水泥乳化沥青稳定基层设计与施工

刘中平

(1.安徽交通职业技术学院,安徽合肥 230051;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

水泥乳化沥青稳定基层设计与施工

刘中平1,2

(1.安徽交通职业技术学院,安徽合肥 230051;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

上世纪修建的水泥混凝土路面破损严重,路面改造时为了解决半刚性基层沥青路面的反射裂缝问题,设计采用新型基层结构形式——水泥乳化沥青稳定碎石基层,提高路面整体结构的抵抗变形和抗裂缝能力。结合安徽省道S320沿江二级公路铜陵段旧水泥混凝土路面改造工程,介绍在旧水泥混凝土路面上加铺水泥乳化沥青稳定碎石基层的结构设计和施工方法。

水泥;乳化沥青;基层;设计;施工

0 引言

二十世纪八、九十年代,为了适应经济快速发展和交通量迅猛增长的需要,我国因地制宜大量修建水泥混凝土路面。随着交通量逐年增长,超载、超限车辆严重,特别是周围厂矿和石料厂运输车辆形成重或特重交通,正常的养护措施不足以从根本上解决问题,水泥混凝土路面的损坏日益严重,显著降低了路面使用质量(行车车速、舒适性和安全性)和使用寿命。上世纪修建的水泥混凝土路面大多数已不能适应道路交通量的增长和社会经济发展的需要,需要对路面进行改造。

随着交通事业的快速发展,现有的路面结构显得过于单一。目前国内外都存在的水泥稳定碎石基层沥青路面由于基层的大量裂缝而产生反射裂缝的问题严重,因此有必要探讨新型的基层结构形式——水泥乳化沥青稳定碎石基层。采用添加乳化沥青的水泥稳定碎石基层,可以提高路面整体结构的抵抗变形能力和抗裂缝能力。

采用的设计方案为对旧水泥混凝土路面板块进行冲压破碎处理作为加铺沥青路面的底基层[1],加铺平均厚度为20cm的水泥乳化沥青稳定碎石基层,然后摊铺6cm厚AC-20中粒式沥青混凝土下面层和4cm厚AC-13细粒式改性沥青混凝土上面层。

1 乳化沥青在路面基层施工中作用原理

乳化沥青(Asphalt emulsion,Emulsified asphalt)也称沥青乳液,是石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经乳化加工制得的均匀沥青产品[2]。加工时将加热的沥青与加入一定数量活性剂、稳定剂水溶液的混合体,通过机械搅拌剪切而生成的一种含有相当数量水沥青处于水中悬浮状态的常温筑路材料。它同水泥一起与符合级配要求的骨料拌和,经铺筑碾压后,通过一定时间的养护而形成具有一定强度的水泥、沥青、碎石混合物结构体——水泥乳化沥青稳定碎石基层。

水泥乳化沥青稳定土基层由于有乳化沥青的加入,对于保证水稳基层在优良的温度和湿度环境下完成水化反应过程和骨料间的相互粘结稳定起着一定的作用。主要有以下几点作用:

(1)具有填充性:乳化沥青稀浆具有较好的流动性,很容易进入水稳混合料中的微观空隙中,将稳定基层填充密实而成为整体。

(2)具有良好的粘结性和防水性:稳定基层混合料中,集料级配合理,各集料间能均匀、牢固、密实地粘结在一起,具有较好的水稳性,并能够防止水分蒸发,对于基层养生有着一定的好处。

(3)具有良好的粘结抗滑性能:乳化沥青与集料拌和后,沥青能适量而均匀地分布在集料表面,能够避免和减轻水稳基层施工后出现表面松散、破损的病害现象。

2 水泥乳化沥青稳定碎石基层中原材料的要求

水泥乳化沥青稳定碎石基层用集料的料源稳定性、生产规模、生产工艺及关键性技术指标要求。

(1)集料料源 本基层所用集料在采石场生产过程中必须采用反击式破碎机生产。在采石场满足上述加工工艺的条件下,由承包人试验合格后报监理工程师复核,经业主批准后才能作为料源,不得随意更换,以确保集料质量和规格的稳定性。

(2)水泥 采用强度等级32.5级的矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或其他特种路用水泥,初凝时间3h以上,终凝时间应在6h以上。

