抗裂型水泥稳定碎石基层.doc

基于振动压实法宽幅大厚度水泥稳定碎石摊铺技术研究 郭志强2014年3月目录1. 背景31.1国内外研究现状31.1.1半刚性基层及抗裂技术研究现状41.1.2大厚度摊铺技术61.1.3施工设备发展现状71.1.4厚层施工技术实体工程应用81.2研究内容及技术线路81.2.1研究内容81.2.2技术路线92. 抗裂型水泥稳定级配碎石技术性能研究112.1水泥稳定级配碎石原材料性能及技术要求112.1.1水泥112.1.2集料122.2抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用研究122.2.1配合比设计方法及其介绍132.2.2抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用研究162.2.2.1抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用172.2.2.2混合料性能分析212.3抗裂型水泥稳定碎石混合料配合比结果分析243.分层压实厚度对水泥稳定级配碎石基层耐久性的影响253.1水泥稳定碎石基层应力应变特性分析253.1.1施工方法253.1.2内部受力分析253.2水泥稳定级配碎石疲劳性试验283.3水泥稳定级配碎石基层施工现状分析303.4小结314.大厚度水泥稳定级配碎石基层施工技术研究324.1摊铺、压实与机械设备的确定334.1.1拌和设备334.1.2摊铺设备344.1.3压实设备364.2碾压工艺研究384.3养生工艺研究434.3.1养生工艺的分类比较434.4压实度控制研究464.4.1现场检测474.4.2 结果分析474.5现场质量控制方法484.5.1后场质量控制494.5. 2前场质量控制504.6水泥稳定级配碎石施工防离析技术研究524.6.1水泥稳定级配碎石施工中离析现状524.6.2水泥稳定级配碎石施工离析原因分析534.6.3水泥稳定级配碎石施工离析解决方法分析554.7小结575.水泥稳定级配碎石基层质量控制与验收评价方法研究595.1压实度检测595.1.1压实法检测方法595.1.2大厚度水泥稳定级配碎石基层压实度检测605.2质量控制与验收615.2.1取样和检验615.2.2检查验收636.工程应用656.1工程情况介绍656.2施工准备情况666.2.1原材料性能检验666.2.2混合料级配设计676.2.3施工现场准备736.3施工工艺756.3.1拌和756.3.2运输756.3.3摊铺756.3.4碾压766.3.4养生766.4质量检测776.4.1施工后表观状况776.4.2级配及水泥剂量检验776.5小结807.技术经济综合分析817.1施工效率提高的分析817.2经济效益分析817.3小结821. 背景1.1国内外研究现状半刚性基层并非是欧美等发达国家公路的主流结构形式，因此国外关于半刚性基层的研究也相对较少。半刚性基层强度高、承载力大、水稳性好、板体性强、建设成本低，非常适合中国国情，因此在国内半刚性基层应用较多，因此，半刚性基层材料在现阶段甚至相当长的一段时期内仍然会在我国道路基层材料中占主导地位，而且还有很大的发展空间。近年来随着大功率摊铺和压实设备的研发和应用，半刚性基层开始向大厚度施工技术方面发展，与“半刚性基层大厚度施工技术”相关的主要技术领域有；半刚性基层抗裂技术研究；宽幅大厚度铺筑技术；大功率摊铺和压实机械设备研发和应用；工程应用方面。1.1.1半刚性基层及抗裂技术研究现状天津市市政工程研究院1进行了“半刚性基层抗裂技术研究”，从以下几方面开展了研究：用重型击实法确定水泥稳定碎石混合料最大干密度及最佳含水量，用静压法制作试件，根据强度满足要求、抗裂能力最佳的原则，优化了水泥稳定碎石混合料配合比。用振动法确定水泥稳定碎石混合料最大干密度及最佳含水量，用振动法制作试件，根据强度满足要求、抗裂能力最佳的原则，优化水泥稳定碎石混合料配合比。铺筑试验工程，根据芯样无侧限抗压强度及实体工程裂缝率指标判断何种试件成型方式更能正确评价振动压实后现场混合料力学性能。提出水泥稳定碎石混合料干缩特性评价指标，提出水泥稳定碎石混合料基层施工工艺及现场质量控制措施。从微观角度研究水泥稳定碎石混合料强度形成机理及收缩机理。通过研究得出如下结论：以劈裂模量参数为基础，提出了采用干缩抗裂系数作为评价水泥稳定碎石混合料抗干缩能力的指标；0.075mm通过率大小对水泥稳定碎石混合料路用性能有显著影响。