水泥稳定碎石的施工工艺与技术研究.doc

水泥稳定碎石的施工工艺与技术研究水泥稳定碎石的施工工艺与技术研究 1 关于水泥稳定碎石基层在国内外运用的形势 水泥稳定碎石具有足够高的强度 板体性 水稳性以及抗冻性等优点 它 可以根据交通量的大小 通过材料组成设计 调整强度的高低来满足不同的交 通量 不同道路等级的要求 完全能适应重交通量和高速公路路面基层的需要 水泥稳定碎石强度比较稳定 它受水分变化的影响不大 而且它的强度越高 稳定性越好 由于水泥稳定碎石的表面比较粗糙 清洁 能通过透层油或封层 油与面层很好地联成整体 无论是拌和还是摊铺 都能由机械来完成 机械化 程度越高 质量越能得到保证 因此在国内外得到广泛的应 此外 还有许多 的施工单位发明了新的施工工艺 虽然其优点很多 使用范围也比较广泛 但是若对其特点了解不足 施工 质量控制不好 就不能充分发扬其长处 甚至会留下工程隐患 造成严重的后 果 2 水泥稳定碎石施工中存在的缺点 2 1 材料级配 水泥用量 离析 成活时间难控制 2 2 从拌和到碾压的时间短 凝结时间过短不利施工安排 由于水泥的凝 结时间一般为1 3小时 而水泥稳定碎石基层在实际施工中 拌和站距摊铺点 较远 对于大规模机械化施工 要保证在水泥终凝之前完成摊铺和碾压操作很 困难 特别是夏季温度较高时 往往未等到摊铺 水泥已凝结 拌和料呈颗粒 状 严重影响稳定基层的密实度和胶结强度 此外 水泥稳定碎石基层属于硬 性贫水泥混凝土 加水量大时稳定层强度降低 干缩率增大 抗裂性差 加水 量小时则工作性变差 稳定层呈松散状态 密实度降低 2 3 水泥稳定碎石的干缩 收缩裂缝引起路面破坏 水泥稳定碎石基层 中的胶凝材料为水泥 而水泥基材料在水化形成强度过程中易产生干缩性裂缝 尤其是随水泥用量及用水量的增加 其收缩性更大 基层表面易出现较为规则 的间距为5 15m横向裂缝 这种横向裂缝在交通荷载或温度应力的反复作用下 由下层逐渐反射到沥青混凝土表层 使表层产生规则的反射裂缝 在路表雨水 的渗透作用下 半刚性基层和底基层以及路基层将产生湿胀 降低其承载能力 从而形成沥青混凝土路面的早期病害 3 如何从施工工艺方面解决上述问题 从施工工艺中可以一定程度上解决上述问题 首先 认清水泥稳定碎石 的组成和性质 水泥稳定碎石是以水泥 碎石 石粉 水为原料 以适当的级 配和配比拌和而成 该混合料属于半刚性材料 在水泥稳定碎石混合料中 水 泥是活性材料 其配比多少直接影响到基层的强度和收缩变形 若水泥配比过 多 易产生收缩变形 水泥配比过少 则形不成一定的强度 一般情况下 水 泥配比以3 6 为宜 集料是水泥稳定碎石的主体 它与基层强度有着密切 的关系 集料本身的质量及级配还直接影响到水泥掺量的大小 水对水泥的水 化 混合料的拌和 摊铺 碾压乃至形成强度的整个过程 一般拌和过程中含 水量应控制在5 8 摊铺 碾压过程中由于水分蒸发 还要及时补充洒水 知道了水泥稳定碎石的组成和性质之后 就可以看出有以下几个因素造成 上述问题 原材料 配合比 含水量 混合料的拌和 摊铺 碾压及养生的整 个过程 3 13 1 原材料的控制 原材料的控制 碎石质量要求 水泥稳定碎石基层的强度主要是依靠碎石本身的强度 石料的嵌挤锁 结作用和水泥材料的稳定胶结作用而形成的 根据 公路规范 要求 水泥稳定 碎石单个颗粒的最大粒径不应超过37 5mm 而碎石强度以集料压碎值表示 一般 不得大于30 碎石的外观 针片状含量 碎石采购时应选取具有棱角且近于立 方体 碎石料中扁平细长的颗粒含量不得大于15 水泥的品种及规范要求 由于不同类型的水泥具有不同的干缩性 经多次对各种水泥使用效果比较 其 中道路用普通硅酸盐水泥干缩性较矿渣水泥干缩性小 因此 选用干缩性小的水 泥 可在一定程度上降低裂缝的机率 公路路面基层施工技术规范 JTJ034 2000版 以下简称 公路规范 主 要要求水泥稳定碎石基层用的水泥初凝时间在3h以上 终凝时间在6h以上 其他 水泥指标与普通混凝土相同 水泥强度等级采用32 5标准等级水泥即可 石屑 通过筛分设备最小筛孔的集料 一般为0mm 5mm 其作用是作为碎石间填 充材料 以保证达到水泥稳定碎石基层要求的密实度和强度 公路规范 要求石料中粒径小于0 075mm的颗粒含量不应超过7 