高速公路水稳碎石基层配合比设计及施工质量控制措施探讨
摘要:本文结合工程实例,详细阐述了高速公路水泥稳定碎石基层的配合比设计,以及拌和、摊铺、碾压和养生等施工工艺要点,并对施工过程中质量影响因素进行分析,提出了施工质量控制措施。
关键词:高速公路;水稳碎石基层;配合比设计;质量控制1、引 言
水稳碎石基层已经成为高速公路基层的主要结构形式,但很长一段时间以来,人们对水稳碎石基层的级配并不重视,认为只要强度符合规范要求即可,甚至出现钻不出芯样而提高水泥剂量的情况。然而,这种做法并不科学,表现为:级配不合理(特别是小于0.075mm粉料含量大),基层易开裂;水泥用量大,强度虽较高,但整体收缩也较大,水泥稳定碎石作为路面基层,不应当仅考虑其强度性能的要求,更应适当考虑其抗收缩、抗变形能力等。因此,加强对水稳定碎石基层配合比设计及其施工过程中的质量影响因素与控制措施进行分析探讨有很强的理论与现实意义。
2、工程概况
湖南西部某高速公路由于交通量大,经常有重车通行,其路面结构设计为:4cm改性沥青马蹄脂SMA13 6cm高性能改性沥青混合料Sup19 8cm高性能沥青混合料Sup25 6mm稀浆封层 36cm水泥稳定碎石基层 18cm水泥稳定碎石底基层。水泥稳定碎石基层具有良好的板体性、水稳定性,力学强度高及整体承载能力强等特点。但其也有不足之处,如抗变形能力差,在温度和湿度变化及荷载作用下易产生裂缝等。
为此,设计与施工人员采用了各种措施来增强其抗裂性能,如降低水泥用量,改善混合料的级配,严格控制施工时的含水量及改进养护措施等,这些措施对改善水稳碎石基层的抗裂性能起到显著作用。
3、高速公路水稳碎石配合比设计
3.1 原材料技术指标
1)集料:取自本地石灰岩料场,最大粒径不大于31.5mm,各项指标见表1。
2)水泥:采用P.0.32.5水泥,各项指标见表2。
3.2 配合比设计
《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)规定特重交通情况下,水泥稳定碎石基层材料的7d浸水无侧限抗压强度代表值应在3.5-4.5MPa范围内,且不宜超过4.5MPa。拟定3组不同级配(表3),分别采用不同的水泥剂量进行试验,试验结果见表4。
从表3、表4试验结果可以看出:在3.8%的水泥剂量时,3个级配均能满足强度要求。级配1为骨架密实类结构,相对于级配2、3具有较好的抗裂性能,因此采用级配1作为目标配合比。水泥剂量3.8%时,强度已能满足要求,因此水泥用量确定为3-8%。
4、高速公路水稳碎石基层施工技术要点
4.1 拌和厂的组织管理
拌和厂的首要任务是根据实验室提供的配合比,拌制出质量合格的混合料,因此拌和厂的管理主要集中在对集料、水泥剂量和用水量的管理。
1)集料堆放场地进行硬化处理,并保证排水通畅:为防止各种集料之间相互混杂,不同集料堆之间设一定高度的隔墙,以减小材料混杂造成的级配变蒸发异性:为避免发生离析,集料堆高规定不超过4m;装载机装料时,规定从料堆底部铲装,以减小堆料过程中粗料滚落造成的离析;为防止料仓间串料,料仓间设置加高隔板:另外,对4号料堆进行覆盖,避免雨淋。
2)每d施工前,进行一次混合料筛分,检查其级配是否与目标配合比相符。
3)生产时严格控制水泥剂量,水泥剂量比设计水泥剂量高0.2%。加强目测,随时观察混合料有无灰条、灰团,色泽是否均匀,有无离析现象。