表现在相同水泥剂量下，0.075mm通过率大，水泥稳定碎石混合料最佳含水量、最大干密度增大，长龄期（90d、180d）试件无侧限抗压强度提高，但抗干缩能力下降，水泥稳定碎石混合料配合比优化的结果为0.075mm通过率为0；在水泥剂量对强度、混合料干缩抗裂系数的影响方面，振动压实和重型击实两种成型方式所得结论相同，即水泥剂量增加，混合料强度显著增加，但混合料干缩应变及干缩系数增大；此外，振动成型及振动法成型试件条件下，级配对水泥稳定碎石混合料路用性能有显著影响，级配优的混合料干缩应变及干缩系数均小；试件成型方式对水泥稳定碎石混合料路用性能有极显著影响；相同级配、相同水泥含量下，振动压实确定的最大干密度与标准击实确定的最大干密度关系为：振动击实=(1.0251.035)重型击实；振动碾压施作的基层芯样无侧限抗压强度大于室内静压法制作的无侧限抗压强度，而更接近于振动法成型试件的无侧限抗压强度；从混合料无侧限抗压强度、抗裂能力、混合料密实均匀性、刚度及柔性考虑，振动法成型水泥稳定碎石混合料综合路用性能全面优于静压法成型水泥稳定碎石混合料。因此，为保证水泥稳定碎石基层达到强度满足要求、抗裂能力最佳的效果，水泥剂量选择3.54.5%；与静压法相比，振动压实法设计的水泥稳定碎石更贴近工程实际，用振动成型方式所得各项指标进行控制，工程质量更优。长安大学张嘎吱、李美江等2 3也进行了抗裂性水泥稳定类材料配合比设计方法和振动压实方面的研究，得出以下结论：水泥稳定碎石混合料中0.075mm以下的细集料含量越多，混合料抵抗收缩能力越差；相同级配的水泥稳定碎石混合料存在相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量；水泥稳定类材料整体级配越细，干燥收缩越大，级配接近于悬浮结构，干缩性越大，其干缩破坏主要发生在早期；为减小干燥收缩，必须严格控制水泥剂量；级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石混合料，静面压力、激振力等振动参数对达到标准振实状态所需的振动时间影响很大；振动压实成型方式极大的提高了试件的抗压强度，而混合料最大干密度提高相对较小。综上所述，半刚性基层抗裂技术在国内的研究较多，在河南、河北等地方也得到了大面积推广应用，铺筑效果良好，材料路用性能显著提高，但如何将抗裂技术与大厚度摊铺方式进行有机结合以增加水稳基层整体性、提高抗开裂性能，怎样明确压实功与材料密度增长之间的关系及其密度控制方法都还未见相关报道，为此，本文将对这些问题进行深入研究。1.1.2大厚度摊铺技术公路路面基层施工技术规范指出：采用1820t三轮压路机和振动压路机碾压时，煤层的压实厚度不应超过20cm，碾压厚度超过规定时，应分层摊铺。为此我们将摊铺厚度超过20cm的就称之为大厚度。长安大学黄文中等4进行了“水泥稳定碎石基层压实标准和大厚度压实技术”方面的研究。研究首先以小型手推振动压路机进行碾压的压实方法进行了试验，在分析了水泥稳定级配碎石施工过程分为两层进行摊铺、碾压不足之处后，在结合现有压实标准研究的基础上，通过对振动压实机理分析，对现有压实设备的调查，结合足尺试验结果，研究得出如下结论：影响水泥稳定级配碎石压实效果的主要因素有：振动参数（振动频率、振幅和振动质量）、材料组成（级配、含水量、外加剂）、碾压厚度；压实标准的确定要与施工状况相匹配，室内重型击实与振动压路机的压实机理不同，不能反映现场情况，振动成型法能更好地模拟现场振动压路机的压实过程；室内足尺试验结果表明：水泥稳定碎石在压实功不变状况下，一次成型压实厚度越大，干密度越小，干密度的均匀性越差；在含水量不变的情况下，压实遍数增多，干密度也会随之增长，但是达到一定遍数以后，干密度趋于稳定不再增长；压缩量增大的趋势与干密度一样，当碾压遍数超过一定程度后变小，但变小的值不大，并趋于一个固定值。实质上该试验压实后的水稳最大厚度仅为20cm，不能较为全面的反应大厚度压实技术的状况。随着工程机械制造工业的快速发展，摊铺机从以前摊铺宽度3.6m 到现在的16m，最大摊铺厚度从10cm到现在的60cm；振动压路机的工作质量从10t发展到32t，这些都为水泥稳定级配碎石基层大厚度施工提供了基本条件。长安大学李少华等5进行了“半刚性基层大厚度宽幅摊铺施工技术研究”，研究就大厚度宽幅摊铺中的易离析问题做了较为深入的分析，提出了较多的技术措施，并就大厚度摊铺的技术效益进行了分析比较；引入“车道内数据重复性标准偏差Sr”、“车道间数据重复性标准偏差SR”、“车道内数据一致性统计量K”、“车道间数据一致性统计量h”四个统计量从横向和纵向上分析和评价宽幅摊铺机的压实功的均匀性，检测结果显示采用宽幅摊铺的基层横向、纵向施工质量比较接近，基层混合料比较均匀。目前半刚性基层大厚度施工技术应用存在局限性，仍有需要完善的技术点，如缺少相应的施工技术控制手段（压实度检测方法、质量评价和验收依据）；松铺系数控制较难；压路机吨位大，模板固定困难等。1.1.3施工设备发展现状设备方面,由于国外路面结构与我国路面结构有较大的差异，因此国外大厚度的摊铺机并不多见。