公路水泥稳定级配碎石基层施工参数的试验分析

曹 军

(新疆交通职业技术学院,乌鲁木齐 831401)

0 引 言

水泥稳定级配碎石基层是将一定级配的砂砾集料与水泥和水一起拌和后,在最佳含水量状态下碾压成型,经过养生达到一定强度的路面基层结构,此基层是一种半刚性结构.水泥稳定级配碎石基层,以其水稳定性好、早期强度高等优点广泛应用于高等级公路路面基层,发挥承重作用.尽管其优点多、应用广,但其在不同的地质有着不同的特性,若不详细了解并在施工中控制不当,不但发挥不了其优良特性,还会留下工程隐患,造成不可预料的后果.本文根据试验段结果分析,说明水泥稳定级配碎石基层特性及其施工控制要点.

1 工程试验

1.1 试验段设置

以连云港至霍尔果斯国道主干线新疆奎屯至赛里木湖公路工程第四合同段为例,对水泥稳定级配碎石基层试验特性进行分析.

连云港至霍尔果斯国道主干线新疆奎屯至赛里木湖公路工程第四合同段起止桩号分别为K304+000和K324+000.全长20 km,全线位于伊犁哈萨克沿国道312线,布设地形平坦.选择K315+300～K315+500段为水泥稳定砂砾基层试验段,该路段位于路基直线路段.路基单幅宽度为l 1.75 m,纵坡坡度为0.069%.水泥稳定级配碎石基层设计厚度为30 cm,分层摊形成了牢固的组合断面,摊铺法施工,每层压实厚度为15 cm,分别按水泥含量4.5%、5%、5.5%进行了水泥稳摊铺试验[6],试验设置,见表1.

表1 奎赛公路水泥稳定级配碎石基层试验设置情况表

1.2 施工流程

试验段施工流程如下：

准备下承层→施工放样→集料分仓筛选→混合料拌运→测定含水量→摊铺碾压→养生→测定压实度、平整度→交工验收.

1.3 试验目的

探讨在不同的施工条件下水泥稳定级配碎石基层的强度发展规律、力学性能及裂缝产生情况,并通过试验段工程研究,确定合理的施工参数、施工方案,为后续大规模施工提供科学依据.通过试验路段的铺筑,总结得出以下技术资料.

(1)施工配合比

(2)机械设备有效合理的配置

(3)作业段长度的合理划分

(4)辅助劳动力配置

(5)工艺流程

(6)混合料的松铺系数

(7)成型碾压的遍数及压实厚度

(8)确保工程质量的技术措施及施工关键质量控制点

(9)施工组织管理

1.4 试验材料选定

试验材料严格按照《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034-2000)[4]的技术标准及招标文件技术规范中的规定进行选定.水泥稳定砂砾料选用天然级配砂砾石,最大粒径不超过31.5 mm.由料场筛备,拌和站分仓(0～19.5 mm.19.5 mm～31.5 mm)分级筛分[1].集中拌和,水泥采用天山牌325#普硅缓凝水泥,经现场检测所用水泥技术性能满足要求[2].终凝时间为8 h,初凝时间为4 h.

进场材料必须满足质量要求,且应分成3～4个不同粒径,分级堆放.拌合时分仓进料,拌合.使其符合规范2#(底基层),3#(基层)级配要求[1].

1.5 试验结果

在监理的严格监督与指导下.在试验过程中严格按设计文件、技术规范和试验规程跟班作业、认真操作.经现场检测,不同水泥含量下水泥稳定砂砾基层各项指标,见表2.

表2 不同水泥含量下水泥稳定级配碎石基层各项指标实测结果表

由表2可见,水泥含量为5%时,水泥稳定级配基层的质量最好.通过对多次试验的总结、检验和校正.水泥稳定级配碎石基层摊铺的各项指标,见表3.

2 试验段质量观测及成因分析

水泥稳定级配碎石基层试验段施工实践证明：各种施工裂缝是水泥稳定土半刚性结构施工中普遍存在的问题.它的存在不仅影响了水泥稳定土的整体稳定性,而且降低了结构层的强度和刚度.并且随着时间的推移,混合料的力学性能呈下降的趋势,最终导致沥青面层出现反射性裂缝开裂而破坏.分析其原因主要和以下水泥稳定级配碎石混合料的材料特性有关,应采取相应措施.

表3 水泥稳定级配碎石基层摊铺试验指标结果汇总表

(1)时限性

从水泥投料加水拌和到终止碾压成型有明确的间限制,它必须小于水泥终凝时间.这就要求在作施工组织设计时要认真考虑施工作业段的划分,必须与水泥的终凝时间相匹配.

(2)对水的敏感性

从水泥稳定级配碎石的击实曲线可知,满足规范要求压实度的含水量的变化幅度很小.含水量偏少则混合料松散难以压实;含水量偏大压路机重复碾压容易出现局部或大面积湿软弹.因此在水泥稳定级配碎石的拌和施工中应重视含水量的控制,一定要根据当天的气候条件对用量作适当调整.

(3)离析性

水泥稳定级配碎石混合料在运输、摊铺的过程中容易出现粗细料分离的现象.粗料集中的地方级配差、孔隙率大,碎石嵌锁不好,缺乏水泥的水化固结;细料集中的地方水泥富裕,固结强度高,这就造成底基层(基层)结构强度的严重不均匀性.因此,在施工中我们必须重视运输及摊铺过程中出现的粗细料离析现象,对粗集料“窝”,粗集料“带”要组织专人进行及时处理.