4)施工拌和的含水量比最佳含水量大0.5%-1.0%,以补偿施工过程中水分蒸发的损失。根据集料含水量的大小、气候及气温变化的实际情况以及远距及时调整加水量。
4.2 混合料运输
由于夏季气温高,水分蒸发快,因此规定混合料应在45min内运至摊铺现场,并采取覆盖措施,以减少水分损失。装料时为减少混合料离析,采用3次装料法,并在出料口加设导向板,使混合料在导向板作用下落到车厢中。
4.3 混合料摊铺
采用2台摊铺机并行摊铺,一起进行碾压,以避免纵向接缝。摊铺过程中摊铺机受料斗后端的闸门尽量开大,确保受料斗内始终保持一定量的混合料,且适时调整螺旋分料器的转速,使摊铺机在整个摊铺过程中处于连续稳定的铺料状态。同时派专人跟在摊铺机后进行检查,出现离析现象时由人工铲除,并用新拌混合料填补。为使层间形成良好的联结,铺筑前在下承层表面洒布少量水泥浆,然后摊铺上层。
4.4 混合料压实
最大碾压长度定为30m左右,并规定碾压的延迟时间不得超过2h。碾压按照先轻后重、先边后中、由内到外的原则进行。先用钢轮压路机及时在全宽范围内进行1遍初压(静压),然后用重型振动压路机、轮胎压路机继续碾压,直至达到规定的压实要求为止。碾压速度控制在2-3km/h。碾压过程中,应控制混合料的含水量处于最佳值,如表面水分蒸发得快,应设专人及时补洒适量水;如发生“弹簧”、松散、起皮等现象,应采用人工及时翻开并换以新拌混合料,然后重新碾压。为消除轮迹,碾压轮重叠量为轮宽的1/3。
4.5 养生措施
下基层碾压完成并经压实度检验合格后将表面拉毛.扫除浮料并洒水润湿,然后立即采用不透水薄膜覆盖,保湿养生。上基层碾压结束表面稍干即洒布透层沥青和摊铺稀浆封层进行养生。若洒布透层沥青时遇大风、降雨天气,应先采用不透水薄膜覆盖,保湿养生,待天气好转后再洒布透层沥青。养生期间,应封闭交通。
5、水稳碎石基层施工质量影响因素分析
5.1 水泥稳定碎石基层裂缝产生原因分析
在车辆荷载作用下,基层裂缝会在沥青面层造成反射裂缝,导致面层出现各种病害,因此,施工中应尽量减少裂缝的产生。基层产生裂缝的原因主要有以下几点:
1)水泥剂量过高。水泥剂量越大,则水泥稳定碎石温缩、干缩变形也越大,越容易开裂。
2)级配不合理。细集料含量偏多,特别是粉料(小于0.075mm)含量大时,水稳碎石的收缩也大。
3)混合料离析。离析可造成基层成型后不同地段、上下层间的干缩、温缩不均匀,易产生裂缝。
4)碾压时含水量影响。碾压时含水量过大,则基层成型后蒸发散失水分越多,形成裂缝的可能性越大:含水量过小时,混合料难以压实到规定压实度,混合料抗裂性能也得不到保证。
5)压实度影响。压实度不足,基层整体性就差,强度和性能会下降,抗裂能力也下降。
6)养生措施及交通管制。养生不当时,基层表面的水分蒸发快,极易产生裂纹。另外,在铺筑沥青面层之前,施工车辆特别是重型车
辆的作用,极易造成基层断裂,形成裂缝。
从本高速公路己成型的基层段落看,由于混合料设计为骨架密实型级配且水泥剂量较低。裂缝出现较少。
5.2 压实度主要影响因素分析
影响水泥稳定碎石基层压实度的因素很多,以下仅对主要影响因素进行分析。
1)集料影响:碎石强度不够、针片状颗粒含量大,混合料一压就碎;配合比如果不当,不管级配是偏粗、偏细还是夹有超粒径的颗粒,或者配合比曲线曲折不平顺、不连续,都可能会影响到基层的压实度。