在大厚度摊铺设备方面，国内宽幅大厚度的摊铺机以长安大学筑路机械研究所与陕西中大机械集团联合研发生产的DT系列多功能摊铺为代表，目前生产应用的DT1600型多功能摊铺机的最大摊铺宽度为16m，最大摊铺厚度为50cm，对于大厚度半刚性基层的摊铺效果较好。长沙理工大学、陕西中大机械集团和景婺黄(常)高速公路建设项目办6在“大厚度、大宽幅抗离析摊铺应用技术”项目中对中大DT1400摊铺机进行了摊铺离析方面的研究，结果表明：摊铺机悬挂臂最高许用频率应不大于65Hz为宜，并且在施工过程中应尽量避开悬挂臂结构的固有频率，以免诱发整个悬臂机架系统共振；采用新摊铺机摊铺后，混合料的级配离析以及最终的材料实密度均有很大程度的改善。在压实设备方面，由于对路面的要求越来越高，压路机相应也向大重型方向发展，用于路基路面的压实设备一般都采用大中型振动压路机，在工程施工中，为了提高工程质量，更大吨位的压路机已被使用。大厚度施工方面，陕西大中YZ32型和徐工XS302型都属于超重吨位振动压路机，对于大厚度半刚性基层的压实具有较好的效果。由于目前大厚度半刚性基层铺筑的应用范围相对有限，大厚度摊铺和压实设备仅有极少数单位生产，但其相关性能已能满足市场需求，关于这一方面，本项目仅从铺筑机械设备配备上予以优化。1.1.4厚层施工技术实体工程应用近年来，半刚性基层大厚度施工工艺得到了一定程度的应用，如内蒙古沿黄一级公路大路至树林召段全长120km，采用单层摊铺32cm水泥稳定碎石基层，摊铺、压实均匀性较好；贵阳绕城高速公路采用单层铺筑30cm水泥稳定碎石基层，昆明机场水泥稳定级配碎石基层进行了30cm、40cm的厚层施工试验段，以上项目均由重庆鹏方路面工程技术研究院有限公司提供施工技术咨询服务。此外内蒙古国道109线大饭铺至东胜高速公路采用单层摊铺36cm水泥稳定碎石基层8，以及20072008年最早在陕西西汉高速和风永项目等，这些项目的摊铺机均采用陕西中大DT系列超厚摊铺机和超重压实设备，摊铺和压实效果较好。从后期工程质量来看，达到工程质量要求。综上所述，半刚性基层大厚度施工在国内得到了一定程度的应用，在摊铺工艺和机械设备配备上都积累了一定的技术经验。但目前仍缺乏相对系统的研究，同时实际施工中的一些关键技术问题亟需研究解决，本项目拟将半刚性基层各项技术予以整合优化，提出抗裂性半刚性基层大厚度施工技术，制定相应的技术指南或标准，以便推广和规范化该项技术的应用。1.2研究内容及技术线路1.2.1研究内容本项目拟结合已有抗裂型水泥稳定碎石基层相关技术成果，研究大厚度施工条件下的材料特征，分析比较大厚度施工和分层施工对于基层耐久性方面的影响，提出相应的大厚度施工技术、质量控制和验收评价指标，以便推广和规范化该项技术的应用。（1）结合本院抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计研究成果，进行抗裂型水泥稳定级配碎石技术性能研究。（2）与双层水泥稳定碎石（层间水泥浆结合）工艺进行分析比较，理论分析水泥稳定级配碎石基层应力应变特征，进行水泥稳定级配碎石疲劳性试验，分层压实厚度对水泥稳定级配碎石基层的耐久性影响。（3）对大厚度施工碾压设备、碾压工艺、养生、压实度差异控制、现场质量控制、防离析处理措施等进行研究，确定大厚度水泥稳定碎石基层施工技术。（4）对压实度检测方法及现场质量控制方法进行研究，确定大厚度水泥稳定级配碎石基层质量控制与验收评价方法。（5）在上述研究成果的基础上，结合工程的具体情况，进行抗裂型水泥稳定碎石基层大厚度施工，并进行试验段检测，通过取样等方式进行力学性能检测、理论分析等，为前述研究提供必要的信息反馈，也为工程技术经济综合分析提供依据。（6）结合研究成果和实体工程建设情况，对大厚度施工技术进行技术经济综合性分析（与分层施工相比较），作为技术完善和推广应用的依据。本项目的难点和关键点在于：不同压实功条件下材料密度增长趋势，确定压实功与材料密度关系；大厚度施工对水泥稳定碎石耐久性的影响提出压实度差异控制；水泥稳定碎石基层大厚度施工工艺下相应的摊铺、碾压技术；压实度检测方法与控制标准。1.2.2技术路线技术路线图如下图所示:图1.1 技术路线图2. 抗裂型水泥稳定级配碎石技术性能研究2.1水泥稳定级配碎石原材料性能及技术要求2.1.1水泥在水泥稳定类材料中，水泥作为结合料其质量直接影响混合料路用性能。水泥是一种典型的胶凝型水硬性材料，这就使得水泥作为路面基层混合料具有较高的强度及较好的水稳性。规范规定允许应用于水稳基层铺筑的水泥主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥，其中应用最广泛的是普通硅酸盐水泥，它的主要化学成分为氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁等。