多碎石嵌挤密实水稳材料半刚性基层的技术分析与总结.doc

多碎石嵌挤密实水稳材料半刚性基层的技术分析与总结水泥稳定碎石材料半刚性基层，在过去1020年中，作为我国高等级公路（尤其高速公路网络）路面的主要承重结构层，为我国高等级公路建设事业的快速发展起到了巨大的历史性贡献作用！因为受当时我国经济总量水平不高的客观情况限制，高等公路总量急需增长，投资总规模需求就较为庞大，从而不能大力发展造价更为昂贵的柔性基层和较厚的沥青砼或者水泥砼面层。但是与国外发达国家相比较，分析发现我国已建成的高等级路面的使用寿命往往要短不少，甚至在某些地区或某些路段的使用寿命往往仅达到设计使用寿命的一半左右（即56年），就开始出现较为严重的损害，从而进行大面积的返修与维护。当然，路面损害的因素很多，例如：全国性普遍超重超载现象、地域性气候特征差异、从业单位的技术与管理水平差异、使用初期的管养水平差异以及路基的质量差异等等。除去这些“差异”性因素外，单就我国普遍采用的“强基弱面”型路面结构层而言，虽然不能否定其历史性贡献，但是经过这些年的建设实践与使用证明，还是存在着一些技术上的不足的，例如：水泥稳定材料开裂现象就较为普遍；而且随着施工技术装备力量向着大功能化方向发展，施工运输车辆载重能力快速增长，导致施工过程中对半刚性基层的伤损程度加重等等。尽管我国的经济又好又快地发展，在东部沿海地区以及中部发达地区有经济实力建设“柔性基层”或者“较厚的面层”，但是就全面普遍意义而言，尤其西部与中部欠发达地区，也不能因为“半刚性”基层自身的不足性而一概不采用之。在今后一定时期内，较强的半刚性基层与较为薄弱的沥青面层结构型式（即“强基弱面”）仍将在不少地域内广泛采用，并继续发挥历史性贡献。尤其还将在里程总量更为庞大的低等级路面建设上大力使用之！那么，当前我们广大的教学、科研、设计、施工等等工程技术人员所必须面对的问题是：如何进一步革新与完善“半刚性”基层的技术，从而尽量地从技术层面与管理层面上减轻与避免因为“半刚性”基层开裂而加速沥青路面（或者水泥砼）损害现像，即尽量延长新建路面的使用寿命，同时也更好地维护使用中的旧路面。结合近年工作实践经验，单从施工技术与管理层面对“水稳材料”半刚性基层作一些技术分析与总结，仅供（公司内控）大家参考与借鉴。一、 半刚性基层开裂原因分析：半刚性基层开裂的原因相当繁杂，抛开荷载重复作用下产生的疲劳破坏性开裂即荷载开裂外，仅就该类材料自身特性而言，可分为“干缩性”和“收缩性”两大类型（当然这两类往往也是同时发生作用的）开裂，前者（干缩性）又是最为主要的因素。干缩性：水稳材料经拌和、摊铺、压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水分不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用、碳化收缩作用等等均会引起半刚性材料产生体积收缩。水泥稳定材料中的粘性成分愈多、水泥剂量越大、含水量越大、干缩应力也越大，导致裂缝增多，缝宽增大。收缩性：组成半刚性材料的“三个相”，即不同矿物颗粒组成的固相、液相（水）和气相在降温过程中相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，即温度收缩。固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上（即4.75mm以上）颗粒的温度收缩系数较小；粉粒（0.075mm）以下颗粒，特别是粘土矿物（0.002mm）的温度收缩性较大。粉土及其他胶体颗粒的温度收缩性的大小与其扩散层厚成正比。半刚性材料中胶结物各矿物有较大的温度收缩性。