)控制標高來確定 鋼釬頂標高 推算固定架的高度 安裝好固定架 掛好鋼絲繩后 檢查是否有特殊點即忽高忽低現(xiàn)象 如出 現(xiàn)這種情況則應進行標高復測 直到調整好為止 如果夜晚加班攤鋪 則應在 白天完成所有測量工作 此外 在攤鋪施工過程中 測量人員應隨時檢測其標 高 確保施工的精確度 如果不具備大型的全斷面攤鋪設備 水泥穩(wěn)定碎石攤鋪可以采用兩臺攤鋪 機梯隊作業(yè) 這樣沿線兩側應設置2根高程控制線 中間設置可拆除的高程控制 桿 第一臺攤鋪機沿高程控制線和控制桿攤鋪 第二臺攤鋪機沿已攤鋪的平面 和外側高程控制線攤鋪 瀝青攤鋪機攤鋪水泥穩(wěn)定碎石混合料時 應將螺旋布料器進行調整 宜將 布料器定位在高位 以適應厚層攤鋪的要求 布料器中部采用大葉片 邊部采 用小葉片 以使攤鋪過程中布料器內各處料位一致 在攤鋪過程中 由于混合料的滾動 螺旋布料器內上層混合料是一層離析層 只有粗集料 為了不使鋪筑的混合料出現(xiàn)離析 布料器內料位應略高 以免上 層混合料影響攤鋪效果 在攤鋪過程中偶爾出現(xiàn)離析現(xiàn)象時 應及時調整布料器內料位等方面 通 過攤鋪機解決離析現(xiàn)象 而不宜采用人工挖補 3 63 6 混合料得碾壓 混合料得碾壓 一般說來 壓實工作在平路機基本攤平后便進行 用振動壓路機先快速滿 輪過一次 之后按道路的高程 橫坡和縱坡 用平路機刮平 比設計高程高 1 5cm一2cm 成型后再用振動壓路機慢速碾壓4遺一6遍 然后用兩輪壓路機過 l遍一2遍 使集料形成密實狀態(tài) 再用三輪壓路機打平碾壓 直至達到設計壓 實度 最后用膠輪壓路機碾壓 但要嚴格控制碾壓時間 碾壓要在45min內完成 碾壓的順序應為 靜壓一振壓一再靜壓 因為攤鋪機攤鋪虛鋪厚度較厚 碾壓時容易壅包 故碾壓時應成鋸齒狀 不能在同一直線上壓齊 同時碾壓時 應重疊1 2輪寬 后輪必須超過兩段的接縫處 穩(wěn)壓階段行走速度應控制在 1 5km h 1 70km h 壓實階段速度應在2 0km h 2 5km h 細壓階段壓路 機行走的速度應控制在2 5km h 起步和制動應做到慢速度起動 慢速剎車杜絕 快速起動及急剎車現(xiàn)象 在碾壓過程中 若發(fā)現(xiàn)局部蠻包 應用人工或平地機刮平處理后再繼續(xù)碾 壓 碾壓全過程應控制在45min內完成 若碾壓時間超過45min 則應增加壓路 機臺數(shù) 碾壓完成規(guī)定的遍數(shù)后 應及時檢測壓實度 如果壓實度沒有達到規(guī) 范要求 則應繼續(xù)碾壓 但碾壓時間與前面拌和 碾壓時間之和不能超過水泥 的終凝時間 壓過程中 如離壓路機側限邊緣30M之內有大量水穩(wěn)料滾動 表明混合料過 濕 按試驗帶上的方法碾壓后仍達不到壓實度時 說明水泥穩(wěn)定碎石集料過干 如果混合集料穩(wěn)定 其碾壓要與試驗帶的遍數(shù)一樣 使出現(xiàn)沉降的可能性降到 最低程度 3 73 7 養(yǎng)生及交通管制 養(yǎng)生及交通管制 1 每一段碾壓完成并經壓實度檢查合格后 應立即開始養(yǎng)生 2 養(yǎng)生方法 應將麻袋事前濕潤 然后人工覆蓋在碾壓完成的基層頂面 每天適當時間用灑水車灑水 在15天內始終保持麻袋處于濕潤狀態(tài) 不得用濕 粘土 塑料薄膜或塑料編制物覆蓋 上一層路面結構施工前方可移走覆蓋物 期間應定期灑水 養(yǎng)生結束后 必須將覆蓋物清除干凈 