3 23 2 配合比的控制 配合比的控制 水泥稳定碎石基层混合料中集料级配的好坏不但对基层强度有影响 而且对 其他的路用性能也有影响 公路路面基层技术规范 中规定水泥稳定类基层 的强度宜在3MPa到4MPa之间 而目前在高速公路建设中 有些施工单位在施工过 程中过分强调水泥碎石基层的强度 认为强度越高越好 并在工地配合比设计中 尽可能地选择强度高的配比 有的道路在水泥碎石基层完工后进行7d钻芯取样 测得的抗压强度达到7MPa 8MPa 甚至10MPa以上 这种盲目提高强度的做法导致 基层刚度过大 容易产生其他负面的影响 这种做法是不值得的提倡的 这样不 仅浪费了材料 而且水泥稳定碎石基层的效果也不能充分发挥 从理论上来说 介于规范级配范围上下限内的级配曲线有许多条 一般情况 下 在水泥剂量 石料的强度 石料形状等满足相应规范要求的前提下 根据这 些级配曲线配置的混合料7d抗压强度大都符合要求 但各个级配混合料的抗裂 性能和抗冲刷性能却有较大的差异 近些年来 实践证明 对于用水泥稳定碎石 这类半刚性材料作基层的道路 在使用中发生破坏的原因 除了极少数是为因抗 压强度不足引起的以外 大多是由于其收缩性大或抗冲刷能力不足所致 虽然规 范中对水泥碎石基层材料的抗收缩性能 抗冲刷性能没有明确的要求 但是在配 合比设计中应该有所考虑 在实际使用中 如果同时要求水泥碎石基层材料的抗压强度 抗裂性和抗冲 刷性都达到最好的状态非常困难 因此所选用的配合比应该是在充分考虑道路沿 线地质 水文 气候以及施工难易程度的条件下 抗压强度 抗裂性和抗冲刷性 之间的一种平衡 例如 在抗压强度满足要求时 对于比较干旱 但温差较大的地 区 就应着重考虑基层材料在温缩下的抗裂性是否能够满足实际要求 具体配比 应该通过相应的试验确定 此外 在配合比设计中应充分地考虑到在实际施工是 否易于操作 例如 摊铺机摊铺粗料含量较多的混合料时 由于摊铺机分料器在分 料的过程中将混合料中的粗颗粒拨到了两侧 易使局部的地方出现离析现象 而 细料含量较多时 压实阶段容易产生弹簧现象 与之相比 当混合料配比适当时 则极少发生离析和弹簧现象 此外 碎石级配应符合10mm 30mm级配要求 实践证明 用同一剂量的水泥 稳定级配良好的碎石 其强度和耐久性要比用级配不好的碎石的强度和耐久性高 为保证颗粒组成合理密度 在施工期间应在现场设专人负责随机抽样检测石料级 配 若发现不符合上述要求时 及时通知拌合站调整级配 使其符合级配标准 附 表 水泥稳定碎石混合料集料组成 附表 水泥稳定碎石混合料集料组成 通过下列筛孔 mm 的重量百分率 集配 31 526 5199 54 752 360 60 075 范围 10090 10072 8947 6729 4917 358 220 7 3 33 3 含水量 含水量 实际施工中 拌合物施工含水量应比试验最佳含水量高0 5 1 0 即可 如 含水量过低 小于最佳含水量 混合料难以成型 压实度达不到设计要 求 钻芯取样松散 板结性差 其强度达不到设计要求 如含水量偏高 水泥水 化后剩余水分会因蒸发而引起水稳层自然收缩 产生裂缝 混合料的含水量与气 温有着密切的关系 气温在5 10 时 以设计含水量为准 气温在10 20 时 含 水量应加大2 3 气温在20 以上时 含水量应加大3 5 随着气温的变化应 及时调整混合料的含水量 此外影响拌合料含水量的因素还很多 施工过程中必 须做到勤测 在动态中找到平衡 3 43 4 混合料的拌和 混合料的拌和 a 配料要求准确 应采用电子计量系统 电子计量系统在使用前必须校正 b 含水量要略大于最佳含水量 使混合料运到现场摊铺后碾压时的含水量 不小于最佳值 c 拌合料要先经过试拌 检测 调整 直至拌合均匀后 再正式拌合 3 53 5 混合料的运输 摊铺 混合料的运输 摊铺 为了节省倒车 拌合料摊铺时间 一般采用15t以上的自卸汽车运输较好 并要求车况良好 每天上班前应对车辆进行常规检查 排除故障 防止装满料 后不能卸车 时间太长 引起水泥稳定级配碎石混合料凝固而造成浪费 同时 应用篷布覆盖 一方面减少运输途中的洒漏 污染路面 另一方面 减少运输 途中的水分蒸发 混合料摊铺前应将下承层充分洒水湿润 干燥的下承层会吸收混合料下部 的水分 