(3)碎石 按粒径16 mm-26.5mm、4.75mm-16mm、2.36 mm-4.75mm、和0-2.36mm(方孔筛)四种规格备料,同时应满足水泥稳定碎石混合料基层用粗、细集料的单粒径规格、级配、技术要求,详见表2与表3。每种规格材料进场后的试验项目每1000m3至少做1个样品试验。其最大粒径为31.5mm,公称最大粒径为26.5mm,矿料颗粒级配范围选连续级配、骨架密实型,应满足表1要求。硫酸盐含量超过0.25%的集料,不得用于水泥-乳化沥青稳定。

表1 水泥乳化沥青稳定碎石基层集料的颗粒组成范围

水泥-乳化沥青稳定集料用粗集料单粒径颗粒级配应满足表2规格要求,其中碎石或砾石的压碎值不大于35%。

水泥-乳化沥青稳定集料的组成设计应根据强度标准,通过试验选取最适宜于稳定的集料,确定必需的水泥、乳化沥青剂量和混合料的最佳含水量。

表2 水泥乳化沥青稳定碎石基层用粗集料规格技术要求

细集料规格应满足表3颗粒级配要求,其中0.075㎜通过率不得超过12.5%。

表3 水泥乳化沥青稳定碎石基层用细集料规格

(4)乳化沥青采用符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求的BC-2型慢裂慢凝阳离子乳化沥青。

(5)水凡是人畜可饮用水均可用于水泥-乳化沥青稳定集料施工。

3 配合比组成设计

水泥剂量以水泥质量占全部集料颗粒(即砾石、砂砾、粉粒和粘粒)的干质量的百分率表示,即水泥剂量=水泥质量/干集料质量;乳化沥青剂量以乳化沥青质量占全部混合料的干质量的百分率表示,即乳化沥青剂量=乳化沥青质量/混合料质量。

水泥稳定材料的组成设计包括:根据符合本规定的材料技术指标要求,通过从拌和站堆料场内取样试验,选取合格的集料和水泥;确定合理的集料配合比例、水泥剂量、混合料的最佳含水量和相应的最大干密度。合理的水泥稳定碎石组成应达到强度满足设计要求,具有较小的温缩和干缩系数(现场裂缝较少),施工和易性好(粗集料离析较小)。水泥混合料设计原则:混合料结构组成应具有良好的压实性;混合料配合比组成应能使压实混合料的强度很快达到设计标准值。改善集料级配,在达到强度的前提下,减少水泥用量;粉料含量不宜过多,混合料应具有良好的抗干缩、温缩性能;所设计的混合料既要满足拌和站生产又要在摊铺过程中不易离析[3]。

3.1 水泥稳定集料的抗压强度标准

各级公路用水泥乳化沥青稳定集料的7d浸水抗压强度也应符合表4的规定。特别说明:当水泥稳定土用于沥青路面基层时,基层强度应严格控制,避免由于强度过高、刚度增加所引起的病害[4]。

表4 水泥稳定集料的抗压强度标准

3.2 水泥稳定集料原材料试验

水泥-乳化沥青稳定集料的各项试验应按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[5]进行。:

(1)取所选定料场中有代表性的集料样按《公路工程集料试验规程》[6]进行试验。

(2)对选用的乳化沥青按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[7]进行试验。

(3)按现行水泥新标准检验水泥的标号、初凝终凝时间和水泥的安定性[8]。

3.3 水泥稳定集料混合料的设计步骤:

(1)确定水泥、乳化沥青用量:

按水泥剂量为3.0%,3.5%,4.0%;沥青含量0.5%, 0.8%,1.1%进行正交试验。

初步确定最佳含水量和最大干密度:选上述的水泥剂量分别与沥青含量0.8%,按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ 057-94)进行重型击实试验,初步确定1组最佳含水量和最大干密度。

根据试验所得的最佳含水量和最大干密度,计算其它沥青含量的最大干密度和最佳含水量。

初步确定水泥和乳化沥青最佳用量:根据初步确定的最佳含水量和最大干密度,按规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的马歇尔试验表干法进行配合比的初步设计。

(2)根据初步确定的配合比进行下列验证:

按规定压实度计算试件应有的干密度。按初步确定的配合比、最佳含水量和计算得的干密度制备直径150mm高150mm的粒料无侧限抗压试件。

(3)当材料发生较大变异或更换料源时,应抓紧重新进行配合比设计。

3.4 确定水泥乳化沥青稳定碎石混合料的配合比

经试验后确定采用的水泥乳化沥青基准设计配合比为:碎石(4.75-31.5):碎石(4.75-26.5):石屑:石粉= 37%:21%:17%:25%,水泥设计用量3.5%,添加乳化沥青乳液的用量为1.4%(60%的沥青含量),实际沥青用量约0.8%。