3 用灑水車灑水時 灑水車的噴頭用噴霧式 不得用高壓式膠管 以免 破壞基層結構 每天灑水次數(shù)應視氣候而定 整個養(yǎng)生期間應始終保持養(yǎng)生覆 蓋物表面濕潤 4 安排專人經常翻開麻袋片檢查水穩(wěn)基層表面潮濕狀態(tài) 灑水的均勻性 根據(jù)天氣情況隨時調整灑水遍數(shù) 同時認真觀察裂縫產生情況 并做好記錄和 標記 5 基層養(yǎng)生期不應少于15天 養(yǎng)生期內灑水車必須在另外一側車道上行 駛 6 在養(yǎng)生期間應封閉交通 嚴禁一切車輛通行 7 養(yǎng)生結束后宜盡早做下封層 盡早鋪筑面呈 未鋪筑面層的路段不 宜開放交通 有了上述的各種控制再加上有序的施工組織就可以將水泥穩(wěn)定碎石的缺點 減少到最少 從而發(fā)揮它的優(yōu)點 4 4 水泥穩(wěn)定碎石的水泥穩(wěn)定碎石的技術研究技術研究 水泥穩(wěn)定碎石的技術研究包括以下幾個方面 如何盡量延長水泥穩(wěn)定碎石 的凝結時間 密實骨架水泥穩(wěn)定碎石的設計 水泥穩(wěn)定碎石施工中的超密現(xiàn)象 的原因及對強度的影響 4 4 如何盡量延長水泥穩(wěn)定碎石的凝結時間 為了延長水泥的凝固時間 防止出現(xiàn)裂縫 可以在水泥穩(wěn)定碎石中加入各 種緩凝阻裂劑 主要有HNF 6 ZL 木鈣 HNF 2等 以加入HNF 6緩凝阻裂劑為研究對象來說明緩凝劑的優(yōu)點 加入HNF 6緩凝阻裂劑水泥穩(wěn)定碎石的物理力學性能 HNF 6緩凝阻裂劑物理性能指標 HNF 6緩凝阻裂劑是一種能大幅度降低 水表面張力功能的有機黃酸鹽 為羥基羧酸鹽與元機硫鋁酸鹽等多種成份復合 的有機化合物 顏色淡黃 呈粉末狀 對人體無毒付作用 對自然環(huán)境元污染 其物理指標如表1 HNF 6緩凝阻裂劑均質性指標 項目指標 容重 g cm3 1 15 細度 45um大篩余量 5 含水量 4 凈漿動率 mm 180 氯離子含量無 HNF 6緩凝阻裂劑的減水作用 表2試驗結果說明 HNF 6緩凝阻裂劑具有一 定的減水作用 減水率可達6 9 這樣在保證用水量不變的情況下 可使 水泥穩(wěn)定碎石的工作和易性明顯改善 從而有利于機械化雄鋪和壓實 提高穩(wěn) 定基層的密實度 HNF 6的緩凝與降低水化熱作用 表2試驗結果說明 水泥中摻加HNF 6緩 凝阻裂劑能明顯延長水泥的凝結時間 在正常摻量下水泥的凝結時間可以延長 6 8h 通過摻量調整還可進一步延長凝結時間 摻HNF 6緩凝阻裂劑的水泥基 材的放熱速率明顯降低 水化熱高峰出現(xiàn)的時間大大推遲 見圖1試驗結果表明 摻HNF 6緩凝阻裂劑的水泥漿體1d水化熱僅有純漿體的1 7 3d水化熱為純水 泥漿體的74 2 7d水化熱為純水泥漿體的91 c HNF的阻裂膨脹作用 采用HNF摻量3 5 占水泥用量的比例 與不摻時進行砂 漿試件膨脹與干縮試驗 砂漿尺寸40 x 40 x 160mm 試件養(yǎng)護及成型按 GB8076 1997 規(guī)定 測量膨脹與于縮的試件在成型1d后脫模用干分尺測定試 件基長 在溫度20 1 濕度55 60 的室內養(yǎng)護 按不同齡期進行側長 從表3的試驗結果可以看出 摻 HNF 6組裂劑的水泥凈漿在水中的線膨脹率較 不摻HN 6的凈漿高出十幾倍 即使在自然空氣中養(yǎng)護 摻HNF 6阻裂劑的水泥 