半刚性基层的几个问题

半刚性基层的几个问题 交通部公路科学研究院 2010 3 汇报提纲 1 2 3 4 概述 强度问题 级配问题 施工变异性与质量控制 5 7 6 半刚性基层的几个问题 沿海高速长寿命路面技术 1 概述 概述 国外半刚性沥青路面发展比较早 早在上世纪六 七十年代 半刚性沥青路面已作为欧洲 美国 日本等国家主要的路面结构形式 半刚性路面在早期得到这些国家的广泛运用主要是因为各国都看到了半刚性路面的整体性好 承载能力较高等优点 对于国外的半刚性材料主要是用水泥稳定碎石类 对于石灰稳定类使用的较少 概述 在我国目前已建的高速公路上 几乎85 以上的基层结构形式是半刚性基层材料 这些基层材料最主要的也是在设计上讲是将其直接运用于沥青面层下作为承重层的 在路面承载力方面起到了至关重要的作用 概述国内发展历程 六 五 以前的起步阶段 石灰土在全国不同地区得到了推广应用 渣油表面处治和石灰土基层路面是本阶段的路面的代表 六 五 七 五 八 五 的发展阶段 七 五 期间 高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计和抗滑表层的研究 八 五 期间 高等级公路半刚性基层沥青路面典型结构的研究 形成了以半刚性基层为主的格局 在此阶段的主要的科研成果有 1 确立了重型压实标准 2 优选了半刚性基层材料类型 形成主要以水泥稳定碎石和二灰稳定类为主的半刚性材料形式 3 半刚性材料的技术指标的确立 以抗压强度作为唯一的指标进行材料控制 以弯沉为路面结构的设计指标 以路表弯沉作为现场检验的重要指标 概述国内发展历程 4 确立了半刚性材料的组成设计方法 5 规范了基层的施工工艺 路基路面工程质量管理 6 规范了一些基层材料的试验方法等等 概述国内发展历程 八 五 以后的应用与完善阶段 提出了考虑强度 干缩 温缩 冲刷等多指标控制体系的设计思想总体的思想是在保证强度的前提下综合考虑其他的影响因素 确保无机结合料的半刚性基层的长久性 概述国内发展历程 与柔性基层材料相比 强度高 承载力大 水稳性好 板体性强 无机结合料稳定土的材料易得 能够充分的利用当地砂石材料 在多年的使用中设计 施工单位积累了不少利用无机结合料稳定土修建基层施工经验 概述半刚性材料基本特点 主要存在的问题是 抗裂性不足 抗冲刷能力不足 还存在抗冻性不好与面层粘结差 概述半刚性材料基本特点 2 强度标准 2 强度标准 2 强度标准 各国对于水泥稳定碎石材料的强度的试验方法和强度的大小的规定各不相同 美国加州和华盛顿州强度的试验方法与我国相同 但是其强度大小却都在5MPa以上 2 强度标准 2 强度标准 等于或超过10年设计使用期的道路占24 这些道路不需要任何重大的养护工作 40 的道路在使用达10年时需要少量的养护 10 的道路在7 10年间需普遍养护 8 的道路在使用4 7年间 11 的道路在使用3年内需要普遍养护 2 强度标准 使用3年内需要普遍养护的道路 是由以下一些因素造成的 一半以上的原因是这些道路的设计水泥用量只有3 剂量3 8 的水泥稳定基层在控制很好的工厂内生产时 水泥剂量较设计值低0 4 以上 在需要普遍养护的道路中 有一半以上遭受冬季负温的作用 2 强度标准 根据室内研究 亚伯拉姆斯曾得出结论 为了经受冻融作用 最小的水泥剂量为3 进一步的分析发现 在美国养护较为频繁的路面结构往往是那些水泥稳定类材料强度较低的道路 所使用的路面中基层的强度高的其使用寿命要明显的高于基层强度较低的路面结构形式 2 强度标准 丹麦公路研究所 MechanisticDesignofSemi RigidPavements 在欧洲 半刚性路面应用相当广泛 如德国法国西班牙在主要公路网有30 50 的路面为半刚性路面 典型的重交通路面结构为15 25cm的水泥处置基层 10 20cm的沥青面层 水泥处置基层的7天抗压强度要求为6 12MPa 2 强度标准 在丹麦 5 的干线公路采用的半刚性基层 上个世纪七十年代丹麦在100km的高速公路上使用半刚性基层 典型的路面结构为20cm水泥处置碎石基层 12 16cm的沥青面层 水泥处置层的7天抗压强度要求为5MPa 2 强度标准 设计强度的标准与半刚性层在路面结构中的作用有关 1 对路面弯曲抵抗没有贡献 2 与沥青层共同承担弯曲抵抗 3 半刚性层单独承担弯曲抵抗 多数国家是按第二种思想进行设计的 2 强度标准 根据这一指导思想 欧洲形成如下分类 贫混凝土 强度大于10MPa 如比利时 德国及法国 低强度的水泥稳定土 强度小于2MPa 如瑞士 中等强度水泥稳定碎石 强度在2 5 4 5MPa 如意大利 2 强度标准 2002年 