“液相”即存在于半刚性材料内部的较大空隙、毛细孔和凝胶孔中的水通过“扩张作用”、“表面张力作用”和“冰冻作用”三个作用过程，对半刚性材料的温度收缩性质产生极大的影响，使半刚性材料在干燥和饱水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下（即在易于压实的最佳含水量左右）有较大的收缩值。由此可见，水泥稳定材料中的粘性成分、矿物颗粒粒径、含水量、环境温度、龄期等都影响“收缩性”。接下来，我们将针对这些因素，分析与讨论减轻水稳材料半刚性基层开裂现象的具体措施与思路。二、 施工准备: “核心工作在于备料质量优与数量足”1、 场地建设：“规范化”碎石加工场与混合料冷半场，场地硬化、修建各级料隔墙、细集料场场仓搭棚避雨、场内排水通畅、标志标识清楚醒目等均作到规范施工。2、 碎石备料：“四个统一” 源料“统一”：无论采用卵砾石或者岩石轧制水稳碎石，对于具体工程项目而言，必须统一采用同一种源料，不得采用多种源料混轧造成料质不均匀与稳定。对于高等级公路，卵砾石宜筛洗5cm以上的颗粒轧制，且均要求源料坚固、干净等。 最大粒径“统一”：按现行基层施工技术规范，底基层与基层最大控制粒径分别为37.5 mm和31.5mm，在实际备料过程中为了不混料与节约占地而减少储料仓，宜统一为“31.5 mm”，便于底基层与基层同步平行交叉作业。 分级“统一”：虽然现行基层施工技术规范，仅要求分成三至四级单粒径料进行掺配即可，但是对于高等级公路仍建议分成5级进行掺配（后面专门分析原因），对于较低等级公路可以适度降低标准。列表如下：二级及以上道路（五级）分级情况（mm）02.362.364.754.759.59.5191931.5对应筛孔尺寸（mm）36112233二级及以下道路（三级或者四级）分级情况（mm）04.754.7513.213.2191931.5对应筛孔尺寸（mm）6152233分级情况（mm）04.754.75161631.5对应筛孔尺寸（mm）61833当然，对于特别低等级的道路或者等级不低受投资所限而采用“统料”的情况（即不作分级掺配的要求），建议根据具体的颗粒组成情况对于欠缺的颗粒级必须予以外添与补足。 轧制工艺“统一”：总体而言，水稳碎石最好采用“两级以上”的大型联合式破碎机轧制。第一：轧制设备种类与型号繁多，是影响轧制成本与质量的第一要素，必须较为合理科学的“配量”。对于硬质且绵性的岩质（如：卵砾石类），宜头破采用“鄂破机”，二破宜采用“反击式”或者性能更优的冲击破与锥击破；对于硬质且脆性的岩质（如：石灰岩、花岗岩、玄武岩等），宜头破采用“鄂破机”，二破宜采用“圆锥破”（最为经济性）或者“反击破”等。各级破碎机的功能，应遵循逐级次增加约20%的原则，例如：头破机组功能为100t/h,二级功能宜100t/h（1+20%）即120 t/h，三级宜120t/h（1+20%）即140 t/h。因为逐级破碎后的颗粒粒径越小，一般头破后达到510cm许，二级破达到05cm许，若仅采用“两级”对于超粒径就返回二级破；若采用“三级”破，头破可适宜放大到812cm，二级达到25cm许，三级达到03cm许。所以要求逐级功能要增加约20%，但是也不宜过大增加功能，一方面次级功能过剩而浪费电源等增大成本，另一方面上级对次级的供料不足反而影响颗粒方正饱满的良好形状（即增加针片状含量）。不允许逐级次功能不匹配甚至于降低，既影响产量增加轧制成本，又难以保证轧制的各级料质量均匀性与稳定性（即颗粒组成变化较大），西攀项目P18合同段的不科学合理配置各级轧制功能是深刻的教训（当进入抢工时节想要调整更改又时不待人了）！第二：筛分机组。国内厂家与型号也较为繁杂，性能也是参差不一，也是影响筛分效果与整套设备功率的重要因素。因此，选配时，必须针对破碎机组功能适宜匹配，原则性要求是略高于最后级轧机的功能1020%即可。第三：输料皮带。质量差异也是很大的，也是影响总体产量的重要因素。