对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，我国现行规范公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTG E30-2005对水泥细度、净浆标准稠度、凝结时间、体积安定性和强度作出了相应的规定。细度水泥细度和水泥硬化速度、强度、需水量、和易性等密切相关。细度越大，水化越快，凝结硬化越迅速，强度也越高，和易性越好，但在空气中的硬化收缩较大。水泥净浆标准稠度水泥净浆标准稠度采用标准法测定，以试杆沉入净浆并距底版6mm1mm时用水量为标准用水量。凝结时间水泥凝结时间分为初凝时间和终凝时间，它对施工有重要意义：初凝时间短，将影响混合料的运输和摊铺，终凝时间过长，则影响施工进度。对于水泥稳定类施工用水泥凝结时间要求为初凝时间不小于3小时，终凝时间不小于6小时。体积安定性体积安定性是反映水泥浆体在硬化后，因体积膨胀不均匀而产生的变化，体检安定性不合格，会使水泥强度降低，甚至导致基层结构破坏、开裂甚至崩溃。水泥安定性主要采用雷氏法测定，其他还有煮沸法、试饼法等。强度水泥强度对混合料性能有决定性作用，强度的测定方法采用水泥：标准砂：水按1：3：0.5的比例制作标准试件，在标准养护条件下达到规定龄期后，测定其抗压抗折强度。对水泥稳定碎石基层常用的32.5级水泥强度规定为：3天抗压强度不低于11MPa,28天抗压强度不低于32.5 MPa；3天抗折强度不低于2.5 MPa，28天抗折强度不低于5.5 MPa。2.1.2集料水泥稳定碎石混合料应满足公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000)规定的物理力学性能要求，并满足粒径规格要求，集料以4.75mm为分界点，大于4.75mm为粗集料。用于水泥稳定级配碎石底基层与基层中的集料应质地坚硬、耐久、洁净、有良好的级配，其单个颗粒的最大粒径不应超过规范要求，其颗粒应接近立方体。粗集料中压碎值是衡量集料力学性质的重要指标，其大小直接影响基层强度的大小。细集料质地坚硬、耐久、洁净。具体要求见表2.1，表2.1 水泥稳定碎石基层用集料技术要求项目最大粒径(mm)压碎值（%）有机质含量（%）硫酸盐含量（%）液限（%）塑性指数技术要求基层31.53020.252862.2抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用研究由上节可知，水泥稳定碎石混合料作为基层首先应保证强度满足要求。强度增加，常用的措施是增加水泥用量，水泥增加，可以明显得提高水泥稳定碎石混合料强度，但会带来基层裂缝增多的危害，因此在工程中应综合考虑水泥剂量和级配这两个因素，对比重型击实法和振动压实法，振动压实法跟现场更为吻合，另外，新规范公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009）已经将振动压实法列入，但试验结果要与重型击实法进行对比。因此本课题研究重点从振动压实法入手，采用优化了的级配，根据混合料强度满足要求、抗裂能力最佳的原则进行配合设计。2.2.1配合比设计方法及其介绍（1）振动压实仪及其工作原理我国公路工程室内常用的确定材料最佳含水量及最大干密度的方法是重型击实法，相应测定材料的强度指标的试件成型方式是静力压实方法。击实方法在室内通过施加冲击荷载对被压材料进行压实，与现场夯实过程一致，与现场静力压路机的作用过程虽不尽相同，但就通过对材料产生剪应力使之压实这一效果来说是相似的。但与振动压实通过高频振动作用使材料产生液化来压密的过程则完全不同，静压法成型试件的方法跟振动压路机的振动压实机理也不同。室内试验作为现场施工控制的基础，应当力求使室内试验真正模拟现场的施工压实工艺。击实试验用来确定现场材料密实度的标准值，具有较为广泛的应用基础和适用性，但若用此方法控制目前广泛在路基路面施工压实过程中应用的振动压实工艺效果显然很牵强。而且振动压实机理与静力压实机理不同，形成的被压材料内部结构也有所差别。虽然静力压实试件的试验方法简单、易于操作且应用广泛，但室内测定的材料的技术指标与现场振动压实下所实现的材料的技术指标是有所不同的。以上产生的问题就是：重型击实法确定的最大干密度和最佳含水量做为现场振动压实的控制指标是否适用；以静压法或振动法成型的试件其物理力学性质或许不同，那么用何种方式制作的试件强度控制现场质量有效。由此我们提出采用振动压实成型法，采用的设备为振动压实成型仪器，见图2.1。振动压实成型仪采用与振动压路机相同的工作原理设计，其技术已通过多年的专项研究，并在大量项目进行了应用，设备已经定型，详细内容参见“公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用”(获2009年度国家科技进步二等奖)及城市快速路高性能沥青路面研究。