凈漿在14天前仍有一定的膨脹 隨后才有少量的收縮 在28天的收縮也只有 0 005 仍小于水泥漿的極限應變值 而不摻HN 6阻裂劑的水泥凈漿在1天后 就出現(xiàn)收縮 7天時收縮值已超過極限應變 穩(wěn)定碎石基層的試驗證明 摻加水 泥用量3 5 的HN7 6阻裂劑的穩(wěn)定碎石基層砼試件 28天基本無收縮 42天 的收縮率為1 5 x 10 4 遠小于會引起混凝上開裂的變形值 這說明摻HN 6 阻裂劑的水泥穩(wěn)定粒料具有一定的微膨脹性可以補償干縮 具有明顯的抗裂性 摻HNF 6的水泥膠砂增強作用 試驗用巢湖425號普通硅酸鹽水泥 不同用量 的水泥膠砂中摻入3 4 的HNF結果如表4 從表4可以看出水泥膠砂強度提高 了近20 50 在強度不變的情況下 可以節(jié)約水泥20 結論 1 摻加HNF 6高效緩凝阻裂劑的水泥穩(wěn)定碎石基層具有一定補償收縮功能 可有效地防止和減少水泥穩(wěn)定碎石層的開裂 從而大大減少路面早期損壞 提 高路面的耐久性 2 HNF 6高效緩凝阻裂劑具有緩凝減水作用 可以延長成型時間 改善工 作性能 提高碾壓密實度 從而提高穩(wěn)定層的強度 3 使用HNF 6高效緩凝阻裂劑 可以提高水泥穩(wěn)定碎石基層強度20 50 而在保證強度的情況下可以節(jié)約水泥10 15 因此直接費用基本持 平或略有增加 如果綜合考慮路面質量提高后 道路的維修費用降低及使用期 限延長帶來的經濟效益 使用附6高效緩凝阻裂劑則具有明顯的經濟效益和社會 效益 總的來說摻加緩凝劑有助于提高水泥穩(wěn)定碎石的綜合性能 各種緩凝劑的性 能雖不盡相同 但是它們的經濟效益和社會效益在建成公路以后的使用中會體 現(xiàn)出來 4 24 2 密實骨架水泥穩(wěn)定碎石的設計 密實骨架水泥穩(wěn)定碎石的設計 為了改善水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能 這里提出了密實骨架結構水泥穩(wěn)定碎 石基層 及其配合比設計方法 并對此進行了大量室內外試驗 結果表明 骨 架密實結構水泥穩(wěn)定碎石基層具有良好抗裂性能 4 2 1 水泥穩(wěn)定碎石材料抗裂性能評價方法 在評價材料的抗裂性能時 應全面考慮材料的力學性能 尤其是極限抗拉強度 或極限抗拉應變 溫縮或干縮應變 而不能僅考慮溫縮或干縮系數(shù)大小 而評 價干縮性能時還需考慮其失水量 因為兩種不同材料平均干縮系數(shù)可能相差不 大 而由于各自含水量不同和可能產生的干縮應變也就不相同 水泥穩(wěn)定碎石基層材料在溫度作用或失水作用下的開裂模式可以直觀地理解為 在溫度作用或失水作用下產生的收縮應變超過了材料自身所能承受的最大拉應 變 因此采用材料的溫度收縮系數(shù)或干燥收縮系數(shù)與材料極限抗拉應變的比值 來表征其抗裂性能 亦即用溫縮抗裂系數(shù) T max t 干縮抗裂系數(shù) max d來表征材料所能承受最大溫差或濕差變化范圍 T 或 值反映了 材料的抗溫度 或抗?jié)穸?