使得混合料底层难以压实成型 采用摊铺机摊铺 为了避免水泥稳定基层中间纵缝接缝 一般采用ABG型摊 铺机全断面摊铺 且摊铺前应事先测量钢钎标高 挂好钢丝绳 钢钎应选用具 有较大刚度的 6 8钢筋加工而成 并配有固定架 固定架采用丝扣为好 便于拆卸和调整标高 钢纤长度为60cm 70cm 钢丝绳采用 3 不宜太大也不 宜太小 另配两套紧线器 将钢丝绳拉紧固定 钢钎一般以10m一个断面 间距 大容易产生悬链效应 两钢钎之间钢丝下垂出现误差 间距太小则增加了工作 量 测量跟不上 若遇有平曲线路段 则应加密钢钎 采用5m一个断面 钢钎应打设在离铺 设宽度以外30cm 40cm处 以防与施工机械碰撞 或由于机械的振动 造成钢 丝的跳动 而干扰摊铺机自动找平系统 钢钎打设完后 根据控制标高来确定 钢钎顶标高 推算固定架的高度 安装好固定架 挂好钢丝绳后 检查是否有特殊点即忽高忽低现象 如出 现这种情况则应进行标高复测 直到调整好为止 如果夜晚加班摊铺 则应在 白天完成所有测量工作 此外 在摊铺施工过程中 测量人员应随时检测其标 高 确保施工的精确度 如果不具备大型的全断面摊铺设备 水泥稳定碎石摊铺可以采用两台摊铺 机梯队作业 这样沿线两侧应设置2根高程控制线 中间设置可拆除的高程控制 杆 第一台摊铺机沿高程控制线和控制杆摊铺 第二台摊铺机沿已摊铺的平面 和外侧高程控制线摊铺 沥青摊铺机摊铺水泥稳定碎石混合料时 应将螺旋布料器进行调整 宜将 布料器定位在高位 以适应厚层摊铺的要求 布料器中部采用大叶片 边部采 用小叶片 以使摊铺过程中布料器内各处料位一致 在摊铺过程中 由于混合料的滚动 螺旋布料器内上层混合料是一层离析层 只有粗集料 为了不使铺筑的混合料出现离析 布料器内料位应略高 以免上 层混合料影响摊铺效果 在摊铺过程中偶尔出现离析现象时 应及时调整布料器内料位等方面 通 过摊铺机解决离析现象 而不宜采用人工挖补 3 63 6 混合料得碾压 混合料得碾压 一般说来 压实工作在平路机基本摊平后便进行 用振动压路机先快速满 轮过一次 之后按道路的高程 横坡和纵坡 用平路机刮平 比设计高程高 1 5cm一2cm 成型后再用振动压路机慢速碾压4遗一6遍 然后用两轮压路机过 l遍一2遍 使集料形成密实状态 再用三轮压路机打平碾压 直至达到设计压 实度 最后用胶轮压路机碾压 但要严格控制碾压时间 碾压要在45min内完成 碾压的顺序应为 静压一振压一再静压 因为摊铺机摊铺虚铺厚度较厚 碾压时容易壅包 故碾压时应成锯齿状 不能在同一直线上压齐 同时碾压时 应重叠1 2轮宽 后轮必须超过两段的接缝处 稳压阶段行走速度应控制在 1 5km h 1 70km h 压实阶段速度应在2 0km h 2 5km h 细压阶段压路 机行走的速度应控制在2 5km h 起步和制动应做到慢速度起动 慢速刹车杜绝 快速起动及急刹车现象 在碾压过程中 若发现局部蛮包 应用人工或平地机刮平处理后再继续碾 压 碾压全过程应控制在45min内完成 若碾压时间超过45min 则应增加压路 机台数 碾压完成规定的遍数后 应及时检测压实度 如果压实度没有达到规 范要求 则应继续碾压 但碾压时间与前面拌和 碾压时间之和不能超过水泥 的终凝时间 压过程中 如离压路机侧限边缘30M之内有大量水稳料滚动 表明混合料过 湿 按试验带上的方法碾压后仍达不到压实度时 说明水泥稳定碎石集料过干 如果混合集料稳定 其碾压要与试验带的遍数一样 使出现沉降的可能性降到 最低程度 3 73 7 养生及交通管制 养生及交通管制 1 每一段碾压完成并经压实度检查合格后 应立即开始养生 2 养生方法 应将麻袋事前湿润 然后人工覆盖在碾压完成的基层顶面 每天适当时间用洒水车洒水 在15天内始终保持麻袋处于湿润状态 不得用湿 粘土 塑料薄膜或塑料编制物覆盖 上一层路面结构施工前方可移走覆盖物 期间应定期洒水 养生结束后 必须将覆盖物清除干净 3 用洒水车洒水时 洒水车的喷头用喷雾式 不得用高压式胶管 以免 破坏基层结构 每天洒水次数应视气候而定 整个养生期间应始终保持养生覆 盖物表面湿润 4 安排专人经常翻开麻袋片检查水稳基层表面潮湿状态 洒水的均匀性 根据天气情况随时调整洒水遍数 同时认真观察裂缝产生情况 并做好记录和 标记 5 