ZementstabilisierteTragschichten Bundesmini steriumf rVerkehr InnovationundTechnologie 按基层的强度水平分为两组 高强的贫混凝土 强度在6 10MPa 主要应用于比利时 德国 西班牙 英国及瑞典 低强度水泥稳定 强度在2 4MPa 主要应用于澳大利亚与瑞士 2 强度标准 小结半刚性基层材料的强度标准应是其在路面结构中作用而定 而不是是否开裂 就我国目前的沥青面层厚度及交通量情况 半刚性基层仍是主要承重层 3 级配组成 3 级配组成 半刚性材料的基本要求 强度 密实性 抗裂性能 抗冲刷性 疲劳性能 3 级配组成 影响因素 水泥剂量 级配 级配中粗集料含量 0 075mm通过率 施工工艺 3 级配组成 悬浮密实骨架密实骨架空隙 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 最佳含水量随级配的增粗 先降低后又增大 在碎石含量55 60 之间时最佳含水量达到最小 最大干密度随级配的变化情况与最佳含水量的变化情况相反 级配碎石含量在55 60 之间时达到最佳密度状态 表现为干密度最大 含水量最小 当碎石含量进一步增加后 混合料密度下降 说明空隙率增加 密实性降低 通过击实试验看 W级配和X级配将会是在级配设计中所应该得到的最佳级配形式 3 级配组成 3 级配组成 变化规律都是随着级配的增粗 理论密度先增大而后减小 在中间的X级配处达到最大值 3 级配组成 3 级配组成 随级配的增粗 试件的空隙率在W级配处达到最小 试件的空隙率在数值上总体趋势是先减小后增大的 3 级配组成 以筛孔尺寸为4 75mm或9 5mm作为粗细集料的分界尺寸 3 级配组成 3 级配组成 随级配的增粗 粗集料矿料间隙率VCA在Y处达到最小而粗集料捣实密度相反在Y级配处达到最大 说明就粗集料的骨架结构来讲 Y级配无疑是最好的 Y级配的粗集料之间接触最为紧密 但从击实的结果可以看出 Y级配的击实最大干密度在几个级配中并不是最大的 由此可见 骨架最为紧密的级配其密实性还受到细集料含量的影响 并不是骨架紧密的其级配就密实 3 级配组成 3 级配组成 水泥稳定碎石混合料一味地追求骨架结构是不可取的 通过比较击实试验结果和上表中的数值可见 Z级配达到骨架结构但是其密实性却并不能满足要求 从实际的混合料看 Z级配混合料过粗在实际室内试验中一般都难以成型 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 7天饱水无侧限抗压强度随各级配的增粗有一定的差别 基本上在中间的级配要高于两端的级配的强度 但是总体上来讲 级配较细一些的强度要高一些 在水泥剂量相同的情况下 混合料中细集料多些 水泥石与集料的接触面就会大些 相应地 混合料抵抗强度的作用就会强些 但当细集料过量多的时候 粗集料的嵌挤作用就会减弱 从而导致强度的减弱 过量的粗集料的级配虽然粗集料之间的嵌挤作用有余 但是由于缺乏细集料和水泥石的足够的约束作用 其抵抗强度的能力是有限的 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 试件的7天无侧限抗压强度与试件的密度和孔隙率有较强的线性相关性 试件的强度随试件的密度的增大而增大 因此相反的 随试件的孔隙率的增大而单调减小 由此可见 加强水泥稳定碎石混合料密实性对于材料的强度是有益的 在进行配合比设计时 通过调整级配采用击实试验优选较为密实的混合料级配 将会得到性能较优的材料 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 采用的是相同的水泥剂量 水泥对于干缩的影响应该基本上是相同的 存在的差别主要是混合料的粗细集料的搭配比例上 干缩应变与干缩系数随级配的增粗 其总体的变化趋势是级配越粗 干缩参数呈先减小后增大的趋势 在混合料中所含的细集料多些 总体上干缩越强 从前面的体积参数结果可以看出中间W级配和X级配的密实性最好 从干缩结果看W级配干缩系数也是最小的 二者之间存在较为相似的变化规律 3 级配组成 3 级配组成 3 级配组成 1 A值表示曲线的斜率 其值大小决定了疲劳曲线的陡缓 表示了材料的力学敏感性 A值越大 曲线越陡 说明应力的变化对疲劳寿命的影响越大 通过比较三种级配的A值可见 不论是95 保证率下还是50 保证率下A值的大小排序为 W U Y由此可见W级配的力学敏感性最低 其在相同的路面结构受力下抗超载超限的能力也会越强些 从本章中几个级配的力学性能以及干缩性能的对比也可以看出W级配都优于U Y级配 3 级配组成 2 B值表明了曲线的截距 