收縮相對能力 其值越大 表明材料抗溫度 抗干燥 收縮性能越好 反之亦然 嚴格來講 材料的極限拉應變應通過材料的軸向拉伸試驗獲得 但是以目前 試驗設備很難達到這一目的 所以在這里近似地采用由材料的抗彎拉強度與抗 彎拉模量E 計算得出材料的極限拉應變代替 計算極限拉應 max取決于強度R 和剛度E 兩項指標 即 max R E 所以在同樣強度情況下剛度越小 極限 拉應變越大 高強度低剛度有利于提高材料的極限拉應變 因此 在基層材料 組成設計時 盡量設法降低材料的溫度收縮系數(shù)和干燥收縮系數(shù) 同時改善材 料的柔韌性即設法提高 max 從而使抗裂性能得到改善 耐久性得到提高 4 2 2 原材料性質 研究所用原料有水泥 碎石及河砂 細度模數(shù)2 5 為中砂 其主要技 術性質見表 4 2 3 秘史骨架結構水泥穩(wěn)定碎石配合比設計方法 1 嵌擠原則 假設集料為直徑D球體 按簡單的立方體填積 顆粒排列堆積的最松 狀況即對邊長為D的立方體 放一個直徑為D的球 其空隙率為 6 47 6 1 3 3 D D V 如果為D 2的球 則可放8個 如果為D 4的球則可放64個 如果為D 8的 球客方512個 空隙率總是 6 47 6 1 V 2 集料級配確定方法 先按上述嵌擠原理確定粗骨料用量 然后粗骨料的空隙由次一級顆粒所填充 其余空隙又由再次一級顆粒所填充 但填隙的顆粒不得大于其間隙的距離 否 則小顆粒之間勢必發(fā)生干涉現(xiàn)象 這種既有嵌擠 又填充的集料在理論上應該 是摩阻力 凝聚力和密實度最好的混合料 具體計算過程如下 2 4料視密度2 68g cm3 集料最大干密度一般在1 9 2 1g cm3 以 2 0 g cm 計 考慮到施工中粗料不可能按理想嵌擠原理排列 所以其空隙率 比理想的會略大 計算時取空隙率為50 故2 4料重量占混合料總重的百分比 約為 1一0 5 2 68 2 0 67 在保證l 2料不過分擠開2 4料前提下 其 重量最多占到剩余重量的67 左右 亦即其用量不得超過 1 67 67 22 0 5 1 0料用量為7 在上述計算的基礎上 本文保證大骨料2 3料占總骨料的67 不變 根據(jù)篩 分結果及部分擊實試驗結果 按最大密實度原則對l 2料 0 5 1 0料用量分 別作了調整 調整后的集料組成見表3 3 主骨料與細料比例的確定 按照密實骨架結構的特點 骨料形成骨架嵌擠結構 細集料 砂 和水泥作為 結合料填充骨料的空隙 形成密實結構 從而達到混合料整體最大密實度 混 合料的整體性由結合料貢獻 因此作為結合料主要材料砂的用量就成了影響混 合料整體性的一個重要因素 考慮到施工中粗集料用量偏大可能會導致離析 本文參照水泥混凝土配合比設計方法 確定砂用量為35 骨架密實混合料級 配A的組成見表4 作為對比 本文還采用了 公路瀝青路面設計規(guī)范JTJ 0l 4 97 所推薦級配 B 其組成見表5 圖l為骨架密實結構和懸浮結構的通過量曲線 比較可見 本 文推薦的骨架狀態(tài)是嵌入式 考慮到工地上水泥劑量常取5 故本研究中兩種 結構水泥用量均采用5 即水泥 集料 5 95 4 試驗方法 1 試件成型 試件成型前首先進行重型擊實 求出混合料的最大干密度和最佳含水量 其結果見表6 然后按最大干密度和最佳含水量以97 的壓實度成型試件 試件為10 cm 10 cm 40 cm梁和15cm 15cm圓試件 在標準養(yǎng)生條件下養(yǎng)生90 d 2 收縮系數(shù)測試方法 試驗時將試件在養(yǎng)生到期前一天進行浸水養(yǎng)生1d 然后取出進行電測試件的 制作 最后接入應變儀半橋電路進行溫縮或干縮系數(shù)的測定 溫縮試驗溫度范 圍采用50 一一30 C 干縮試驗溫度采用40 C 3 抗拉強度與抗拉模量 為了控制試驗加載精度 