水泥穩(wěn)定砂礫基層裂縫防治方案在墾區(qū)公路建設中的應用研究

于照海

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司 烏魯木齊市 830002)

0 引言

水泥穩(wěn)定類半剛性基層是高等級公路的典型結構，具有成本低、穩(wěn)定性好等特點，但路基材料和結構的穩(wěn)定受氣候環(huán)境影響較大，對于偏遠地區(qū)或氣候特殊地域，受晝夜溫差、雨雪凍融影響，水泥穩(wěn)定類半剛性基層道路鋪筑技術還有待進一步研究和提升[1-3]。孫宇航[4]以吉林某路段工程施工為依托，采用了30%摻量的砂礫進行穩(wěn)定基層的材料特性和施工工藝研究。李國嬡[5]研究了水泥穩(wěn)定砂礫材料的配合比設計對強度的影響規(guī)律，認為密實型骨架結構更有利于砂礫材料的抗裂強度；羅燕[6]研究了不同水泥劑量對砂礫碎石材料的穩(wěn)定作用及強度影響規(guī)律，總結了砂礫碎石基層施工的工藝要求。許世勇[7]研究了低水泥劑量下砂礫碎石材料的力學性能，通過回彈模量測定探究了適宜的水泥劑量摻配范圍。白明舉[8]研究了不同水泥劑量及砂礫摻量下基層碎石材料的抗壓強度、水穩(wěn)定性等，認為低水泥劑量砂礫碎石材料性能達到路用標準；劉書君[9]研究了重載交通環(huán)境下砂礫碎石基層的力學影響變化規(guī)律，認為砂礫碎石的材料和級配對于基層結構的影響較大；汪生忠[10]研究了砂礫碎石基層在戈壁荒漠地區(qū)的應用概況，并結合施工工藝提出了裂縫防治技術。相關研究表明基層裂縫的開展與砂礫材料的性能、配合比設計、施工養(yǎng)護工藝等直接有關，相關研究僅圍繞影響碎石材料性能的某一劣化因素進行研究，缺乏系統(tǒng)性的整體結論[11-12]。本研究結合墾區(qū)公路砂礫碎石基層的建設，系統(tǒng)地探究水泥劑量、成型方式、養(yǎng)生條件、壓實條件、道路結構等因素對砂礫碎石基層材料的性能影響規(guī)律，總結水泥穩(wěn)定砂礫基層裂縫防治關鍵技術。

1 工程概況

1.1 工程背景

甘莫公路，即第六師G216甘泉堡～第八師148團西營鎮(zhèn)公路，位于新疆昌吉州境內(nèi)，是墾區(qū)內(nèi)交通運輸?shù)膭用}和對外交通的基礎，是北疆地區(qū)、昌吉州及第六師公路網(wǎng)的重要組成部分。本水穩(wěn)基層試驗段屬于第六師G216線甘泉堡—148西營公路道路工程第二合同段。試驗段起點樁號K34+600，終點樁號為K37+000。路線全長2400m。

1.2 試驗路方案

研究根據(jù)莫干公路的砂礫碎石基層路段施工進行試驗段材料性能研究，路面結構如圖1所示，碎石材料的級配組成如圖2所示。試驗采用調(diào)整水泥劑量(3.0%～5.0%)的方式設計了8個不同方案的試驗路段，具體方案如表1所示。在4.0%水泥劑量正常路段下，分別采用正常灑水養(yǎng)生、塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生、灑布透層油養(yǎng)生三種養(yǎng)生方案探究對砂礫碎石材料的性能影響。

圖1 試驗段橫斷面示意圖

圖2 砂礫碎石基層材料級配設計

表1 試驗路方案

1.3 試驗段養(yǎng)護與取芯

本試驗段自攤鋪完成，各項工序結束后，施工單位組織有關人員和機械按預定的養(yǎng)護方案進行養(yǎng)護，且在養(yǎng)護過程中在試驗段兩頭分別設路障，禁止養(yǎng)護期間除灑水車以外其他車輛的通行，試驗段上各分段落具體位置如表2所示。

本試驗段養(yǎng)護完成后，施工人員對基層進行了觀察，各種水泥含量的基層均未發(fā)現(xiàn)有開裂情況，養(yǎng)護期后各基層平整，無松散、起包等現(xiàn)象，總體情況良好。0%水泥含量基層(級配碎石基層)芯樣無法成型。3%水泥含量芯樣共取9次，有2個無法成型，芯樣成型情況不是太好。4%和5%水泥含量芯樣可以成型但均有不同程度破損。

2 水泥穩(wěn)定砂礫碎石材料性能研究

2.1 水泥劑量及成型方式對強度的影響分析

研究將不同水泥劑量和不同成型方式下砂礫碎石材料的無側(cè)限抗壓強度進行統(tǒng)計，如表3所示。

將上述抗壓強度均值和代表值繪制成圖分析，如圖3、圖4所示。

圖4 碎石材料抗壓強度代表值

由圖3、圖4及表3可以看出：隨著水泥劑量增大，不同條件下水泥穩(wěn)定砂礫混合料的7d無側(cè)限抗壓強度值也不斷增大；室內(nèi)由于精心控制級配和水泥劑量，最終混合料的強度相對較高。當水泥劑量超過4.0%時，水泥穩(wěn)定砂礫混合料7d無側(cè)限抗壓強度的標準值基本滿足《公路路面基層施工技術規(guī)范》二級公路基層7d無側(cè)限強度代表值不小于2.5MPa的要求。從試件成型條件對強度的影響角度來看，由于室內(nèi)級配控制良好，各水泥劑量時，三種條件強度均值的變化規(guī)律基本一致，即室內(nèi)試驗值>料場取料成型試件值>鉆芯取樣值。

