基于水泥穩(wěn)定碎石的路面基層振動成型法設計

(湖南省高速公路開發(fā)總公司， 湖南 長沙 410011)

基于水泥穩(wěn)定碎石的路面基層振動成型法設計

劉軍

(湖南省高速公路開發(fā)總公司， 湖南 長沙 410011)

對基于振動成型法的工藝進行深入研究，通過設計室內振動試驗和模擬現(xiàn)場試驗，對試驗結果進行分析，確定了振動成型施工過程中，振動碾壓遍數(shù)選擇5～6遍為宜。通過采用不同含水量進行振動試驗，確定振動成型施工中，最佳的含水量約為5.5%。從而減少基層反射裂縫以及病害，有效提高基層的路面使用壽命。

路面基層； 水泥穩(wěn)定碎石； 振動成型； 施工技術

0 引言

隨著我國高速公路的不斷發(fā)展，相應的高速公路施工技術也取得了很大的提高。近年來，為適應重載車輛不斷增加的趨勢，減少高速公路修補和維護的工作量，基于振動成型的工法被提出，并被廣泛應用于實際的工程項目中[1,2]?；谡駝映尚凸肥┕すに囃ㄟ^振動壓實來增加半剛性基層的強度，減少裂縫，從而提高工程的質量[3,4]。另外，在相同的設計強度要求下，該工法還可以減少水泥的使用量，施工過程更加環(huán)保。工程實踐表明，與傳統(tǒng)的工法相比，基于振動成型的工法具有更好的綜合效益[5]。因此，對基于振動成型施工工藝進行深入的研究具有重要的工程意義。振動成型碾壓是振動成型施工工藝的關鍵，因此，本文考慮通過實際的施工案例，并結合試驗設計分析，找出室內振動擊實干密度與試驗段現(xiàn)場干密度之間的關系，從而確定施工現(xiàn)場的碾壓方法和碾壓遍數(shù)。

1 工程概況

某高速公路地處浙江沖擊平原，原路面設計為傳統(tǒng)重型擊實設計，J12合同用此方法共完成了底基層113299 m2，下基層114920 m2，上基層130708 m2，合計358927 m2， 單幅單層累計長度22115 m。 各項質量、降耗優(yōu)于傳統(tǒng)施工，社會效益明顯。從施工短期來看，碎石材料振動成型基層法與傳統(tǒng)施工方法對比，施工成本略增點。從長期角度對提升路面使用壽命，減少高速公路的運作養(yǎng)護成本，其效果明顯，在路面設計使用年限內，在實例上雙向6車道高速公路產生經濟效益144.5萬元/km，雙向4車道高速公路產生經濟效益為94.5萬元/km。從采取本法施工的水泥穩(wěn)定碎石基層，在常規(guī)基層裂縫問題上得到解決，由原來裂縫平均間距7～8 m變?yōu)?000 m左右，基層無側限的強度、最大干密度等質量指標提高。另外施工時，使用大噸位的壓路機，碾壓遍數(shù)由原來1遍提到2遍，因此材料級配優(yōu)化，節(jié)約水泥用量18 kg/m3，減少運營期間大中修一次，綜合各種因素，具有節(jié)能降耗作用。基層振動成型法設計施工能夠有效減少反射裂縫及提高路面使用壽命，推遲2 a大中修，將顯著提高道路通行能力和服務水平，提高公路使用者的滿意度，并在一定程度上提高交通行業(yè)在人民群眾中威信和地位，社會效益顯著。

2 振動成型法施工工藝流程

振動成型工法的原理是通過振動壓路機的高強度振動，使得按骨架密實型集料級配比的粗集料相互嵌齊穩(wěn)定，提高基層壓實度，從而提高基層的強度，減少裂縫[6]。該工法的具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 振動成型法施工流程

在整個振動成型工藝流程中，當原料的配合比設計好后，含水量的控制和碾壓遍數(shù)的控制可能對工程質量有較大的影響。本文考慮通過采集施工樣本進行分析，研究不同含水量和碾壓遍數(shù)對施工質量的影響，從而確定最終施工的碾壓遍數(shù)和含水量控制。

3 振動成型法檢驗標準

在振動成型施工過程中，要求要嚴格遵循《基層施工技術規(guī)范》和《公路工程質量檢驗評定標準》的要求。嚴格控制施工配合比，在施工前必須對料場原材料進行含水量、篩分試驗的檢測，根據(jù)試驗結果，調整施工配合比，并嚴格按照施工配合比進行配料拌和。水泥用量除用滴定法檢測水泥劑量要求外，還必須進行總量控制，要求記錄每天的實際水泥用量、集料用量和實際工程量，計算對比水泥劑量的一致性，成型后的水泥穩(wěn)定碎石基層的表面應平整密實，略顯粗糙。此外，干密度是評價施工質量的重要指標，文獻[7,8]等眾多研究都以最大干密度為目標來對振動成型工藝方法和流程進行優(yōu)化研究。

