振動成型法在水泥穩(wěn)定碎石基層施工中的應(yīng)用

振動成型法在水泥穩(wěn)定碎石基層施工中的應(yīng)用

梁建良

(中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司石家莊050051)

摘要水泥穩(wěn)定碎石基層是我國常用的基層結(jié)構(gòu)形式,但存在水泥劑量與抗壓強(qiáng)度成正比上升的因素,導(dǎo)致干縮裂縫增多的不利現(xiàn)象。介紹了采用振動成型法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜壓成型法的比較結(jié)果,并從理論和實(shí)際操作加以說明。

關(guān)鍵詞水泥穩(wěn)定碎石基層振動法成型靜壓成型水泥劑量混合料配合比

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.031

收稿日期：2015-01-13

水泥穩(wěn)定碎石基層是目前我國首選的道路基層結(jié)構(gòu)，由于水泥穩(wěn)定碎石在溫度、濕度變化的作用下容易產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致基層裂縫和反射裂縫，嚴(yán)重影響路面的使用性能。水泥穩(wěn)定碎石基層中要用到水泥，但是水泥不是用得越多越好，用多了容易產(chǎn)生裂縫，用少了則會影響抗壓強(qiáng)度。為了改善水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能，建議采用“振動成型法”水泥穩(wěn)定碎石基層工藝。

1國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

半剛性水穩(wěn)碎石基層材料具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，便于機(jī)械化施工、容易得到保證等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于高等級公路路面基層施工。但施工過程中易產(chǎn)生收縮裂縫，水泥劑量越大，越容易產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮裂縫，同時(shí)對瀝青面層也會產(chǎn)生相應(yīng)的反射裂縫。為了克服水穩(wěn)碎石收縮裂縫、抗變形能力較差、對荷載敏感性大、抗彎拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，采用目前較為先進(jìn)的配合比設(shè)計(jì)理念，即振

動成型法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

采用振動成型法施工的水穩(wěn)碎石與傳統(tǒng)的重型擊實(shí)方法施工相比，具有良好的抗裂性能和力學(xué)性能，因其水泥用量較少，不但可以降低工程造價(jià)，減輕瀝青路面的反射裂縫，而且也提高了路面的承載能力，從而提高了路面的整體性能，因此采用振動成型法施工的水穩(wěn)碎石具有良好的發(fā)展前景。

2振動成型基本原理

擊實(shí)方法在室內(nèi)通過施加沖擊荷載對被壓材料進(jìn)行壓實(shí)，與現(xiàn)場夯實(shí)過程一致，與現(xiàn)場靜力壓路機(jī)的作用過程雖不盡相同，但就通過對材料產(chǎn)生剪應(yīng)力使之壓實(shí)這一效果來說是相似的。但與振動壓實(shí)通過高頻振動作用使材料產(chǎn)生液化來壓密的過程是完全不同的。靜力壓實(shí)成型試件的方法和靜力壓路機(jī)滾壓的機(jī)理是相同的，但是和振動壓路機(jī)的振動壓實(shí)機(jī)理則不同。

Research on Asphalt Pavement Optimization by Response Surface

DongZhe

(Hebei Province Expressway Langfang Beisanxian County Management Department, Langfang 065000, China)

Abstract：The undetermined coefficient of respond surface was solved based on the Plackett-Burman design method, which was used to evaluate the influence of asphalt pavement indexes firstly. Then, the path of steepest ascent was adopted for further optimization, the optimum pavement factors levels and the relationships among these factors were found out by quadratic regression model equation with Design-Expert statistic methods on the condition of cost and deflection and maximum tensile stress served as the objective. Compared with other pavement design method， Response Surface method is the best choice since it not only saves the foundation but also conducts easily.

Key words: pavement structural; design parameters; response surface; optimization design

室內(nèi)試驗(yàn)作為現(xiàn)場施工質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)力求使室內(nèi)試驗(yàn)真正模擬現(xiàn)場的施工壓實(shí)工藝。為模擬振動壓實(shí)對材料的作用，采用自上而下振動的振動成型壓實(shí)機(jī)。研究使用該成型機(jī)進(jìn)行振動壓實(shí)試驗(yàn)，確定材料的最佳含水量、最大干密度及振動成型試件測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。工藝技術(shù)路線見圖1。

圖1　工藝技術(shù)路線圖

2.1振動法設(shè)計(jì)半剛性材料步驟

(1) 原材料檢測。包括水泥、碎石。

(2) 骨架密實(shí)級配的確定。根據(jù)原材料篩分結(jié)果，確定骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級配范圍，并確定目標(biāo)級配。

(3) 根據(jù)確定的振動參數(shù)，用振動法確定半剛性材料的最佳含水量及最大干密度。同時(shí)采用重型擊實(shí)法確定最佳含水量與最大干密度，并與振動法設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比。

(4) 振動成型半剛性材料試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定最佳水泥劑量。進(jìn)行靜壓法無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，與振動法設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比。 水泥穩(wěn)定碎石混合料振動擊實(shí)和重型擊實(shí)確定的最大干密度及最佳含水量見表1。

表1　水泥穩(wěn)定碎石擊實(shí)結(jié)果

2.2　混合料抗壓強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定碎石振動、靜壓成型試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　水泥穩(wěn)定碎石7 d 抗壓強(qiáng)度