2.2 養(yǎng)生條件對強度的影響分析

研究對試驗段落中三種不同養(yǎng)生方式(自然灑水、灑布乳化瀝青及鋪設塑料薄膜)混合料強度的影響進行了對比分析，試驗結果如表4、圖5所示。

表4 不同養(yǎng)生方式試驗段強度對比(水泥劑量4.0%)

圖5 不同養(yǎng)生方式下碎石材料強度

上述研究表明：自然灑水與灑鋪乳化瀝青養(yǎng)生后的強度均值基本一致，鋪設塑料薄膜養(yǎng)生后的強度值則高于前兩者。以強度均值為例，鋪設塑料薄膜的碎石材料強度為2.80MPa，相較于前兩者，分別提升了4.45%和2.38%。其主要原因是，薄膜覆蓋可以保持水穩(wěn)砂礫碎石材料內(nèi)部分的水分，水泥在充分的水分含量下材料盡可能地進行水化反應，進一步增強碎石材料的整體強度。因此，如果有條件，盡量采用薄膜覆蓋的養(yǎng)生方法，否則可采取撒布乳化瀝青覆蓋養(yǎng)生法。

2.3 不同壓實程度對強度的影響分析

從理論計算和已有研究看，不同的壓實度對應混合料的強度應有所不同。對超壓試驗段和正常碾壓試驗段鉆芯取樣后的強度試驗結果如表5所示。

表5 不同壓實程度試驗段強度對比(水泥劑量3.0%，自然灑水養(yǎng)生)

由表5可以看出：超壓段的強度值高于正常段，超壓段將砂礫材料進行密實碾壓，有效控制了砂礫材料的穩(wěn)定性，適用于北方特殊環(huán)境地區(qū)基層路段施工。因此在路面施工過程中，可通過采用大噸位壓實機械，提高一定的壓實度來提高水泥穩(wěn)定碎石(礫石)混合料的強度。

2.4 不同結構與水穩(wěn)砂礫基層強度

對于正常路段、切縫加鋪土工格柵段及結構層倒置段三種不同結構，通過取芯比較了試樣的強度，如表6所示。

表6 不同結構試驗段強度對比(水泥劑量4.0%，自然灑水養(yǎng)生)

由表6可以看出，各段落水穩(wěn)砂礫基層混合料的強度相差不大。但由于水穩(wěn)砂礫混合料所處層位與路面頂面的相對位置不同，路面的整體強度在設計過程中有顯著差異。

2.5 基層彎沉試驗與分析

研究對8個不同試驗段的水泥穩(wěn)定砂礫基層進行彎沉值的測定，試驗結果如表7所示。

表7 各試驗段基層彎沉均值

對于基層頂面彎沉，倒裝結構由于級配礫石層的存在導致基層頂面的彎沉最大；隨著水泥劑量的增大，基層頂面彎沉總體呈現(xiàn)減小趨勢，但4%水泥劑量水穩(wěn)砂礫基層和5%水泥劑量水穩(wěn)砂礫基層頂面彎沉總體相差不大。

2.6 裂縫觀察

甘莫公路施工完畢后，對上述8種不同類型試驗段進行裂縫檢查，檢查結果如表8所示。

表8 裂縫觀測匯總表

裂縫較少而且寬度、長度較短的是薄膜養(yǎng)生、灑粘層油養(yǎng)生以及級配礫石倒裝結構。因級配礫石倒裝結構強度存在一定的問題，建議慎用。此外因面層較薄，粘層油段有泛油現(xiàn)象，因此要控制灑布量；灑水養(yǎng)生裂縫數(shù)量明顯多于上述兩者養(yǎng)生手段，說明養(yǎng)生方式是影響裂縫的重要因素；對統(tǒng)一采用灑水養(yǎng)生但水泥劑量不同的路段，裂縫數(shù)量相差很少。根據(jù)施工期間的檢測結果來看，水泥劑量沒有嚴格按照設計級配來，施工控制不是很好，因此盡管原則上降低水泥劑量、控制礦料級配是一種比較認可的防裂方法，但實際操作困難，建議仍以滿足最低強度要求來設計水泥用量。

3 結語

本研究根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結論和研究成果，鋪設了8種方案合計2.4km的試驗段，分別實現(xiàn)了不同水泥劑量(3種)、不同養(yǎng)生條件(3種)、不同處治方法(正常、切縫鋪設土工材料)、倒裝結構等不同情況下半剛性基層瀝青路面的施工工藝、質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測方法。通過試驗段的鋪筑，發(fā)現(xiàn)了施工過程中存在的問題，通過問題的溝通和解決，提高了施工工藝和施工質(zhì)量管理水平；通過試驗段的質(zhì)量檢測，對不同路面結構的使用狀況進行了分析，提出了提高水穩(wěn)砂礫基層質(zhì)量的有效建議。