图2.1 振动压实试验仪振动压实仪由机架、导向柱、上车系统、偏心块、减振块、下车系统、压头、钢模、传动轴、电动机、变频器等组成，设备工作原理为：电机输出动力，经分动箱分动后，由两根传动轴带动两个偏心激振器同步旋转，激振器两根偏心轴上的偏心块和转动方向相反，所以侧向离心力抵消，垂直方向的离心力带动压头产生走向振动，使试模中的混合料振实。通过控制器中的变频器可调节电动机的转速，从而使激振器的振动频率可在1050HZ内无级变化，通过增减配重块可改变上车、下车系统的质量，从而达到改变压头的静压力和上车、下车振动之比的要求。上车、下车系统块之间通过减振块联接，以达到减振目的。试验过程原理为：振动作用下，如被压实材料中相邻固体粒子的质量不同，则粒子产生的惯性力不等，粒子将发生相对位移直至达到稳定状态。此后过度振动将使材料发生分层，这一现象可以通过确定合适的振动时间予以避免。振动使粒子间的摩阻力由静摩擦状态逐渐转变为动摩擦状态，故而能够消耗相对小的压实功却可获得相对高的密度，同时还能有效地避免大粒径颗粒被压碎的现象。另一方面，在振动过程中，物料中的液相与砂粒级及以下的固相组成的浆体将被液化，激振力使其更均匀地填充于集料间隙间，材料结构(或称之为试件结构)更均匀，构成材料强度的粘聚力和内摩阻力都将提高。（2）振动法参数确定影响振动压实效果的主要因素有：振动参数、结构参数、材料因素、碾压工艺、碾压层厚度、碾压遍数、地基和下承层强度等。这些因素只有振动参数和结构参数与振动压实成型仪直接相关。其中振动参数包括：振动频率、振幅和振动质量；结构参数是指振动压实成型仪的机械结构。根据天津市政设计院的研究成果，主要工作参数如下：振动频率：2830HZ；震幅：025mm；静面压力：2500N；激振力：9000N。振动压实仪的压实功能的调整按以下方法进行确定：1、确定最大干密度、最佳含水量试验取一种细粒土，用重型击实法确定土样的最大干密度和最佳含水量；对同一土样，在最佳含水量下，取不同的振动时间，用振动压实成型仪振动压实，取与重型击实最大干密度相等时所对应的振动时间作为振动压实成型仪的工作时间。此时可以认为振动压实与重型击实的功能相当。2、振动时间的确定重型击实稳定细粒土得出的最佳含水量，成型稳定细粒土，通过改变振动时间，确定在某一振动时间下振动压实的密度和重型击实试件的密度相同。（3）振动法工程应用成果自2000年以来，国内路面基层研究人员一直致力于振动压实法的持续研究和推广应用工作。涉及的材料有水泥碎石、二灰碎石、碎石土、级配碎石等；据不完全统计，通过施工技术咨询服务方式直接指导实施并完成的高速公路超过5000km，遍及20个省、自治区和直辖市。以振动压实法为基础，以水泥稳定级配碎石作为主要研究对象，已完成的系统性成果有：材料设计方法、材料技术参数、施工技术、工程应用及质量评价等。取得的主要结论有：与重型击实法相比，振动压实法确定的最大干密度约提高1.021.03倍，最佳含水量相当。以“强度满足要求，收缩最小”作为设计目标，优化出了级配范围并提出了级配优化原则；相对应的水泥剂量为3.0%4.0%，7天无侧限饱水抗压强度约为68Mpa，28天劈裂强度大于2.0Mpa(强度约是重型击实密度、静压法成型试件的2.0倍)；与传统方法优化的水泥级配碎石相比，振动压实法优化出的混合料的抗压回弹模量约提高10%，试件吸水率为静压法试件的1/41/7，收缩系数降低一半，抗裂性能大幅度提高。实体工程观测证明，即便是在华北、东北及中原地区，施工完毕的基层裸露过冬，春融之后观测，全标段无收缩裂缝。2004年建成通车的河北青银高速公路(国家银奖工程)、河北丹拉高速公路张家口段、河南濮鹤高速公路(国家银奖工程)等至今少有收缩裂缝。更值得注意的是，大样本检测表明，以振动压实密度为标准，基层的压实度代表值均能达到98%；7天龄期芯样的无侧限饱水抗压强度与配合比设计强度十分相近。用振动压实法进行级配碎石方面的研究结论为：在不增大压实功的条件下，振动压实法得到的最大干密度约提高1.03倍，CBR值却能达到200%300%，与传统方法设计的级配碎石的CBR值相比提高了2倍以上。大量实体工程应用表明，振动压实法适用于粗集料含量高的粗粒组材料的试件成型，且设计的混合料不仅提高了材料的性能，同时还提高了工程的质量。2.2.2抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用研究由天津市政设计院研究成果，振动压实和重型击实两种成型方式对于水泥剂量对强度、混合料干缩抗裂系数的影响方面所得结论相同，即水泥剂量增加，混合料强度显著增加，但混合料干缩应变及干缩系数增大。水泥稳定级配碎石混合料，强度的形成主要来源于胶结材料的粘结和集料的嵌挤作用。对于骨架密实型结构，采用静压法成型时，水泥浆并未完全裹覆于集料表面，而是有部分填充于空隙当中，相对于细料及水泥浆集中的部分，因此表现为收缩性较大，抗裂性较差。