基层养生期不应少于15天 养生期内洒水车必须在另外一侧车道上行 驶 6 在养生期间应封闭交通 严禁一切车辆通行 7 养生结束后宜尽早做下封层 尽早铺筑面呈 未铺筑面层的路段不 宜开放交通 有了上述的各种控制再加上有序的施工组织就可以将水泥稳定碎石的缺点 减少到最少 从而发挥它的优点 4 4 水泥稳定碎石的水泥稳定碎石的技术研究技术研究 水泥稳定碎石的技术研究包括以下几个方面 如何尽量延长水泥稳定碎石 的凝结时间 密实骨架水泥稳定碎石的设计 水泥稳定碎石施工中的超密现象 的原因及对强度的影响 4 4 如何尽量延长水泥稳定碎石的凝结时间 为了延长水泥的凝固时间 防止出现裂缝 可以在水泥稳定碎石中加入各 种缓凝阻裂剂 主要有HNF 6 ZL 木钙 HNF 2等 以加入HNF 6缓凝阻裂剂为研究对象来说明缓凝剂的优点 加入HNF 6缓凝阻裂剂水泥稳定碎石的物理力学性能 HNF 6缓凝阻裂剂物理性能指标 HNF 6缓凝阻裂剂是一种能大幅度降低 水表面张力功能的有机黄酸盐 为羟基羧酸盐与元机硫铝酸盐等多种成份复合 的有机化合物 颜色淡黄 呈粉末状 对人体无毒付作用 对自然环境元污染 其物理指标如表1 HNF 6缓凝阻裂剂均质性指标 项目指标 容重 g cm3 1 15 细度 45um大筛余量 5 含水量 4 净浆动率 mm 180 氯离子含量无 HNF 6缓凝阻裂剂的减水作用 表2试验结果说明 HNF 6缓凝阻裂剂具有一 定的减水作用 减水率可达6 9 这样在保证用水量不变的情况下 可使 水泥稳定碎石的工作和易性明显改善 从而有利于机械化雄铺和压实 提高稳 定基层的密实度 HNF 6的缓凝与降低水化热作用 表2试验结果说明 水泥中掺加HNF 6缓 凝阻裂剂能明显延长水泥的凝结时间 在正常掺量下水泥的凝结时间可以延长 6 8h 通过掺量调整还可进一步延长凝结时间 掺HNF 6缓凝阻裂剂的水泥基 材的放热速率明显降低 水化热高峰出现的时间大大推迟 见图1试验结果表明 掺HNF 6缓凝阻裂剂的水泥浆体1d水化热仅有纯浆体的1 7 3d水化热为纯水 泥浆体的74 2 7d水化热为纯水泥浆体的91 c HNF的阻裂膨胀作用 采用HNF掺量3 5 占水泥用量的比例 与不掺时进行砂 浆试件膨胀与干缩试验 砂浆尺寸40 x 40 x 160mm 试件养护及成型按 GB8076 1997 规定 测量膨胀与于缩的试件在成型1d后脱模用干分尺测定试 件基长 在温度20 1 湿度55 60 的室内养护 按不同龄期进行侧长 从表3的试验结果可以看出 掺 HNF 6组裂剂的水泥净浆在水中的线膨胀率较 不掺HN 6的净浆高出十几倍 即使在自然空气中养护 掺HNF 6阻裂剂的水泥 净浆在14天前仍有一定的膨胀 随后才有少量的收缩 在28天的收缩也只有 0 005 仍小于水泥浆的极限应变值 而不掺HN 6阻裂剂的水泥净浆在1天后 就出现收缩 7天时收缩值已超过极限应变 稳定碎石基层的试验证明 掺加水 泥用量3 5 的HN7 6阻裂剂的稳定碎石基层砼试件 28天基本无收缩 42天 的收缩率为1 5 x 10 4 远小于会引起混凝上开裂的变形值 这说明掺HN 6 阻裂剂的水泥稳定粒料具有一定的微膨胀性可以补偿干缩 具有明显的抗裂性 掺HNF 6的水泥胶砂增强作用 试验用巢湖425号普通硅酸盐水泥 不同用量 的水泥胶砂中掺入3 4 的HNF结果如表4 从表4可以看出水泥胶砂强度提高 了近20 50 在强度不变的情况下 可以节约水泥20 结论 1 掺加HNF 6高效缓凝阻裂剂的水泥稳定碎石基层具有一定补偿收缩功能 可有效地防止和减少水泥稳定碎石层的开裂 从而大大减少路面早期损坏 提 高路面的耐久性 2 HNF 6高效缓凝阻裂剂具有缓凝减水作用 可以延长成型时间 改善工 作性能 提高碾压密实度 从而提高稳定层的强度 3 使用HNF 6高效缓凝阻裂剂 可以提高水泥稳定碎石基层强度20 50 而在保证强度的情况下可以节约水泥10 15 因此直接费用基本持 平或略有增加 如果综合考虑路面质量提高后 道路的维修费用降低及使用期 限延长带来的经济效益 使用附6高效缓凝阻裂剂则具有明显的经济效益和社会 效益 总的来说掺加缓凝剂有助于提高水泥稳定碎石的综合性能 各种缓凝剂的性 能虽不尽相同 但是它们的经济效益和社会效益在建成公路以后的使用中会体 