(4)缺乏再生性

水泥稳定级配碎石,有别于二灰碎石.水泥稳定级配碎石的强度发展完全取决于水泥的固结速度.水泥一旦固结,遭到破坏的强度就不可能再生.这就告诉我们,水泥稳定级配碎石基层成型安装期必须封闭交通养生,一般不低于7 d.

(5)脆裂性

水泥稳定级配碎石属低标号半刚性材料,抗弯强度低且层间结合力差,当厚度<10 cm时容易被车轮荷载压碎开裂.因此,规范规定水泥稳定碎石结构独立结构层的厚度≥10 cm.因此,在施工中必须认真控制结构层的施工厚度及结构层顶高标高.

因此,通过试验研究,观测不同的水泥剂量、不同的含水量、不同的级配、不同的施工温度条件下裂缝的产生情况,见表4,分析探讨裂纹或裂缝产生的原因,以减免裂缝至关重要.

表4 不同条件下裂缝(裂纹)观测表

由表4可知.随着水泥含量的逐级增加,混合料的力学强度虽呈递增趋势,但其收缩性能呈下降趋势.因此,一定的水泥含量能改变级配料中细料的收缩性能.通过大量的试验发现,在含水量较大的情况下.基层混合料具有较大的缩裂性质,经严格控制含水量的混合料被压实后,缩裂程度明显降低.此外,由于环境温度变化,温差较大也会造成水稳层表面收缩变形与其内部收缩变形的差异,导致裂缝的产生.而横向贯穿裂缝的产生,主要是由于其本身湿度及温度的变化,使其半刚性板体产生胶凝收缩,当收缩受阻时产生的拉应力超过板体中一局部极限抗拉应力时,在薄弱处便会产生横向裂缝.由于缝端处的温缩应力及干缩应力都较大,使裂缝进一步延伸扩展,从而使裂缝得以横向贯通、纵向贯通.尽管除上述因素外,施工方法、工艺、机具、碾压、养生等因素也会影响水泥稳定集料的结构,但笔者认为,选用最佳的集料级配,严格使用筛分料,禁止使用通料,即通过改变混合料级配,调整级配砂砾料的塑性指数,是减免施工裂缝的最主要途径.

3 设计和施工中应注意的问题

(1)集料的级配尽量采用粗粒土和中粒土,在无侧限抗压强度达到要求[6]的情况下,有利于节省水泥、降低成本.同时,压缩级配范围,使级配曲线连续顺适.

(2)水泥含量尽可能取低限.在无侧限抗压强度达到的情况下,水泥含量不宜超过5%.最好为4%～4.5%,选择适当的刚度,以减少反射裂缝的发生.

(3)水稳层不宜过厚,在达到控制弯沉的情况下,适当增加底基层厚度,以减少基层厚度.

(4)在沥青下面层铺筑完成后.经过一段时间碾压,使其水稳层徐变完成后,再铺筑沥青上面层.

(5)在水稳层铺筑7天内应避免重车碾压,加强洒水养生和保温、保湿的措施,使其尽量减少由于这些因素而增加的裂缝.

(6)水稳层施工所涉及的部门很多,如试验、测量、质检、材料等部门,所以将各部门融合在一起并明确各自的职责,相互配合,对施工生产是十分重要的.因而施工中要求加强施工组织设计和计划管理,增加现场施工人员的紧迫感和责任感,加快施工进度,加大机械化施工程度,提高机械效率.

(7)机械设备应该满足如下要求：拌料时采用专用带有电子计量装置的高性能稳定土拌和机.为了保证水稳层的厚度一致、完整无缝.摊铺时采用双机作业,最好为同一机型.为保证压实度,有必要配备一台光轮压路机和一台胶轮压路机.在水稳层边缘压路机工作不到的地方,要用蛙式平板振动机进行碾压.运输车辆必须足够,防止停机待料.洒水车及发电机也是必备的机械.

(8)水泥应选用初凝时间2 h以上和终凝时间宜在6 h以上的低标号水泥.特别注意的是初凝时间.它是水泥稳定碎石施工控制时间的重要依据.要根据每天生产所需的水泥量及水泥厂供货周期决定存储水泥罐的容量及个数.以防出现断料情况.在水泥稳定碎石的施工中.水的需求量是很大的.所以做好水供应的保障工作对施工生产十分重要.

(9)施工阶段是工程质量的形成阶段.工程的一次性特点,决定了应加强施工阶段的质量控制.监理工程师要做好混合料配合比、拌合、摊铺、整平、压实几个方面的监督检查工作以满足要求[5].

4 结 语

实践证明,只有掌握水泥稳定级配碎石的工程特性和施工要点,从几个方面采取措施,对于控制水泥稳定级配碎石层施工质量,有很大的帮助.从后期的水稳层钻芯取样和质量评定的结果充分说明了这一点.

[1] 中华人民共和国交通部.JTG E42-2005公路工程集料试验规程[S].北京：人民交通出版社,2005.

[2] 中华人民共和国交通部.JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 中华人民共和国交通部.JTG F80/1-2004公路工程质量检验评定标准[S].北京：人民交通出版社,2004.

[4] 中华人民共和国交通部.JTJ 034-2000公路路面基层施工规范[S].北京：人民交通出版社,2000.

[5] 交通部公路科学研究所.JTJ 059-95公路路基路面现场测试规程[S].北京：人民交通出版社,1995.

[6] 中华人民共和国交通部.JTJ 057-94公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京：人民交通出版社,1994.