4 试验段铺筑

对旧水泥混凝土路面板块进行冲压破碎处理作为沥青路面的底基层,基层正式施工之前在经验收合格的底基层上进行水泥乳化沥青稳定碎石基层试验段铺筑[9],底基层准备长度为200m-300m。试铺段主要决定如下内容:

(1)验证用于施工的混合料配合比:①调试拌和机,分别称出拌缸中不同规格的碎石与细集料、水泥、水的重量,测量其计量的准确性,标定其流量曲线;②调整拌和时间,保证混合料均匀性;③检查各档碎石含水量,换算为所需掺配比例,同时,测试混合料含水量、水泥剂量、7天无侧限抗压强度。

(2)确定铺筑的松铺厚度和松铺系数[9]。

(3)确定标准施工方法:①水泥混合料配比的控制方法;②基层混合料拌和、摊铺方法和适用机具(包括拌和机搅拌时间、摊铺机的行进速度、摊铺厚度的控制方式等)。结合施工实践,重点对摊铺机的基本参数进行总结。③含水量的增加或减少以及控制方法;④压实机械的选择和组合,压实的顺序,速度和遍数,至少应选择两种碾压方案确保能达到对应结构层的压实标准。推荐采用胶轮对粗级配混合料增加横向搓揉,增加嵌挤紧密程度,之后振压,增加竖向压缩,使混合料更加紧密,提高强度的施工方案;⑤拌和、运输、摊铺和碾压设备的协调和配合。

(4)确定每一试验作业段的合适长度(一般建议60-100m)。

(5)严密组织拌和、运输、碾压等工序,缩短拌和到碾压的时间。

5 施 工

在试验段铺筑成功后,正式进行水泥乳化沥青稳定基层的铺筑施工。采用中心拌和站集中拌和,由摊铺机摊铺作业,一次碾压密实,与普通水泥稳定碎石基层相同。需要注意的是施工中比较关键的工艺就是乳化沥青的加入工艺。乳化沥青的加入方法:采用能控制流量的水泵或沥青泵,在加水的同时,用能控制流量的水泵或沥青泵将在储存罐中的乳化沥青计量泵入拌和机。

6 水泥乳化沥青稳定碎石基层与普通水泥稳定碎石基层相关性能对比

我们釆用路面实体取芯,通过实测数据进行对比,发现添加乳化沥青的水稳路段七天无侧限强度适中,均匀性比较好,在2.7-3.6MPa之间,平均3.37MPa。经两段不同基层进行对比,新型基层比普通水稳基层裂缝减少近3/ 4,见表5。

表5 水泥乳化沥青稳定碎石基层与普通水泥稳定碎石基层性能对比

7 结束语

普通水泥稳定碎石基层中添加乳化沥青构成水泥乳化沥青稳定基层,新型基层强度适中离散性好,裂缝减少2/3以上,能明显减少沥青路面的反射裂缝,提高路面整体结构的抵抗变形能力和抗裂缝能力,投入不大但效果明显,可以推广。

[1] 胡昌斌.冲击压路机破碎改建旧水泥混凝土路面技术[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2] JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[3] 张可誉.道路工程设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4] 孙 江.公路路面基层施工[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5] JTG E42-2005,公路工程集料试验规程[S].

[6] JTJ 052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[7] JTJ 057-94,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[8] JTG F80/1-2004,公路工程质量检验评定标准[S].

[9] JTJ034-2000,公路路面基层施工技术规范[S]

Design and Construction of Cemen t Emulsified Bitumen Stable Base Course

Liu Zhongping1,2
(1.Anhui Traffic Vocational College,Hefei 230051,China; 2.School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

The pavement breakage of cement concrete roads built last century w as serious.In o rder to solve the p roblem of reflection crack in the bituminous pavement of semirigid base course,a new construction of base course of cement emulsified bitumen stable gravel bottoming was designed and used to enhance the resistance against the deformation and crack of overall pavement structure in road reconstruction.Design of the reconstruction of the old cement concrete road paved w ith cement emulsified bitumen stable gravel bottoming w as introduced along w ith the pavement reconstruction p roject of the cement concrete road in Tongling section,as a part of Anhui p rovincial B road S320 dow n the Changjiang River.

cement base course;emulsified bitumen;design;construction

book=0,ebook=12

TU 57+1

A

1673-1794(2010)02-0040-04

刘中平(1963-),男,硕士,讲师,研究方向:路桥工程设计与管理。基金项目:交通科技科研项目(200605)

2009-10-11