采用振动成型时，对于细级配，由于振动力的作用，使集料重新排列达到最佳状态，此时很大一部分水泥胶浆在振动力作用下脱离集料表面填充于集料空隙，集料间的水泥膜厚度减小，从而使干缩性能改善。对于粗级配，振动成型时，骨料紧密排列，形成骨架结构，同时水泥浆一方面裹覆于集料表面，一方面填充于集料间的空隙中，因此，此时混合料既有很大的嵌挤作用，同时骨料间和空隙间的水泥浆又发挥了很大的胶结作用，因此强度较高，同时由于骨架结构的密实性，单位面积水泥用量较少，对后期的抗裂有利。采用振动法能设计出优良、抗裂能力佳、水泥剂量少、强度合格及工程造价低的基层混合料。一个优良的设计方法应该具有普适性、规律性，具有可操作性。本节将通过优化设计的级配，研究水泥稳定碎石基层在贵阳绕城公路、昆明新机场跑道基层工程、内蒙沿黄一级公路大路至树林召段等项目的应用，进一步检验该方法的普适性和规律性。2.2.2.1抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计在实体工程中优化应用结合多条高速公路实体工程水泥稳定级配碎石基层所用原材料，采用重型击实和振动压实的方法对水泥稳定碎石混合料进行配合比优化设计，以分析振动压实法与重型击实法对水泥稳定碎石混合料的性能影响，进而选择最优的成型方法。本课题在昆明新机场跑道工程（编号SYL-1）、内蒙古沿黄一级公路大路树林召段第一标至第六标（分别依次编号为SYL-2、SYL-3、SYL-4、SYL-5、SYL-6、SYL-7）、重庆市渝北区空港工业园区（编号SYL-8）、巫奉高速（基层编号为SYL-9、底基层编号为SYL-10）进行了配合比优化试验研究，为了方便后文阐述，下文对每个项目均采用编号进行表示。（1）原材料性质分析水泥：项目所用水泥均采用32.5级水泥，水泥品牌详见下表，并按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E30-2005）检测其技术指标，经检测各项目水泥的技术指标见下表。表2.2 水泥试验结果表项目水泥品牌抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）凝结时间(min)安定性(mm)3d3d初凝终凝SYL-1昆明嘉华11.93.52253052.5SYL-2唐山冀昌18.13.32465241.0SYL-3金山特科乌兰15.93.02102700.5SYL-4和林乌兰20.33.63664260.5SYL-5包头草原14.62.62943600.5SYL-6浩特10.02.53064441.0SYL-7金山特科乌兰14.52.52403060.5SYL-8天助16.23.8258390-SYL-9海螺16.23.8246366-SYL-10海螺16.23.8246366-（2）级配设计通过水泥稳定碎石混合料级配设计计算，各项目的级配结果如下：表2.3 水泥稳定碎石级配表筛孔尺寸(mm)质量通过百分率（）建议级配范围SYL-1SYL-8SYL-9SYL-1031.599.710010010010026.592.399.599.699.6901001975.776.586.187.572899.556.256.453.157.847614.7533.631.732.137.928392.3621.317.617.121.217270.66.796.78.36130.0751.64.32.93.503.5图2.2 水泥稳定碎石级配曲线图表2.4 水泥稳定碎石级配表筛孔尺寸(mm)质量通过百分率（）建议级配范围SYL-2SYL-3SYL-4SYL-5SYL-6SYL-737.510010010010099.510010031.599.597.099.195.996.796.2951001983.283.986.081.281.481.068869.547.452.553.255.057.354.244624.7530.434.830.233.033.830.627422.3624.627.023.929.218.624.918330.614.012.613.614.510.613.68150.0750.50.90.91.01.62.203.5图2.3 水泥稳定碎石级配曲线图最佳含水量、最大干密度的确定工程施工中用压实度指标来控制和评价工程的施工质量，其中振动压实法能更好的模拟现场施工要求，同时还应与传统的重型击实法进行比对。7d无侧限抗压强度试验以振动压实试验方法确定的最佳含水量、最大干密度为基准，采用振动法成型试件，试件的压实度为振动压实试验确定的最大干密度的98%，尺寸为15cm15cm，按标准试验方法进行试验。