现出来 4 24 2 密实骨架水泥稳定碎石的设计 密实骨架水泥稳定碎石的设计 为了改善水泥稳定碎石基层抗裂性能 这里提出了密实骨架结构水泥稳定碎 石基层 及其配合比设计方法 并对此进行了大量室内外试验 结果表明 骨 架密实结构水泥稳定碎石基层具有良好抗裂性能 4 2 1 水泥稳定碎石材料抗裂性能评价方法 在评价材料的抗裂性能时 应全面考虑材料的力学性能 尤其是极限抗拉强度 或极限抗拉应变 温缩或干缩应变 而不能仅考虑温缩或干缩系数大小 而评 价干缩性能时还需考虑其失水量 因为两种不同材料平均干缩系数可能相差不 大 而由于各自含水量不同和可能产生的干缩应变也就不相同 水泥稳定碎石基层材料在温度作用或失水作用下的开裂模式可以直观地理解为 在温度作用或失水作用下产生的收缩应变超过了材料自身所能承受的最大拉应 变 因此采用材料的温度收缩系数或干燥收缩系数与材料极限抗拉应变的比值 来表征其抗裂性能 亦即用温缩抗裂系数 T max t 干缩抗裂系数 max d来表征材料所能承受最大温差或湿差变化范围 T 或 值反映了 材料的抗温度 或抗湿度 收缩相对能力 其值越大 表明材料抗温度 抗干燥 收缩性能越好 反之亦然 严格来讲 材料的极限拉应变应通过材料的轴向拉伸试验获得 但是以目前 试验设备很难达到这一目的 所以在这里近似地采用由材料的抗弯拉强度与抗 弯拉模量E 计算得出材料的极限拉应变代替 计算极限拉应 max取决于强度R 和刚度E 两项指标 即 max R E 所以在同样强度情况下刚度越小 极限 拉应变越大 高强度低刚度有利于提高材料的极限拉应变 因此 在基层材料 组成设计时 尽量设法降低材料的温度收缩系数和干燥收缩系数 同时改善材 料的柔韧性即设法提高 max 从而使抗裂性能得到改善 耐久性得到提高 4 2 2 原材料性质 研究所用原料有水泥 碎石及河砂 细度模数2 5 为中砂 其主要技 术性质见表 4 2 3 秘史骨架结构水泥稳定碎石配合比设计方法 1 嵌挤原则 假设集料为直径D球体 按简单的立方体填积 颗粒排列堆积的最松 状况即对边长为D的立方体 放一个直径为D的球 其空隙率为 6 47 6 1 3 3 D D V 如果为D 2的球 则可放8个 如果为D 4的球则可放64个 如果为D 8的 球客方512个 空隙率总是 6 47 6 1 V 2 集料级配确定方法 先按上述嵌挤原理确定粗骨料用量 然后粗骨料的空隙由次一级颗粒所填充 其余空隙又由再次一级颗粒所填充 但填隙的颗粒不得大于其间隙的距离 否 则小颗粒之间势必发生干涉现象 这种既有嵌挤 又填充的集料在理论上应该 是摩阻力 凝聚力和密实度最好的混合料 具体计算过程如下 2 4料视密度2 68g cm3 集料最大干密度一般在1 9 2 1g cm3 以 2 0 g cm 计 考虑到施工中粗料不可能按理想嵌挤原理排列 所以其空隙率 比理想的会略大 计算时取空隙率为50 故2 4料重量占混合料总重的百分比 约为 1一0 5 2 68 2 0 67 在保证l 2料不过分挤开2 4料前提下 其 重量最多占到剩余重量的67 左右 亦即其用量不得超过 1 67 67 22 0 5 1 0料用量为7 在上述计算的基础上 本文保证大骨料2 3料占总骨料的67 不变 根据筛 分结果及部分击实试验结果 按最大密实度原则对l 2料 0 5 1 0料用量分 别作了调整 调整后的集料组成见表3 3 主骨料与细料比例的确定 按照密实骨架结构的特点 骨料形成骨架嵌挤结构 细集料 砂 和水泥作为 结合料填充骨料的空隙 形成密实结构 从而达到混合料整体最大密实度 混 合料的整体性由结合料贡献 因此作为结合料主要材料砂的用量就成了影响混 合料整体性的一个重要因素 考虑到施工中粗集料用量偏大可能会导致离析 本文参照水泥混凝土配合比设计方法 确定砂用量为35 骨架密实混合料级 配A的组成见表4 作为对比 本文还采用了 公路沥青路面设计规范JTJ 0l 4 97 所推荐级配 B 其组成见表5 图l为骨架密实结构和悬浮结构的通过量曲线 比较可见 本 文推荐的骨架状态是嵌入式 考虑到工地上水泥剂量常取5 故本研究中两种 结构水泥用量均采用5 即水泥 集料 5 95 4 试验方法 1 试件成型 试件成型前首先进行重型击实 