試驗在MTS上進行抗拉模量采用電測法測定 5 抗裂性能研究 1 強度與剛度 兩種結構的水泥穩(wěn)定碎石材料其90 d齡期的抗拉強度和抗拉模量測定結果 見表 7 表明 骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石的抗拉強度和抗拉模量都比懸浮結構的要 大 體現(xiàn)出骨料形成的骨架結構對強度的貢獻 2 溫度收縮系數(shù) 90d齡期的兩組水泥穩(wěn)定碎石材料的溫縮試驗結果見表8 由表8可以看出 骨架密實結構A組其收縮系數(shù)明顯優(yōu)于懸浮結構B組 平均 溫縮系數(shù)要小17 8 這是因為A組混合料孔隙率小于B組 所以材料受孔隙中 水的擴張作用 毛細管張力作用及冰凍作用影響相對來說就比較小 從而表現(xiàn) 為A組溫度收縮性能優(yōu)于B組 另外還可以理解為 隨溫度下降材料發(fā)生收縮 水泥穩(wěn)定碎石材料試件雖然在宏觀上表現(xiàn)不受力 但是混合料的各組分材料的 溫度收縮系數(shù)各不相同 因而試件內部各組分材料必定處于受力狀態(tài) 如果結 構處于懸浮狀態(tài) 那么內應力的作用使其顆粒之間有機會擠壓孔隙 較小的孔 壓要平衡作用其顆粒上的內應力 勢必要通過縮小體積增大孔壓 從而在宏觀 上表現(xiàn)出較大的溫度收縮系數(shù) 若結構處于 骨架接觸及孔隙結構 狀態(tài)下 那 么內應力作用只能使顆粒之間相互擠壓 而顆粒的壓縮性畢競有限 所以表現(xiàn) 為較小的溫度收縮系數(shù) 3 干燥收縮系數(shù) 90 d齡期水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮試驗結果見表9 由表9可以看出 骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石90 d齡期的平均干縮系數(shù)比懸 浮結構水泥穩(wěn)定碎石的要小31 5 最大干縮系數(shù)要小29 4 干縮的產生是因為伴隨水分蒸發(fā)和水化反應進行 材料內部水分的減少而 發(fā)生毛細管作用 吸附作用 分子間作用 材料礦物晶體或凝膠體問層問水的 作用和碳化作用等引起水泥穩(wěn)定碎石材料產生體積收縮 骨架密實結構是因為 結構緊密 顆粒間的約束與牽制作用加強 同時因其空隙率較小 受毛細管張 力 吸附水和分子間力作用以及層間水作用相對來說也較小 所以其干縮性能 要優(yōu)于懸浮結構水泥穩(wěn)定碎石 4 抗裂性 兩種結構抗裂性能比較結果見表10所示 由表10可如 A組溫縮抗裂系數(shù)比B組提高了30 6 而干縮抗裂系數(shù)比B組提 高了22 3 由此可見骨架密實級配水泥穩(wěn)定碎石與常規(guī)級配水泥穩(wěn)定碎石相比 具有 優(yōu)良的抗裂性能和力學性能 不但減輕了瀝青路面的裂縫率 而且也提高了路 面的承載力 從而提高了瀝青路面的耐久性 因此骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石具 有較好的發(fā)展前景 4 34 3 水泥穩(wěn)定碎石施工中的超密現(xiàn)象的原因及對強度的影響 4 3 1 概述 衡量水穩(wěn)施工質量優(yōu)劣的一個重要指標是壓實度 即現(xiàn)場壓實后取樣測定 的干密度與標淮干密度的比值 壓實度越大說明壓實質量越好 