95%概率的强度值Rc0.95 =（-1.645S），其中：为平均值，S为标准差表2.5 各项目基层水泥碎石重型击实和振动压实试验结果项目试验类型水泥：级配碎石最佳含水量（%）最大干密度（g/cm3）Rc0.95（7d,20）(MPa)SYL-1重型击实试验3.5:1003.52.357-振动击实实验3.52.4307.7振动：重型-1.031-SYL-2重型击实试验4.0:1004.42.377-振动击实实验4.12.4626.4振动：重型-1.036-SYL-3重型击实试验4.0:1004.72.369-振动击实实验4.42.4346.4振动：重型-1.027-SYL-4重型击实试验4.0:1004.62.402-振动击实实验4.02.4626.9振动：重型-1.025-SYL-5重型击实试验4.0:1004.62.354-振动击实实验4.42.4426.0振动：重型-1.037-SYL-6重型击实试验4.0:1004.42.383-振动击实实验4.02.4597.0振动：重型-1.032-SYL-7重型击实试验4.0:1004.42.383-振动击实实验4.02.4596.9振动：重型-1.032-SYL-9重型击实试验3.5:100-振动击实实验4.12.3888.1振动：重型-表2.6 各项目底基层水泥碎石重型击实和振动压实试验结果项目试验类型水泥：级配碎石最佳含水量（%）最大干密度（g/cm3）Rc0.95（7d,20）(MPa)SYL-2重型击实试验3.5:1004.62.363-振动击实实验4.52.4345.8振动：重型-1.030-SYL-3重型击实试验3.5:1004.82.351-振动击实实验4.72.4205.1振动：重型-1.029-SYL-4重型击实试验3.5:1004.22.354-振动击实实验4.52.4255.8振动：重型-1.030-SYL-5重型击实试验3.5:1003.82.350-振动击实实验4.62.4354.9振动：重型-1.036-SYL-6重型击实试验3.5:1004.52.363-振动击实实验4.42.4535.7振动：重型-1.038-SYL-7重型击实试验3.5:1004.72.345-振动击实实验4.52.4044.9振动：重型-1.025-SYL-8重型击实试验3.0:1004.22.319-振动击实实验4.02.3957.0振动：重型-1.033-SYL-10重型击实试验3.0:1004.52.324-振动击实实验4.12.3996.8振动：重型-1.032-由上表的实验结果可以看出，振动压实的最大干密度与重型击实确定的最大干密度关系为：振动击实：重型击实=1.0251.038。2.2.2.2混合料性能分析（1）最大干密度、最佳含水量对比分析。针对上述几个项目分别采用振动压实法和重型击实法进行配合比设计的水泥稳定碎石混合料，其试验结果见上表2.5，表2.6，其结果反映，振动法确定的最佳含水量均小于重型法确定的最佳含水量，其比值为1.0、1.05、1.03，可以看出，两种方法对最佳含水量产生的影响并不大，甚至有时会被试验误差掩盖；振动法确定的最大干密度均大于重型击实法确定的最大干密度，两者间的比例在1.025-1.038之间。振动压实之所以有好的压实效果，是由于其压实机理与静力压实不同，压实材料形成的结构力学性能也比静力压实的效果好。振动压实的机理可归结为以下两点：对材料施加冲击力，使被压材料间的摩阻力由静摩擦状态进入到动摩擦状态，材料间的摩阻力减小，而且由于共振的作用，被压材料的受迫运动最大，材料最易被压实；振动使集料有个重新移动寻找位置的过程，在这个过程中集料相互填充，使材料更密实，形成骨架-密实结构。而重型击实则是通过使材料产生剪应力，使材料产生塑性变形，迫使颗粒互相靠近到更稳定的位置。静力压实时颗粒间的摩阻力阻止颗粒进行大范围的运动，而且随着静荷载的增加，颗粒间的摩擦力增加，因此会产生极限的压实效果，无限地增加静荷载反而会破坏材料结构。（2）静压法与振动法成型试件强度比较试验证明振动压实方式下水泥稳定级配碎石混合料最佳含水量减少，最大干密度增加，且级配能达到骨架密实结构，在此条件下，强度相比静力压实也有较大变化。由上节表2.23可以看出，在水泥剂量相同情况下，振动成型试件7天无侧限抗压强度比静压成型有较大提高，平均提高了2.08倍。水泥稳定级配碎石混合料在振动作用下形成骨架密实结构，这时集料间由于嵌挤作用产生的内摩擦阻力和结合料与骨料的粘结力较大，因此这种结构具有较高的承载能力和稳定性。而静力压实下，在材料松散状态时可以迫使混合料的颗粒相互靠近，如果要继续压实就得继续增大压力，必须使静力压实引起的应力超过材料的剪切破坏应力，才有可能使材料发生进一步的相互错动，而相应的材料间的摩擦阻力也要继续增大，这时所有的受力都落到粗集料上，迫使粗集料破碎以达到进一步的密实稳定状态。这种压实导致粗集料减少，大的颗粒只能悬浮在细颗粒之间，不能形成骨架，结构中结合料和骨料的粘结力形成了强度的主体。从这两种结构下气体占体积率来看，振动成型由于水的润滑作用，材料易于移动，形成的气孔较小且分布均匀，有利于强度的提高，而静压法由于摩擦力较大，气孔分布不均匀且大小不一。