对于脆性山岩其尖锐棱角较为突出，宜选用抗顶破（刺破）性能强的柔性皮带；对于绵性卵砾石其光滑特径较为突出，宜选用抗压破性能强的硬性皮带；第四：破碎机的易耗零配件，质量差异也是很大的，也是影响轧制成本的关键性因素之一。反击破、冲击破、锥击破等的锥头，优选高强耐磨类的合金钢材，例如：锰钢、铬钢等；而对于衬板、隔仓板等可选用高强耐冲击类的合金钢材。第五：单套轧机组的整体功能也不宜过大。并非功能越大越好，整体功能过大，单位轧制成本高，而且维修换件耗时久且不安全因素也增加。当项目工程量规模较为巨大时，可选配两套以上的“轧机组”来满足轧制总任务量的时间性需求，也利于轧制成本的控制，即一处集中冷拌场可以采用两套性能与工艺相同的轧机组来匹配之。但也不宜过多套轧制设备配置，一方面占用土地过多增加租金，场地暂时性硬化等成本也增加；另一方面，也不利于备料质量的均匀与稳定，因为对于同一套轧机组的质量差异就实事上存在，对于太多套轧机组的质量差异就会更加严重。三、 水稳材料结构设计（最新的理念与方法介绍）：考虑现阶段，四川省内（以及成都市）通常在土基床顶面与水稳材料底基层间均未设置刚柔过渡的垫层（如：砂砾石、级配碎石等），因此不宜将水稳材料底基层刚度设计过大，而且水稳材料基层也不宜较底基层的刚度过高地增长；因而采取限制水泥用量以及适当增加粗集料和严格控制细集料用量来合成各分级料的级配，来达到既满足半刚性基层强度要求（承载重的需求），又尽量减少半刚性材料产生裂缝的目的。简而言之“多碎石嵌挤密实”结构设计目标。基于上述的水稳材料组成设计理念与指导思想，我们就不能简单地按照现行基层施工规范的要求而称作“配合比设计”，而姑且称作“结构设计”。因此，在此我不对施工规范的配合比设计方法与流程作过多的分析讨论，而是着重地分析与讨论水稳材料（以下简称“混合料”）的级配理论分析与设计方法。我们以往的作法是按照现行施工规范或者施工设计文件推荐的级配范围的中值作为我们设计的目标曲线，往往简单地认为只要我们所设计的比例合成曲线尽量按近中值就是最佳级配曲线了。事实上，我国地域广阔，各项差异性因素多，规范具有广泛的普遍意义，对具体项目而言就需要我们有针对性分析问题与解决问题。我们采用“泰勒富波”公式，即Pi=A(di/dx)B 进行材料合成曲线的理论分析，以往设计的连续密级配悬浮结构，从“dmax dmin”均由单一的一根曲线（即通常用的中值线）作为我们设计的目标曲线，也就是公式中的“A、B”两系值从“最大控制粒径dmax 到最少控制粒径dmin”均为同一的数值。其配合比设计方法是采用图解法或者是试算法，调整各分级料的用量比例，让合成的级配曲线尽量靠近目标曲线（即中值线）。很明显仍然采用这样的方法就难以实现“多粗集料（即多碎石）少细集料”的嵌挤密实结构设计目标。要实现设计目标解决问题，我们不妨采用“逆向思维”，仍然利用“泰波”公式，以粗细集料的分界点（公称最大粒径dmax19mm的材料为4.75mm，dmax16mm的材料为2.36mm ）作为控制点对粗、细集料分别采用不同的“A、B”系数，即两段曲线组合成一复曲线，从而拟定出新的目标曲线，然后再用前述相同的配合比设计方法，调整各级料用量比例，让合成的级配曲线尽量靠近拟定的目标曲线。当然拟定的单根目标曲线，不一定就是较佳的级配曲线，为此，同样的方法以控制点的通过率的中值3%分别再拟定另外两根（一粗、一细）目标曲线，即同时就得三组不同的配合比。