4 試驗方案設計

4.1 試驗配合比設計

施工混合料主要由集料、碎石和水泥3種原料組成，各種原料的規(guī)格和配比對工程質量有重大影響，因此，對于每種原料應嚴格要求。對于集料，需要嚴格控制其含泥量和壓碎值，具體的規(guī)格要求見表1。為控制集料的顆粒形狀和粉塵含量，可以考慮采用有整形、吸塵裝置的設備進行加工。對于碎石，通過使用振動壓實機試驗對比分析[9,10]，可以得到最大干密度和最佳含水量的配比設計如表2所示。

表1 集料規(guī)格及要求表規(guī)格/mm含泥量(不大于)/%壓碎值(不大于)/%13．2～31．514．75～13．21252．36～4．752 0～2．3610

表2 骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石級配設計范圍表篩孔/mm中值/%建議級配范圍/%篩孔/mm中值/%建議級配范圍/%31．51001002．362216～28197768～860．612 8～159．54838～580．0752 0～3 4．752722～32

對于水泥的選擇，需要滿足初凝時間應大于4 h，終凝時間應大于6 h，且符合國家技術標準要求，符合設計強度要求。實際施工中，可以使用振動壓實機制作無側限抗壓強度試件，確定是否符合設計強度，采用實際使用水泥溫度和實際施工溫度，約定水泥交貨條件應有溫度和凝結時間要求。

4.2 施工設備選型

在進行現(xiàn)場施工過程中，為確保施工過程順利進行，在進行施工之前，需要配備相應的施工設備。振動成型法施工工藝操作過程中，需要的主要施工設備選型及數(shù)量清單如表3所示。

表3 現(xiàn)場施工主要機械設備清單表設備名稱型號數(shù)量拌和樓WBS-5001攤鋪機LTU9252單鋼輪壓路機徐工2203膠輪壓路機XP2611自卸車20t東風20裝載機ZL502灑水車1

在對采樣樣本進行振動試驗過程中，需要用到的主要試驗設備選型及數(shù)量清單如表4所示。

4.3 碾壓速度控制

公路碾壓施工一般采用組合方式進行碾壓，分為初壓、復壓和終壓[5]。根據(jù)層厚選擇合適的噸位的壓路機，當層厚小于15 cm時，選擇噸位大于18 t的壓路機；當層厚大于15 cm時，選擇噸位大于20 t的壓路機，且對于不同階段的碾壓，應該選擇不同的壓路機。本次施工及試驗過程中，考慮壓路機應以均勻的速度碾壓，初壓、復壓和終壓的碾壓速度和壓路機類型選擇如表 5所示。在實際的施工過程中，初壓和終壓的遍數(shù)都為1遍，復壓的遍數(shù)一般為多次，可以考慮通過試驗來確定合適的復壓遍數(shù)。

表4 室內振動試驗主要試驗設備清單表設備名稱型號規(guī)格數(shù)量振動壓實試驗機SYE-20001數(shù)顯壓力試驗機YEW-300B1電熱鼓風干燥箱101-3A2混凝土鉆孔取芯機HZ-201水泥試驗儀器全套1標準養(yǎng)護室1

表5 碾壓速度控制表類別碾壓速度/(km·h-1)壓路機類型初壓1．5～1．7振動壓路機復壓1．8～2．2振動壓路機終壓1．8～2．2輪胎壓路機

4.4 施工試驗方案設計

分別于2011年12月26日和2011年12月27日施工了試驗段(樁號：K113+050～K112+860)，具體試驗方案設計如下：

1) 2011年12月26日試驗段。

按不同的壓實遍數(shù)分成4段，碾壓遍數(shù)不計算第1遍靜壓和最后雙鋼輪及膠輪壓路機的2遍光面，碾壓時壓路機重疊1/2。檢測不同壓實遍數(shù)下的混合料密度；在試驗段范圍內現(xiàn)場取樣，進行重型擊實試驗和室內振動成型試驗，測其最大干密度。

2) 2011年12月27日試驗段。

試驗段選擇在同一樁號、同一車混合料的段落，碾壓遍數(shù)同樣不計算第1遍靜壓和最后2遍光面，根據(jù)不同的振動遍數(shù)分別檢測密度，振動遍數(shù)為1～6遍。在試驗段范圍內取樣，進行室內振動成型試驗，測其最大干密度。

3) 確定振動成型所需的最佳含水量。

按設計級配室內合成混合料，以擊實試驗的最佳含水量為依據(jù)，用不同的含水量進行振動成型試驗，測其最佳含水量(含水量根據(jù)振動成型后試件的含水量測定)。

5 施工效果分析

5.1 干密度隨碾壓遍數(shù)的變化關系

根據(jù)2011年12月26日和2011年12月27日的實際的施工試驗，得到干密度與碾壓遍數(shù)之間的相關數(shù)據(jù)分別如表6和表7所示。

表6 碾壓遍數(shù)與干密度關系表(12月26日)碾壓遍數(shù)干密度/(g·cm-3)碾壓遍數(shù)干密度/(g·cm-3)42．29562．38552．38472．329