大的气孔减小了材料的抵抗荷载的有效断面而强度减小。而分布均匀细小的气孔对材料强度的影响是很小的，因此振动法成型的试件强度和稳定性优于静力法成型的试件。（3）静压法与振动法成型试件比较分析下图2.10为内蒙沿黄一级公路振动成型和静压成型试件剖面图，静压法试件振动法试件图2.10 振动成型和静压成型试件剖面图I由上图比较可以看出，振动法成型试件结构密实，粗集料分布均匀排列紧密，粗骨料间被细集料及胶结料填充密实，混合料形成一个整体结构。而静压法成型试件肉眼可以观察到小的孔洞，部分粗集料为被细集料及胶结料充分包裹。由此可以看出，振动法成型试件效果优于静压法。（4）试件吸水率大小比较由上表2.23可以看出，振动成型试件的吸水率远小于静压法成型试件的吸水率，平均静压法试件吸水率是振动法成型试件吸水率的5.3倍。吸水少，说明试件密实，进而说明振动法成型试件密实性较好。（5）芯样外观对比下图2.11为昆明机场及内蒙沿黄一级公路取芯芯样照片。 昆明机场连体芯样内蒙沿黄一级路芯样图2.11 芯样照片由以上照片可以看出，水泥稳定级配碎石施工完成后芯样可完整取出，从取出芯样来看，芯样上下均匀，骨架密实性良好，无明显的松散现象，这说明了采用振动压实方法设计的混合料整体的密实和均质性。2.3抗裂型水泥稳定碎石混合料配合比结果分析通过以上几个实体工程的水泥稳定碎石配合比的设计及结果分析，可以得出以下几点结论：振动压实和重型击实两种比较，振动法得出的混合料密度较大，密实性较好。相同级配、相同水泥含量下，振动法确定的最大干密度与重型击实法确定的干密度的比值在1.0251.038之间。水泥剂量相同，振动成型试件无侧限抗压强度远大于静压法成型的试件。且振动法成型试件与静压法成型试件相比，振动成型试件集料分布均匀、密实、吸水率小。从混合料无侧限抗压强度、抗裂能力、混合料密实均匀性考虑，振动成型水泥稳定碎石混合料综合路用性能优于静压法成型水泥稳定碎石混合料。相对于重型击实法，振动压实法设计的水泥稳定碎石混合料在满足强度基础上，同时抗裂能力优于前者，而且还降低了水泥剂量，有利于节约工程的造价成本。3.分层压实厚度对水泥稳定级配碎石基层耐久性的影响半刚性基层施工中以压实度、7d抗压强度和级配做为控制指标，实际施工中其性能指标均满足设计要求，但在实际使用过程中却总是会出现断裂、水损害等较严重的问题，由此可以推断是基层在路面结构中的受力方式发生了改变，某些部位应力集中导致基层产生破坏。分析其原因可能为采用分层施工工艺时，在层间界面可能存在受力薄弱层，在拉应力作用下产生滑移或分离，基层受力由整体受力变为多薄层受力所致。3.1水泥稳定碎石基层应力应变特性分析3.1.1施工方法水泥稳定级配碎石基层施工采用的方法分为以下几种：（1）整体一次性施工。整体一次性施工不受层间的影响，基层处于完全连续状态。养生期间，水泥稳定碎石必须有足够的水分。碾压结束后，立即采用土工布覆盖，视天气情况，及时洒水，保证基层在7-14d内处于潮湿状态，使基层能够很好的形成强度。此状态为整体状态。（2）分层施工。分层施工分为分层连续施工和分层间断施工。分层间断施工时，为达到满足要求的压实度，必然会对已成型下层造成松散 等恶性扰动，这成为薄弱夹层形成的原因。下层施工后，如不注意养生、清扫，在上一层施工时，会在两层的接触部位造成一薄层松散层，也就是受力薄弱层。可以认定接近光滑状态。3.1.2内部受力分析分层连续施工时，受层间影响较小，上下层间连接效果相对较好。成型上层时对下层造成的扰动为良性扰动，与拉毛处理效果相同。此工艺在施工时必须严格控制时间，因此，在此工艺下施工应要求水泥凝结时间符合要求以保证施工质量。分析此状态为介于连续状态与光滑状态之间。下面通过计算分层施工情况下几种状态下层间的应力、应变情况，分析整体与分层施工的优缺点。我国目前路面结构设计有两个指标：层底拉应力指标和路面弯沉指标。前者采用弹性层状体系计算方法计算层底拉应力，通过检测混合料间接抗拉强度并通过疲劳试验得出疲劳方程再经过修正来建立设计期末层底拉应力与初期层底拉应力的关系；后者是评估路面总体性能的指标，主要是通过对全国50多条公路的长期观测数据进行统计分析而得。路面各层厚度和模量的不同，会导致层间所受剪应力和压应力的不同。剪应力通常是导致层间脱层的主要原因之一。本计算对这些因素进行简单分析（1）计算的理论体系弹性层状体系，假设条件：1、体系是由作用在半无限基础或者半空间上均匀厚度水平层组成。2、在水平方向上各层可以无限延伸。3、各层均为均质材料和各向同性。4、材料都是弹性，其应力应变关系是线性的。（2）荷载图式 采用双圆荷载图式进行计算（3）计算参数标准轴载BZZ-100标准轴载BZZ-100标准轴载P（Kn）100单轮传压面当量圆直径d（cm）21.30轮胎接地压强P(MPa)0.70两轮中心距（cm）1.5d选用沥青路面设计规范中的参数，对应路面结构为： 4Cm