2)含水量影响:水泥稳定碎石混合料处于或略大于最佳含水量状况下才能碾压密实。如果含水量过大,碾压时易形成弹簧:含水量过小,则混合料易松散。这2种情况都致使混合料无法压实。
3)混合料离析影响:在混合料拌和、运输及摊铺过程中均有可能造成混合料离析,这些离析位置如果没有及时处理,则在粗集料集中区不易压实,细集料集中区容易导致过度压实。
4)碾压机械不配套影响:水泥稳定碎石混合料只有在一定的碾压机械组合情况下,以一定的碾压次序并达到一定的碾压遍数才有可能达到合格的压实度。如果压路机的吨位不够,或碾压机械不配套就很难达到规定的碾压效果。
5)碾压层厚影响:碾压层太厚或太薄都难以达到合格的压实度。碾压层太厚,压实功传不到底部;太薄,则碾压层支承不了碾轮的振动压力而破坏,更谈不上压实度和强度。
6)延迟时间影响:如果碾压不及时,碾压时间超过混合料的合适延迟时间,则水泥开始水化结晶,混合料失去活性,内摩阻力增大,不易压实。
5.3 混合料离析的影响因素分析
由于粗集料增加,骨架密实型水泥稳定碎石在拌和、运输和摊铺过程中出现离析的可能性也随之增大。具体说来,导致混合料离析的原因主要有:
1)混合料拌和、装车。混合料的拌和时间过短或过长均会使混合料产生离析。搅拌时间太短,材料不能充分混合:时间过长则会造成粗集料下沉。皮带输送机将混合料送入储料仓时,传送皮带的倾斜角度应尽可能取较小值,以免粒径大的碎石下滑导致离析。临时储料仓向自卸汽车装料时,出料口距车厢的高度太大时,粗粒径碎石会滚动到车厢四周造成离析。另外,装料时单一向自卸车车箱中央集中装料,会使部分粗料滚落在料堆的四周造成离析。
2)混合料摊铺。自卸车向摊铺机受料斗卸料时,如果车箱升起的角度、速度不合理,粗骨料便有可能向前滚动、堆积而造成;层合料离析。摊铺过程中摊铺机的螺旋分料器向两侧分料过程中往往会造成粗集料被拔向两侧并与细集料分离,导致摊铺机两侧由于粗集料增加而离析。摊铺机能否连续、稳定地摊铺也是影响混合料离析的原因之一。
5.4 延迟时间对强度和干密度的影响
水泥与集料遇水会产生凝结硬化作用,混合料会逐渐胶结在一起,因此碾压时需利用一部分压实功来破坏这种胶结作用,使混合料密实。当压实功率不变时,必然影响其压实及后期形成的强度,因此必须进行延迟试验,以确定延迟时间对干密度和强度的影响。将3.8%水泥剂量的混合料分别延迟1、2、3、4和5h后进行击实并成型强度试件,所得结果见图1。从图中可见,强度随延迟时间增加其下降趋势比较明显,而对于干密度来说,影响不是很大。
5.5 水泥剂量测定的影响因素分析
当水泥和集料固定,用EDTA滴定法实测水泥剂量时,试验的影响因素主要是含水量和集料的级配。将集料按表3中的级配1和级配2混合,在4.6%和5.2%含水量情况下分别按0%、1%、2%、3%、4%和5%的水泥剂量拌和,然后过4.75mm方孔筛后进行EDTA滴定试验,结果见图2。从图中可见,含水量对滴定结果影响很小,而级配的变化对水泥剂量的测定结果有很大影响。从图中还可以看出,混合料中细集料含量大时,EDTA的耗量也较高。
6、结 论
6.1 本高速公路采用此种水稳碎石基层的骨架密实型级配对减少水稳碎石基层裂缝具有良好效果,适当降低水泥剂量并不影响其强度。
6.2 由于粗骨料的增加,水泥稳定碎石材料产生离析的可能性随之增大,可在施工过程中通过严格控制予以消减。
6.3 水泥稳定碎石的强度随延迟时间的增加而下降明显,因此在施工中应尽可能缩短各道工序的时间。