具体的拟订目标曲线的方法，举例如下：X X X 项目“水泥稳定碎石基层（底基层）的级配范围要求”结构类型通过下列方孔筛（mm）的质量百分率（%）31.519.09.54.752.360.60.075基层10068-8638-5822-3216-288-150-3I 组：边界条件如下：（以4.75mm的通过率中值27%作为控制点）代入Pdi=A(di / dmax)B公式：粗集料dmax=31.5 P dmax=100dmin=4.75 P dmin=27 100= A(31.5/31.5)B A=10027= 100(4.75/31.5)B B= Lg(27/100)/ Lg(4.75/31.5)=0.6921则有： Pdi=100(di/31.5)0.6921di=31.5 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75Pdi=100 88.7 70.5 62.6 54.8 43.6 27.0边界条件如下：代入Pdi=A(di / dmax)B公式：细集料dmax=4.75 P dmax=27dmin=0.075 P dmin=2 27= A(4.75/4.75)B A=272= 27(0.075/4.75)B B= Lg(2/27)/ Lg(0.075/4.75)=0.6274则有： Pdi=27(di/4.75)0.6274di=4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075Pdi=27 17.4 11.3 7.4 4.8 3.1 2.0粗与细集料组合在一起，即可得如下的拟定目标曲线（省略掉其余孔径通过率）：31.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 100 70.5 43.6 27.0 17.4 7.4 2.0 与上述同理可得：组：边界条件（以4.75mm的通过率减少3%即24%作为控制点）粗集料100=A(31.5/31.5)B A=10024=100(4.75/31.5)B B=lg(24/100)/lg(4.75/31.5)=0.7544细集料 24= A(4.75/4.75)B A=242= 24(0.075/4.75)B B= Lg(2/24)/ Lg(0.075/4.75)=0.599031.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 100 68.3 40.5 24.0 15.8 6.9 2.0 组：边界条件（以4.75mm的通过率增加3%即30%作为控制点）粗集料100=A(31.5/31.5)B A=10030=100(4.75/31.5)B B=lg(30/100)/lg(4.75/31.5)=0.6364细集料 30= A(4.75/4.75)B A=302= 30(0.075/4.75)B B= Lg(2/30)/ Lg(0.075/4.75)=0.652831.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 100 72.5 46.6 30.0 19.0 7.8 2.0 综合列表如下：组号31.519.09.54.752.360.60.075备注10068.340.524.015.86.92.0粗10070.543.627.017.47.42.0中10072.546.630.019.07.82.0细分析上表，不难发现与“二”项中“2”条的分级（五级）相对应，就很容易设计各级料的配合比例。同样道理采用“三级”或“四级”分级也只需按上述公式计算相对应筛孔的通过率，从而用图解法或试算法分别也可以设计各级料的配合比例。当然按配合比设计的合成曲线也不能完全与拟定的目标曲线（每一筛孔均）重合，但可以尽量使两曲线逼近，尤其控制性点位的通过率完全可以达到基本相同。此时，仍然不能判别各组级配曲线的优良性。建议作第三阶段的检验工作: 分别验算如下三项指标 Cu= D60/D105 Cu级配曲线不均匀系数 Cc= D302/（D60D10）=13 Cc级配曲线曲率系数注：D10、D30、D60分别指曲线通过率10%、30%、60%所对应的筛孔尺寸。 