一般而言 如 果確定標淮干密度的室內擊實試驗的擊實功與工地擁有的壓路機的壓實功相當 所用材料基本一致 也即室內試驗時材料的最佳含水量和最大干密度正好與工 地采用壓路機壓實時的最佳含水量和最大干密度相當 則工地施工壓實度很難 達到100 然而在目前水穩(wěn)施工的壓實度檢測中可以發(fā)現(xiàn) 壓實度幾乎都能達 到甚至超過100 出現(xiàn)超密現(xiàn)象 如此高的壓實度本來應該是件好事 可由于 影響現(xiàn)場干密度的因素很多 很復雜 而且干密度的增大并不總是能帶來強度 的提高 因此對超密現(xiàn)象的原因及其可能對水穩(wěn)強度造成的影響應做具體的分 析研究 只有這樣才能保證水穩(wěn)作為路面基層起到有效的承重作用 4 3 2 影響水穩(wěn)強度的因素分析 水穩(wěn)是由數(shù)種級配集料所組成的混合料摻加一定劑量的水泥和適當?shù)乃?經振 動壓實并凝固后形成的結構 它與水泥混凝土有許多相似之處 如使用的主要 材料基本相同 成型后均需要養(yǎng)護 它們的強度都是由骨料相互嵌擠形成的內 摩擦力和結合料與骨料的粘結力組成等 除此之外它們也有很大的差別 首先 是成型方法不同 前者通過壓路機的振動碾壓成型 后者依靠振搗器震搗成型 其次為盡可能減少水泥收縮引起的裂縫 水穩(wěn)對水泥用量有較嚴格的限制 第 三由于強度的要求和碾壓成型的需要 水穩(wěn)比水泥混凝土對集料有更嚴格的級 配要求 下表為徐宿高速公路某標段水穩(wěn)芯樣強度的試驗資料 資料表明 雖然與低標號 15 混凝土相比水穩(wěn)的水泥用量 水泥劑量為 5 5 只有后者的一半左右 但28d后的強度卻大致相當 由此可見相比水泥 泥凝土 骨料相互嵌擠形成的內摩擦力對水穩(wěn)強度構成有更重大的意義 內摩擦力的大小取決于骨料相互嵌擠的程度 嵌擠程度愈高骨料間的內摩 擦力愈大 嵌擠程度的高低是由碎石的級配和密實度決定的 在嵌擠作用形成 的過程中壓實起了關鍵的作用 在壓實過程中通過對水穩(wěn)混合料施以夯壓能量 使骨料顆粒重新排列壓實變密形成嵌擠 水穩(wěn)混合料在短時間內得到了新的結 構強度 包括增強骨料間的摩擦和咬合 所以良好的級配 充分的壓實可以讓 骨料形成最大程度的嵌擠從而得到最大的內摩擦力 可以說集料的級配和壓實 的質量是決定水穩(wěn)強度的主要因素 水泥用量當然也是影響水穩(wěn)強度的重要因 素 增加水泥用量固然可以提高水穩(wěn)強度 但同時也會帶來諸如裂縫開展過多 導致板體性減弱 反射裂縫增多等負面影響 所以 提高水穩(wěn)強度不應僅采取 增加水泥用量的措施 而更應以通過改進集料的級配 提高密實度增強骨料相 互嵌擠形成的內摩擦力為主要手段 況且密實度的提高也可以相對減少結合料 即水泥的用量 影響水穩(wěn)壓實效果的因素很多 根據(jù)壓實機理可歸納為以下三點 一是級 配 只有良好的級配才能保證在充分壓實后得到較大的密實度 二是壓實機械 的壓實功能 碾壓所做的功只有克服骨料顆粒之間的內摩阻力才能使顆粒產生 移動相互靠近變密實 因此壓實機械必須具備相應的壓實功 三是含水量 當 某一壓實功壓實到一定程度后就不能再克服骨料間的抗力 如果加入適當?shù)乃?