求出混合料的最大干密度和最佳含水量 其结果见表6 然后按最大干密度和最佳含水量以97 的压实度成型试件 试件为10 cm 10 cm 40 cm梁和15cm 15cm圆试件 在标准养生条件下养生90 d 2 收缩系数测试方法 试验时将试件在养生到期前一天进行浸水养生1d 然后取出进行电测试件的 制作 最后接入应变仪半桥电路进行温缩或干缩系数的测定 温缩试验温度范 围采用50 一一30 C 干缩试验温度采用40 C 3 抗拉强度与抗拉模量 为了控制试验加载精度 试验在MTS上进行抗拉模量采用电测法测定 5 抗裂性能研究 1 强度与刚度 两种结构的水泥稳定碎石材料其90 d龄期的抗拉强度和抗拉模量测定结果 见表 7 表明 骨架密实结构水泥稳定碎石的抗拉强度和抗拉模量都比悬浮结构的要 大 体现出骨料形成的骨架结构对强度的贡献 2 温度收缩系数 90d龄期的两组水泥稳定碎石材料的温缩试验结果见表8 由表8可以看出 骨架密实结构A组其收缩系数明显优于悬浮结构B组 平均 温缩系数要小17 8 这是因为A组混合料孔隙率小于B组 所以材料受孔隙中 水的扩张作用 毛细管张力作用及冰冻作用影响相对来说就比较小 从而表现 为A组温度收缩性能优于B组 另外还可以理解为 随温度下降材料发生收缩 水泥稳定碎石材料试件虽然在宏观上表现不受力 但是混合料的各组分材料的 温度收缩系数各不相同 因而试件内部各组分材料必定处于受力状态 如果结 构处于悬浮状态 那么内应力的作用使其颗粒之间有机会挤压孔隙 较小的孔 压要平衡作用其颗粒上的内应力 势必要通过缩小体积增大孔压 从而在宏观 上表现出较大的温度收缩系数 若结构处于 骨架接触及孔隙结构 状态下 那 么内应力作用只能使颗粒之间相互挤压 而颗粒的压缩性毕竞有限 所以表现 为较小的温度收缩系数 3 干燥收缩系数 90 d龄期水泥稳定碎石材料的干缩试验结果见表9 由表9可以看出 骨架密实结构水泥稳定碎石90 d龄期的平均干缩系数比悬 浮结构水泥稳定碎石的要小31 5 最大干缩系数要小29 4 干缩的产生是因为伴随水分蒸发和水化反应进行 材料内部水分的减少而 发生毛细管作用 吸附作用 分子间作用 材料矿物晶体或凝胶体问层问水的 作用和碳化作用等引起水泥稳定碎石材料产生体积收缩 骨架密实结构是因为 结构紧密 颗粒间的约束与牵制作用加强 同时因其空隙率较小 受毛细管张 力 吸附水和分子间力作用以及层间水作用相对来说也较小 所以其干缩性能 要优于悬浮结构水泥稳定碎石 4 抗裂性 两种结构抗裂性能比较结果见表10所示 由表10可如 A组温缩抗裂系数比B组提高了30 6 而干缩抗裂系数比B组提 高了22 3 由此可见骨架密实级配水泥稳定碎石与常规级配水泥稳定碎石相比 具有 优良的抗裂性能和力学性能 不但减轻了沥青路面的裂缝率 而且也提高了路 面的承载力 从而提高了沥青路面的耐久性 因此骨架密实型水泥稳定碎石具 有较好的发展前景 4 34 3 水泥稳定碎石施工中的超密现象的原因及对强度的影响 4 3 1 概述 衡量水稳施工质量优劣的一个重要指标是压实度 即现场压实后取样测定 的干密度与标淮干密度的比值 压实度越大说明压实质量越好 一般而言 如 果确定标淮干密度的室内击实试验的击实功与工地拥有的压路机的压实功相当 所用材料基本一致 也即室内试验时材料的最佳含水量和最大干密度正好与工 地采用压路机压实时的最佳含水量和最大干密度相当 则工地施工压实度很难 达到100 然而在目前水稳施工的压实度检测中可以发现 压实度几乎都能达 到甚至超过100 出现超密现象 如此高的压实度本来应该是件好事 可由于 影响现场干密度的因素很多 很复杂 而且干密度的增大并不总是能带来强度 的提高 因此对超密现象的原因及其可能对水稳强度造成的影响应做具体的分 析研究 只有这样才能保证水稳作为路面基层起到有效的承重作用 4 3 2 影响水稳强度的因素分析 水稳是由数种级配集料所组成的混合料掺加一定剂量的水泥和适当的水 经振 动压实并凝固后形成的结构 它与水泥混凝土有许多相似之处 如使用的主要 材料基本相同 成型后均需要养护 它们的强度都是由骨料相互嵌挤形成的内 摩擦力和结合料与骨料的粘结力组成等 除此之外它们也有很大的差别 首先 是成型方法不同 前者通过压路机的振动碾压成型 后者依靠振捣器震捣成型 