KV=0/Gse90%,KV固体体积率，即级配材料（在未掺配结合料条件下）的最大击实密度占级配材料合成毛体积密度的比重。0级配材料的最大击实密度。Gse级配材料的合成毛体积密度。一般前两项指标较易满足；关键在于第三项指标不满足时，可以判别该级配曲线结构空隙率过大（产生空隙率过大的原因在于两种状态，即有可能某级料用量过多，胀开上一级，也有可能某级料过少，不能充分填充上一级的空隙），即表明该结构虽多碎石却不能嵌挤密实。必须重新拟定新的目标曲线。第四阶段的工作：按现行规范与试验规程的相关规定和要求，分别对三组曲线不同的水泥剂量（水泥剂量的间距可较规范的“0.5”缩小到“0.3”）进行混合料的室内拌合、制件以及检测，7天无侧限抗压强度。根据强度评定结果，从三组中比选，强度满足设计要求，水泥剂量用量相对为最小者，而且各级料使用比例（即生产配合比）最为接近各级料轧制比例（即加工生产比）的一组级配曲线作为较佳的结构设计。在这一阶段的工作要注意两项问题：一是强度指标：虽然规范只规定了下限，即底基层2MPa,基层3MPa；但并非强度越高越好，除去矿产资源地区的专用重载车道有专项的特殊强度标准要求外，一般也应控制上限（基于避免与减轻开裂和改变路面结构层受力模型），即底基层7d无侧限抗压强度宜控制范围2-4MPa，基层宜3-5MPa，否则视为质量不合格。二是混合料的最大干密度（即标准密度）和最佳含水量的确定问题：对于多碎石结构，无论采用老规程的标准击实方法，还是采用新规程的振动击实方法，工作人员均普遍反应难以确定。在试验过程中，随着拌制混合料时含水量的增加，并不一定就会产生击实密度的波峰值，因为尽管拌合的含水量也许超过了最佳含水量，但是在击实时往往会因为较大的含水量会从试模底部淅漏，也会从试模上部溅出，此时试件的击实密度所对应的含水量并不等同于拌制的含水量，因而会产生含水量增大而击实密度继续增加的假像。对此问题建议采取两种方法进行解决。第一种方法：采用试验段施工的现场最大干密度作为标准密度，所对应的含水量作为最佳含水量。第二种方法：采用理论计算的方法确定标准密度和最佳含水量。经验性公式如下：max=0/(1-K.a) 0=(0.5+K)*a+L*(1-a)0级配集料的最大干密度（即不添加水泥结合料条件下，作击实试验测定）。K水泥凝结硬化时吸水系数，试验测定。a水泥的用量（不同于规范的剂量，即需换算为内掺的百分率）L级配集料的吸水系数本项内容较为繁杂且未必完全正确，一些问题仍有待于实践中验证与深化研究之，便于直观地了解与共同探讨，现将“多碎石嵌挤密实水稳材料”的结构设计流程简单地总结如下框图。四、施工技术1、拌和技术在“三”中已谈到，“多碎石嵌挤密实型”水稳材料的结构组成特性是：粗集料（4.75mm）的含量多，而细集料（4.75mm）和结合料（水泥）相对的含量较小。因此对于拌和均匀性的要求就较“多细集料的悬浮密实型”要更高，即拌和技术就必须革新。一是拌和设备，冷料仓配置充足，不得少于集料分级数量；且每个料仓、供水与供水泥系统都必须配置自动化电子计量器，以利于供料准确度的提高，保证冷拌机能够尽量良好地执行“结构设计”的配合比例，亦即拌和成品的级配曲线尽可能地接近结构设计的级配曲线尤其“控制粒径”的点位上基本一致地重合之。二是，搅拌锅必须配置双轴式对拌叶轮臂（作为“长短臂交叉式叶轮”将更是未来的领先技术）且拌锅长度宜加长式（不宜小于3m）, 以利于拌合充分与均匀。三是，细集料料仓和水泥仓（或者贮存缸）最好配置“破拱装置”，一旦发生堵塞，启动“破拱装置”以利于保证出仓口的流量稳定。四是，冷料仓宜容积量愈大愈好，避免因为容积量过小，盛料过满，而互相溢仓患料，从而难以控制级配亦即前述的分级备料、与结构设计都失去实际意义。