表7 碾壓遍數(shù)與干密度關系表(12月27日)碾壓遍數(shù)干密度(g·cm-3)碾壓遍數(shù)干密度(g·cm-3)12．22342．38922．29152．39732．34962．378

根據(jù)2次實際的施工試驗，結合表6和表7的試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，可以得到干密度與碾壓遍數(shù)的關系曲線圖如圖2所示。

圖2 碾壓遍數(shù)與干密度關系曲線圖

由圖2可以看出: 2次實際的施工試驗中，干密度與碾壓遍數(shù)之間的變化趨勢基本一致。不同的碾壓遍數(shù)對干密度的變化有較大的影響，隨著試驗碾壓遍數(shù)的增加，2次試驗的干密度都呈先增加后減小的趨勢。當碾壓遍數(shù)為5～6遍時，路基的干密度達到最大值，因此在實際的施工過程中，碾壓遍數(shù)選擇5～6遍比較適宜。

5.2 干密度隨振動時間的變化關系

在研究含水量與干密度之間的關系時，由于不同的振動時間對干密度的變化有較大的影響，因此本文考慮先分析振動時間與干密度之間的關系，確定振動時間，然后再分析含水量與干密度之間關系?？紤]分別在12月26日和12月27日的施工段上進行現(xiàn)場取樣，對樣本進行室內振動壓實試驗，分別得到2次試驗干密度與振動時間之間的相關數(shù)據(jù)分別如表8和表9所示。

表8 振動時間與干密度關系表(12月26日)振動時間/s干密度/(g·cm-3)1302．2771602．3332002．327

表9 振動時間與干密度關系表(12月27日)振動時間/s干密度/(g·cm-3)振動時間/s干密度/(g·cm-3)702．2571602．3151002．2572002．3421302．303

根據(jù)2次室內振動壓實，結合表8和表9的試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，可以得到干密度與振動時間的關系曲線圖如圖3所示。

圖3 振動時間與干密度關系曲線圖

由圖3可以看出: 2次室內振動壓實試驗中，干密度與振動時間之間的變化趨勢有所區(qū)別。對于12月26日的試驗，隨著振動時間的增加，干密度呈先增加后減小的趨勢；對于12月27日的試驗，隨著振動時間的增加，干密度呈逐漸遞增的趨勢。當振動時間達到160 s左右時，樣品的干密度達到一個較大的值，因此考慮確定振動時間為160 s，對含水量與干密度之間的關系進行分析。

5.3 干密度隨實加含水量的變化關系

按設計級配室內合成混合料，采用不同的含水量進行振動成型試驗，振動時間為160 s，測定其實際的含水量和干密度，得到實加含水量與實測含水量和干密度之間的相關數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 含水量與干密度關系表實加含水量/%實測含水量/%干密度/(g·cm-3)實加含水量/%實測含水量/%干密度/(g·cm-3)3．53．22．2065．54．882．3134．54．22．2376．54．932．2975．04．742．298

根據(jù)表10的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到實加含水量與干密度之間的關系曲線圖如圖4所示。

圖4 實加含水量與干密度關系曲線圖

由圖4可以看出: 隨著實加含水量的增加，干密度呈先增加后減小的趨勢，實加含水量對干密度的變化有一定的影響。當實加含水量為5.5%附近時，干密度達到最大值。因此在后續(xù)的實際的施工過程中，考慮選擇實加含水量控制在5.5%左右。

6 結論

得出以下結論： 本文通過室內振動試驗和實際現(xiàn)場試驗，分析了室內振動擊實干密度與試驗段現(xiàn)場干密度之間的關系。根據(jù)試驗結果，得到了干密度與振動時間和碾壓遍數(shù)之間的變化曲線，確定了振動成型施工過程中振動碾壓遍數(shù)選擇5～6遍為宜。通過采用不同含水量進行振動試驗，得到實加含水量與干密度之間的關系，從而確定振動成型施工中，最佳的含水量約為5.5%。

工程實踐表明： 混合料未發(fā)生明顯的離析現(xiàn)象，現(xiàn)場芯樣和振動法成型試件的力學性能基本一致[11]。從長期角度對提升路面使用壽命，減少高速公路的運作養(yǎng)護成本，其效果明顯。另外施工時，使用大噸位的壓路機，碾壓遍數(shù)由原來1遍提到2遍，因此材料級配優(yōu)化，節(jié)約水泥用量18 kg/m3，減少運營期間大中修1次，綜合各種因素，具有節(jié)能降耗作用。本文試驗結合了室內試驗與實際施工試驗，試驗結果對具體施工具有一定的指導意義。

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1008-844X(2017)03-0101-05

U 416.1

B

2017-02-09

劉 軍(1984-)，男，工程碩士，工程師，主要從事高速公路建設工作。