由試驗(yàn)結(jié)果可見，水泥穩(wěn)定級配碎石振動成型試件平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于相應(yīng)靜壓試件的平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 由設(shè)計(jì)結(jié)果可知，針對當(dāng)前半剛性材料設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)：振動法設(shè)計(jì)的水泥碎石與重型擊實(shí)法確定的最佳含水量相當(dāng)，但最大干密度顯著提高，平均為重型擊實(shí)法的1.025倍，如以振動法確定的最大干密度的98%作為壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，則現(xiàn)場密度將達(dá)到重型擊實(shí)法的100%以上。 根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，振動成型試件水泥劑量3.5∶100時(shí)，試件強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此如根據(jù)振動成型試驗(yàn)結(jié)果，考慮施工拌和等因素，則水泥劑量確定為3.5∶100。

2.3　施工檢測及結(jié)果

由設(shè)計(jì)結(jié)果，以及實(shí)際施工效果可見，振動法設(shè)計(jì)的水泥碎石級配要求嚴(yán)格、密度大(壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)高)、水泥劑量小、強(qiáng)度高，以現(xiàn)有的施工機(jī)械，可以將級配控制在級配范圍之內(nèi)、壓實(shí)設(shè)備能達(dá)到振動法要求的壓實(shí)度、現(xiàn)場混合料強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

(1) 施工設(shè)備配置及碾壓工藝。部分標(biāo)段施工設(shè)備配置見表3。

表3　各標(biāo)段施工設(shè)備配置

碾壓工藝如下。YZ220靜壓1遍+YZ220強(qiáng)振4 遍+YZ220弱振1遍+YL160輪胎壓路機(jī)碾壓1遍，共碾壓7遍。 以振動擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度作為標(biāo)準(zhǔn)密度評定壓實(shí)度，用灌砂法測定壓實(shí)度，從試驗(yàn)檢測結(jié)果來看，能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 級配檢驗(yàn)。現(xiàn)場取料篩分檢驗(yàn)結(jié)果，見表4。檢驗(yàn)結(jié)果表明生產(chǎn)中的級配可控制在設(shè)計(jì)級配范圍之內(nèi)，說明設(shè)計(jì)級配范圍確定的范圍合理。

表4　水泥穩(wěn)定碎石現(xiàn)場級配

(3) 基層表觀及心樣強(qiáng)度。現(xiàn)場攤鋪、碾壓過程中均未出現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象，碾壓后的基層表面粗糙、均勻。 試驗(yàn)段心樣強(qiáng)度為6.9 MPa，室內(nèi)靜壓試件抗壓強(qiáng)度為4.4 MPa，室內(nèi)振動成型試件抗壓強(qiáng)度為7.2 MPa。表明振動成型方式與現(xiàn)場振動碾壓效果更為吻合。

(4) 基層裂縫統(tǒng)計(jì)分析。為了分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取了2個(gè)段落分別施工采用靜力法和振動成型法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)碎石基層，K1+000～K1+500段左幅施工采用靜力法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)碎石基層(稱為對比段)，右幅施工采用振動成型法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)碎石基層(稱為試驗(yàn)段)，該段基層于2013年9月份完工，2013年11月份完成基層裂縫調(diào)查，見表5。

表5　基層裂縫統(tǒng)計(jì)

由表5可見，右幅試驗(yàn)段裂縫數(shù)量較少，平均裂縫間距為45 m/條。而左幅對比段裂縫數(shù)量較多，平均裂縫間距為24 m/條。右幅試驗(yàn)段裂縫數(shù)量明顯比左幅對比段裂縫要少得多，這說明采用振動成型法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)碎石基層減少裂縫的效果非常顯著。

3經(jīng)濟(jì)效益分析

使用振動法設(shè)計(jì)半剛性基層的效益估算如下。標(biāo)段全長4.25 km，水穩(wěn)施工長度為4.25 km，其中20 cm 水穩(wěn)定碎石基層13 600 m2，共計(jì)136 000×0.2 m×2.4 t/m3=65 280 t。與原設(shè)計(jì)相比，應(yīng)用振動成型法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石基層材料，可降低水泥劑量1.5 %。水泥價(jià)格為360 元/t，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算，節(jié)省水泥按1.5%計(jì)算，項(xiàng)目工程造價(jià)可節(jié)省65 280 t×1.5%×360 元/t=35.3萬元。 另外，水泥劑量的減少，可以降低基層收縮裂縫。根據(jù)已有工程的應(yīng)用情況分析，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的水穩(wěn)基層平均開裂間距一般在20～30 m左右，按最保守估計(jì)，應(yīng)用振動成型法設(shè)計(jì)的骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石基層平均開裂間距至少在40 m以上。此外，由于裂縫減少，極大地減少了養(yǎng)護(hù)工作和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。養(yǎng)護(hù)工作的減少所帶來的社會效益也是非常巨大的。

4結(jié)語

(1) 規(guī)范所用的重型擊實(shí)法確定的半剛性材料最大干密度過小，以此為標(biāo)準(zhǔn)控制現(xiàn)場壓實(shí)度存在質(zhì)量隱患，而用振動法確定的混合料干密度控制現(xiàn)場質(zhì)量更為合理。

(2) 成型方式對混合料強(qiáng)度有顯著影響，振動成型試件抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于靜壓成型試件抗壓強(qiáng)度。用靜壓法確定的混合料強(qiáng)度控制現(xiàn)場施工要求過高，導(dǎo)致水泥劑量過大，根據(jù)現(xiàn)場強(qiáng)度檢測結(jié)果及振動法優(yōu)化結(jié)果，認(rèn)為在靜壓法確定的水泥劑量的基礎(chǔ)上降低水泥劑量1～1.5%是合理的，不僅降低了工程造價(jià)，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，更重要的是顯著提高了半剛性基層的抗裂能力。

(3) 振動成型法除了通過增加壓路機(jī)來提高壓實(shí)程度外，最重要的還是材料的配比得到了改進(jìn)，減少了水泥用量，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，更重要的是可以徹底解決瀝青路面的裂縫問題。

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