2、运输运输车辆机况良好，吨位适宜，不能吨位过大，运行中碾压与损伤水稳层，也不能吨位过小不利于摊铺机铺筑的连续均衡作业；而且要求运输车必须覆盖，一方面防止混合料水分损失，另一方面避免雨水无被冲淋，也避免土路基扬尘污染。运输车辆数量匹配于拌和能力、运距和摊铺能力。3、铺筑工艺基于前述相同的道理，“多碎石嵌挤密实结构”水稳材料，因为粗集料多细集料与结合料较少，易产生离析，宜采用摊铺机摊铺，不宜平地机反复整型与刮平而加重材料的离析。视结构层厚度，摊铺机摊铺工艺又可以采用两用方案：一是层厚20cm时，一次性全层摊铺与压实成型；而是层厚20cm时，宜采取分层摊铺，分层厚不得薄于10cm。分层摊铺又分为两种方法：一是分层连续摊铺，即下层摊铺压实后在其凝结之前退回摊铺机，压路机连续铺筑上层；二是待下层养生期结束后再铺筑上层。考虑到增强层间结合力，往往多采用“分层连续摊铺”。当摊铺幅宽度过大时（一般而言9m以上），不宜采用一台摊铺机全幅摊铺，宜采用两台摊铺机呈梯队摊铺以减轻摊铺幅度上的横向离析和避免纵向的接缝。当然，上述各种“摊铺工艺”，均是结合现阶段的摊铺机总功率不足，压实设备吨位不足的情况而拟定的方案。随着大功率、大料斗、“机、电、液”一体智能化摊铺设备和大吨位、可变频变幅（振动装备）、“机、电、液” 一体智能化压实设备的不断更新与发展起来，我们现行施工技术规范的某些限制措施，通过施工现场实地验证，个人认为完全可以作些适宜的技术革新与突破。例如：30cm厚水稳结构层，采用大功率（160kw）、大料斗的摊铺设备和足吨位（30t）、高频率较大振幅的压实设备，进行全厚度一次性铺筑压实成型。（陕西中大摊铺设备最大摊铺厚度可达50cm）。4、养护（养生与爱护）水稳结构层铺筑成型后的“养护”工作，对于结构层的整体板结效果与整体承载能力的形成极为重要！一是：“保湿养生”，水稳材料铺筑成型后，水泥凝结硬化结构层强度增长过程中水化作用需要充足的水分，同时结构层层内的水分一方面毛细水上渗且随着水化作用产生的热量向层面蒸发损失，而且层面表面水分也同时随风力与晾晒作用而挥发损失。因此必须及时补充水分，确保水化作用能够有效进行的相对饱和与平衡的湿润状况。尤其是前三天的养生作用更为关键。当然，采用复合养生剂薄膜覆盖保湿养生技术是较佳的养生工艺，但是在覆盖之前也必须适量洒水确保结构层的水分达到饱和状态。当不采用覆盖养生技术时，那么就必须配置充足的洒水车及时连续的洒水养生始终“保湿润”为原则，且洒水车不宜上养生层层面通行而破坏“凝结水化作用”。对于基层更宜尽早洒布透层、封层与沥青面层！二是“爱护”，养生期间严禁车辆通行；养生期结束开放交通后，也必须限制车速与载重（指轴重），保护结构层不受损伤（这是易被忽略或重视不足的质量问题）。五、有待探讨的问题（供我们大家深入研究与思考）1、设计因素方面考虑到四川省高速公路路网（乃至于西部）将向边远山区延伸，桥、隧增多，隧道与桥梁桩基产生大量的石渣，为合理利用与节约资源，能否适量减薄水稳半刚性材料层的层厚（例如：两个20cm厚），而在底基层之下路床顶面全线贯通地设置较粗粒径的级配碎石或者低水泥用量的水稳材料作为刚柔过渡垫层（例如：1520厚）？既不降低路面整体承载能力，又利于土路基排水，也方便土路基床交验，且水稳层又易于铺筑。2、施工因素方面前面也谈及，随着施工技术装备力量的“大功率”、“机电液”一体化与智能化的不断更新与发展，对于受现行规范限制的传统的铺筑工艺进行相应的改新与升级，又例如：碾压工艺上，在满足压实要求的前提下，现行的工艺往往均严格要求静压整平收光滑轮迹；换角度思考，为了增强层间结合，也减轻因为各种应力集中产生规律性的横向贯通竖向较深平面较宽的裂缝规模；能否反其道而行之，采用适度的弱振（高频率低振幅）在不破坏结构层整体板结效果的前提下，对深轮迹整平却不收光，使表面保持宏观粗糙度和微观的细裂纹，以利于及时释放水化作用等产生的收缩与干缩应力，从而避免或减轻水稳层开裂程度，对于产生的细微