就可起到潤滑的作用 使內摩阻力減小 同樣的壓實功就能夠得到更大的密實 度 所以含水量大小對所能達到的密實度起著很大的作用 4 3 3 標準于密度對壓實度超密的影響 在公路工程施工中壓實度是評價和控制壓實效果的一個重要指標 壓實度 是指現(xiàn)場材料壓實后的干密度與該材料的標準干密度之比 可用下式表示 式中標準干密度是由擊實試驗確定的 用規(guī)定的擊實試驗方法得到的材料 的最大干密度即為它的標準干密度 所謂超密是指壓實度超過100 即壓實后 的現(xiàn)場測定的干密度大于擊實試驗所確定的最大干密度 最大干密度與含水量 有密切的關系 擊實試驗表明對同一擊實功而言干密度與含水量是相對應的 盡管在實際施工中出現(xiàn)壓實度超過100 的 絕對超密 情況可能并不多見 但是 相對超密 現(xiàn)象即相對同一含水量現(xiàn)場干密度超過了擊實曲線所對應的干密度 往往很普遍 含水量的大小是決定壓實效果諸因素的綜合體現(xiàn) 因此為了能準 確分析超密的原因不僅要研究 絕對超密 更應研究 相對超密 它更能反映超 密的實質 對強度的影響也更大 鑒于此若在衡量壓實質量的標準中增加相對 壓實度 即現(xiàn)場干密度與相同含水量擊實試驗所對應的干密度之比 指標可能可 以更好 更為科學地評價壓實的質量 式 1 可見標準干密度的取值直接關系到壓實度的大小 擊實理論表明 影響材料密實的因素很多如材料級配 擊實功大小 擊實方法 含水量等 不 同的試驗方法或材料得到標準干密度必然不同 從這層意義上講壓實度實質上 只是一個相對的概念 如果確定標準干密度的室內擊實試驗的條件包括材料 擊實功大小 含水量等與現(xiàn)場施工時的條件不相匹配 則標準干密度作為評價 壓實質量的尺度肯定就不夠準確 壓實度就不可能正確反映現(xiàn)場壓實質量的優(yōu) 劣 因此在研究超密原因時必須從研究影響標準干密度的因素人手 分析規(guī)定 的擊實試驗是否能代表現(xiàn)場施工的實際狀況 主要差別是什么 以及可能造成的 影響 4 4 4 級配變化引起的超密及其對強度的影響 由于不同級配集料的相對密度即粗細集料顆粒的密度是不同的 一種級配 良好并壓實得很好的集料的干密度 可能由于其相對密度較小 而小于另一種 級配不佳且壓實得不好 但相對密度較大的集料的干密度 因此 若級配發(fā)生 變化或即使在一個級配范圍內可級配范圍較寬的集料經壓實后 在于密度和強 度方面都會有所差別 水穩(wěn)施工所用集料的級配應與確定標準干密度的室內試驗所用集料的級配 相同 但實際上因受各種因素的影響總存在或多或少的差異 引起級配變化的 原因大致可歸納為以下幾個方面 級配本身是一個范圍而不是一個定值 只 要在規(guī)定范圍內的級配都是符合要求的 與大規(guī)模生產時所用集料的數(shù)量相 比 試驗所用的集料是很少的 因此所取試樣的級配與正式生產時就不可能完 全一致 可能存在誤差 石料在生產過程中因篩網 除塵等原因造成各種集 料的級配不穩(wěn)定 集料存放時由于各種規(guī)格的集料混放 堆放不合理 各種 污染等原因造成級配變化 生產混合料時因計量不準確及其它機械原因引起 混合料級配的變化 混合料在裝卸 運輸 攤鋪過程中可能發(fā)生集料的離析 如果上述因素引起的級配變化導致集料的相對密度大于確定標準于密度的 室內試驗所用集料的相對密度就會造成超密 前面已說明集料級配對水穩(wěn)強度 有重要影響 因此對由于級配變化而給水穩(wěn)強度帶來的影響 如在同樣的壓實功 作用下 因粗集料過度集中引起的超密 就有可能由于壓實不足 細集料填充 不夠導致骨料嵌擠不充分 孔隙過大而結合料相對減少等從而造成水穩(wěn)強度的 