其次为尽可能减少水泥收缩引起的裂缝 水稳对水泥用量有较严格的限制 第 三由于强度的要求和碾压成型的需要 水稳比水泥混凝土对集料有更严格的级 配要求 下表为徐宿高速公路某标段水稳芯样强度的试验资料 资料表明 虽然与低标号 15 混凝土相比水稳的水泥用量 水泥剂量为 5 5 只有后者的一半左右 但28d后的强度却大致相当 由此可见相比水泥 泥凝土 骨料相互嵌挤形成的内摩擦力对水稳强度构成有更重大的意义 内摩擦力的大小取决于骨料相互嵌挤的程度 嵌挤程度愈高骨料间的内摩 擦力愈大 嵌挤程度的高低是由碎石的级配和密实度决定的 在嵌挤作用形成 的过程中压实起了关键的作用 在压实过程中通过对水稳混合料施以夯压能量 使骨料颗粒重新排列压实变密形成嵌挤 水稳混合料在短时间内得到了新的结 构强度 包括增强骨料间的摩擦和咬合 所以良好的级配 充分的压实可以让 骨料形成最大程度的嵌挤从而得到最大的内摩擦力 可以说集料的级配和压实 的质量是决定水稳强度的主要因素 水泥用量当然也是影响水稳强度的重要因 素 增加水泥用量固然可以提高水稳强度 但同时也会带来诸如裂缝开展过多 导致板体性减弱 反射裂缝增多等负面影响 所以 提高水稳强度不应仅采取 增加水泥用量的措施 而更应以通过改进集料的级配 提高密实度增强骨料相 互嵌挤形成的内摩擦力为主要手段 况且密实度的提高也可以相对减少结合料 即水泥的用量 影响水稳压实效果的因素很多 根据压实机理可归纳为以下三点 一是级 配 只有良好的级配才能保证在充分压实后得到较大的密实度 二是压实机械 的压实功能 碾压所做的功只有克服骨料颗粒之间的内摩阻力才能使颗粒产生 移动相互靠近变密实 因此压实机械必须具备相应的压实功 三是含水量 当 某一压实功压实到一定程度后就不能再克服骨料间的抗力 如果加入适当的水 就可起到润滑的作用 使内摩阻力减小 同样的压实功就能够得到更大的密实 度 所以含水量大小对所能达到的密实度起着很大的作用 4 3 3 标准于密度对压实度超密的影响 在公路工程施工中压实度是评价和控制压实效果的一个重要指标 压实度 是指现场材料压实后的干密度与该材料的标准干密度之比 可用下式表示 式中标准干密度是由击实试验确定的 用规定的击实试验方法得到的材料 的最大干密度即为它的标准干密度 所谓超密是指压实度超过100 即压实后 的现场测定的干密度大于击实试验所确定的最大干密度 最大干密度与含水量 有密切的关系 击实试验表明对同一击实功而言干密度与含水量是相对应的 尽管在实际施工中出现压实度超过100 的 绝对超密 情况可能并不多见 但是 相对超密 现象即相对同一含水量现场干密度超过了击实曲线所对应的干密度 往往很普遍 含水量的大小是决定压实效果诸因素的综合体现 因此为了能准 确分析超密的原因不仅要研究 绝对超密 更应研究 相对超密 它更能反映超 密的实质 对强度的影响也更大 鉴于此若在衡量压实质量的标准中增加相对 压实度 即现场干密度与相同含水量击实试验所对应的干密度之比 指标可能可 以更好 更为科学地评价压实的质量 式 1 可见标准干密度的取值直接关系到压实度的大小 击实理论表明 影响材料密实的因素很多如材料级配 击实功大小 击实方法 含水量等 不 同的试验方法或材料得到标准干密度必然不同 从这层意义上讲压实度实质上 只是一个相对的概念 如果确定标准干密度的室内击实试验的条件包括材料 击实功大小 含水量等与现场施工时的条件不相匹配 则标准干密度作为评价 压实质量的尺度肯定就不够准确 压实度就不可能正确反映现场压实质量的优 劣 因此在研究超密原因时必须从研究影响标准干密度的因素人手 分析规定 的击实试验是否能代表现场施工的实际状况 主要差别是什么 以及可能造成的 影响 4 4 4 级配变化引起的超密及其对强度的影响 由于不同级配集料的相对密度即粗细集料颗粒的密度是不同的 一种级配 良好并压实得很好的集料的干密度 可能由于其相对密度较小 而小于另一种 级配不佳且压实得不好 但相对密度较大的集料的干密度 因此 若级配发生 变化或即使在一个级配范围内可级配范围较宽的集料经压实后 在于密度和强 度方面都会有所差别 水稳施工所用集料的级配应与确定标准干密度的室内试验所用集料的级配 相同 但实际上因受各种因素的影响总存在或多或少的差异 引起级配变化的 