下降 應引起高度重視 為此在水穩(wěn)施工中所用集料的級配應盡可能保持與擊實 試驗所用集料的級配相一致 4 4 5 壓實功的提高造成的超密及其對強度的影響 目前控制水穩(wěn)壓實質量的標準于密度指標是通過重型擊實試驗確定的 重 型擊實試驗標準是上世紀八十年代國家根據(jù)當時的壓實機械以靜力壓路機 小 噸位振動壓路機為主的情況而采取的標準 隨著對路面要求的不斷提高 為保 證壓實質量大噸位壓路機已得到了廣泛的應用 例如在徐宿高速公路路面基層 的水穩(wěn)施工中所使用的壓路機械一般均為激振力超過30t甚至達到40t的重型振 動壓路機如INGERLAND175 180 VV170 Yzl8J BW DHl30等以及18 20噸的大 噸位靜力壓路機和膠輪壓路機 相對于這種壓實機械情況下的壓實功 重型擊 實標準的擊實功明顯偏小 因此即使采用重型擊實標準的擊實功確定的最佳含 水量和最大干密度也不可能與實際使用的重型壓路機的壓實功相匹配 壓實理 論表明 任何級配集料的最大干密度和最佳含水量都不是固定不變的 它們隨 擊實功大小的變化而變化 對某種級配的集料而言 擊實功增加其最大干密度 增大 最佳含水量減小 所以使用重型振動壓路機必然會引起超密 壓實功增大引起的超密對強度有何影響呢 一般來說 材料的密度愈大其強 度愈高 但這一規(guī)律也是有條件的不是絕對的 關鍵在于碾壓時含水量的控制 法國公路局的有關資料表明碾壓混凝土的含水量若變化1 則很容易導致其強度 降低20 30 根據(jù)壓實材料的強度特性 密度愈大強度愈高的規(guī)律只存在于 含水量小于某一臨界值的情況下 含水量超過此臨界值后 強度和密度的關系 曲線就會出現(xiàn)一個峰值即一個最大值 甚至強度隨密度的增加而不斷減少 換 言之 當碾壓時的含水量超過最佳含水量一定值后 存在一個與最高強度相應 的臨界密度 超過此密度就會出現(xiàn)隨密度的增加強度下降的現(xiàn)象 產生這種現(xiàn) 象的原因可初步分析如下 當碾壓時集料的含水量大于最佳值時 骨料孔隙中 的氣體越來越處于與大氣不連通的狀態(tài) 擊實作用只能將其壓縮而不能將其徘 出 空氣由于受到壓縮 使骨料中的內應力增大 從而導致產生裂縫造成強度 降低 水穩(wěn)施工中 雖然由于使用重型振動壓路機增大了壓實功從而提高了密 實度 但施工所用的含水量卻仍是按重型擊實標準的擊實功所確定的最佳含水 量控制的 擊實試驗表明 隨擊實功增加最佳含水量相應應減小 所以施工所 用的含水量肯定大于實際壓實功所要求的含水量 因此超密尤其是相對超密有 可能造成強度的降低 4 4 6 擊實試驗與振動壓實機理不同引起的超密及其對強度的影晌 擊實試驗是研究材料壓實性能的室內基本試驗方法 可以很好地模擬靜力 壓實的過程 是目前最通用的確定標準于密度的方法 擊實是指對材料瞬時地 重復施加一定的機械功能使材料變密實的過程 其機理可解釋如下 在擊實過 程中 通過對材料施加一定沖擊荷載產生的剪應力 克服材料顆粒間的摩擦阻 力 從而使材料產生塑性變形 迫使材料顆粒相互靠近并移動到更穩(wěn)定的位置 隨著顆粒的不斷靠近 接觸面積逐漸變大 它們之間的摩擦阻力也隨之增大 當內摩阻力與集料自身的剪切破壞應力相等時 顆粒就停止靠近 所以擊實作 用有一個極限的密實效果 若無限增加擊實功 不僅達不到更加密實的效果 反而會破壞材料本身的結構 與擊實使材料變密實的機理不同 振動壓實的機理是通過對材料