原因大致可归纳为以下几个方面 级配本身是一个范围而不是一个定值 只 要在规定范围内的级配都是符合要求的 与大规模生产时所用集料的数量相 比 试验所用的集料是很少的 因此所取试样的级配与正式生产时就不可能完 全一致 可能存在误差 石料在生产过程中因筛网 除尘等原因造成各种集 料的级配不稳定 集料存放时由于各种规格的集料混放 堆放不合理 各种 污染等原因造成级配变化 生产混合料时因计量不准确及其它机械原因引起 混合料级配的变化 混合料在装卸 运输 摊铺过程中可能发生集料的离析 如果上述因素引起的级配变化导致集料的相对密度大于确定标准于密度的 室内试验所用集料的相对密度就会造成超密 前面已说明集料级配对水稳强度 有重要影响 因此对由于级配变化而给水稳强度带来的影响 如在同样的压实功 作用下 因粗集料过度集中引起的超密 就有可能由于压实不足 细集料填充 不够导致骨料嵌挤不充分 孔隙过大而结合料相对减少等从而造成水稳强度的 下降 应引起高度重视 为此在水稳施工中所用集料的级配应尽可能保持与击实 试验所用集料的级配相一致 4 4 5 压实功的提高造成的超密及其对强度的影响 目前控制水稳压实质量的标准于密度指标是通过重型击实试验确定的 重 型击实试验标准是上世纪八十年代国家根据当时的压实机械以静力压路机 小 吨位振动压路机为主的情况而采取的标准 随着对路面要求的不断提高 为保 证压实质量大吨位压路机已得到了广泛的应用 例如在徐宿高速公路路面基层 的水稳施工中所使用的压路机械一般均为激振力超过30t甚至达到40t的重型振 动压路机如INGERLAND175 180 VV170 Yzl8J BW DHl30等以及18 20吨的大 吨位静力压路机和胶轮压路机 相对于这种压实机械情况下的压实功 重型击 实标准的击实功明显偏小 因此即使采用重型击实标准的击实功确定的最佳含 水量和最大干密度也不可能与实际使用的重型压路机的压实功相匹配 压实理 论表明 任何级配集料的最大干密度和最佳含水量都不是固定不变的 它们随 击实功大小的变化而变化 对某种级配的集料而言 击实功增加其最大干密度 增大 最佳含水量减小 所以使用重型振动压路机必然会引起超密 压实功增大引起的超密对强度有何影响呢 一般来说 材料的密度愈大其强 度愈高 但这一规律也是有条件的不是绝对的 关键在于碾压时含水量的控制 法国公路局的有关资料表明碾压混凝土的含水量若变化1 则很容易导致其强度 降低20 30 根据压实材料的强度特性 密度愈大强度愈高的规律只存在于 含水量小于某一临界值的情况下 含水量超过此临界值后 强度和密度的关系 曲线就会出现一个峰值即一个最大值 甚至强度随密度的增加而不断减少 换 言之 当碾压时的含水量超过最佳含水量一定值后 存在一个与最高强度相应 的临界密度 超过此密度就会出现随密度的增加强度下降的现象 产生这种现 象的原因可初步分析如下 当碾压时集料的含水量大于最佳值时 骨料孔隙中 的气体越来越处于与大气不连通的状态 击实作用只能将其压缩而不能将其徘 出 空气由于受到压缩 使骨料中的内应力增大 从而导致产生裂缝造成强度 降低 水稳施工中 虽然由于使用重型振动压路机增大了压实功从而提高了密 实度 但施工所用的含水量却仍是按重型击实标准的击实功所确定的最佳含水 量控制的 击实试验表明 随击实功增加最佳含水量相应应减小 所以施工所 用的含水量肯定大于实际压实功所要求的含水量 因此超密尤其是相对超密有 可能造成强度的降低 4 4 6 击实试验与振动压实机理不同引起的超密及其对强度的影晌 击实试验是研究材料压实性能的室内基本试验方法 可以很好地模拟静力 压实的过程 是目前最通用的确定标准于密度的方法 击实是指对材料瞬时地 重复施加一定的机械功能使材料变密实的过程 其机理可解释如下 在击实过 程中 通过对材料施加一定冲击荷载产生的剪应力 克服材料颗粒间的摩擦阻 力 从而使材料产生塑性变形 迫使材料颗粒相互靠近并移动到更稳定的位置 随着颗粒的不断靠近 接触面积逐渐变大 它们之间的摩擦阻力也随之增大 当内摩阻力与集料自身的剪切破坏应力相等时 颗粒就停止靠近 所以击实作 用有一个极限的密实效果 若无限增加击实功 不仅达不到更加密实的效果 反而会破坏材料本身的结构 与击实使材料变密实的机理不同 振动压实的机理是通过对材料