其值的大小反应了曲线位置的高低 B值越大 疲劳曲线位置越高 混合料的抗疲劳性能越好 三个级配的B值大小的排序如下 Y W U按照ASSTHO试验路的规律认为 半刚性材料的轴载换算指数为8次方 力学性能敏感性低的可能最终的疲劳性能会更强些 3 级配组成 3 从疲劳曲线图上可以看出 疲劳性能W级配明显优于U级配和Y级配 而从曲线的走势上看 Y级配的疲劳性能是最差的 通过趋势有理由相信 Z级配的疲劳性能将会更加的劣于其他的级配 因此 在级配上过分的追求所谓的嵌挤结构 可能会在干缩等方面取得一定的收益 但是如果因为减小了干缩和温缩性能而牺牲疲劳性能那对于路面来讲将是更加的致命 疲劳性能的降低将会是路面整个承载能力的总体降低 对于路面的损坏将是无法弥补的 在级配的配合比设计上一定要综合考虑各种因素对于路用材料的路用性能的影响 通过试验比选 优选最优的级配类型才是最为重要的 3 级配组成 矿料级配中粗细集料的分界筛孔统一为4 75mm 即 4 75mm的颗粒称粗集料 小于4 75mm的颗粒称细集料 设计粗集料的级配时 是一个幂函数 设计细集料的级配时 又是另一个幂函数 所用的基本方程式为 此式中的Dmax标称最大粒径就是实际最大粒径 3 级配组成 式中有两个未知数A和B 为了求解A和B的值 需要建立两个联立方程 为此设定 di 31 5mm时 Pdi 100 di 4 75mm时 Pdi 36 采用4 75mm的通过量36 是因为现场容易碾压密实 由此可得计算粗集料 4 75mm 31 5mm 各个筛孔通过量的方程 计算细集料级配的方程时 一个控制点是4 75mm的通过量 即36 另一个控制点是0 075mm的通过量 其值为3 5 已有的研究成果证明 为提高水泥碎石的抗弯拉强度和回弹模量 矿料级配中应有3 5 0 075mm的粉料 4原材料质量控制 4 原材料质量控制 过程控制的目的之一就是有效控制工程质量的变异性S总 S取 S试 S材料 施工S取占23 S试占43 S材料 施工占34 4 原材料质量控制 过程控制的目的之一就是有效控制工程质量的变异性S总 S取 S试 S材料 施工S取占23 S试占43 S材料 施工占34 4原材料质量控制 一 集料资源特性 集料资源特性分析 资源特性指标 表观密度集料压碎值含水率 吸水率与沥青的粘附性磨光值磨耗损失值 毛料开采过程控制 开采量终采高程与分层 分层高度 12米保证开采层稳定性 4原材料质量控制 二 集料加工工艺流程流程 一破采用颚式破碎机二破采用反击式破碎机三破采用冲击式破碎机 4原材料质量控制 三 集料生产变异性 4原材料质量控制 四 筛网的设置 碎石厂筛网设置与合成集料级配变异系数表 4原材料质量控制 四 筛网的设置 4原材料质量控制 四 筛网的设置 沙院士 单一粒径的分档方式 稳定产量经常性的检修将关键筛孔设为分档的控制筛孔避免分档不清及在粒径上的交叉取料的位置 4原材料质量控制 五 注意的事项 5基层质量控制 5 基层质量过程控制 一 集料 1 级配变异性 单粒级与合成级配变异系数变化趋势 2 集料含泥量 5基层质量过程控制 集料含泥量变异系数表 集料含泥量随着集料粒径的减小而增加 水泥强度变异性影响因素 水泥的细度和颗粒组成 标准稠度用水量 延迟时间 水泥标号 控制措施 选用矿渣硅酸盐水泥 且标号不宜过高 选择细度变化较小 水泥的初 终凝时间长的水泥 建议选择初凝时间在2小时以上的水泥品种 5 基层质量过程控制 二 水泥 混合料级配变异性的影响因素 集料的级配 集料的干湿程度 集料的堆放 窜斗 和超粒径料 混合料的离析 5 基层质量过程控制 三 混合料拌和质量过程控制 1 级配变异性 集料级配变异性与混合料级配变异性关系 5 基层质量过程控制 3 水泥剂量 含水量的检测数据存在明显的变异性 含水量的变异与取样方式 施工时的天气温度 风力大小以及时间的影响是密不可分的 三 混合料拌和质量过程控制 2 混合料含水量 水泥剂量的分布总体呈正态分布 但存在着明显的变异 变异的产生与试验操作 取样均匀性以及试验方法等都有直接的关系 四 沥青路面基层混合料运输和摊铺质量过程控制 1 横向离析 2 竖向离析 3 纵向带状离析 4 窝状离析 5基层质量过程控制 五 沥青路面基层压实成型质量过程控制 1 压实度控制 压实度均值99 67 偏差系数0 5078 压实度数据集中在99 2 100 之间 占64 2 数据分布基本服从正态分布 5 基层质量过程控制 减小压实度变异性的控制措施复压阶段以胶轮压路机为主在基层碾压阶段采用光轮静压与振压选择无离析的路段进行压实度测试 2 厚度控制 1 对底基层或土基标高进行检查 调整超出容许范围的标高 2 对于最大粒径较小的 松铺厚度可以相应降低 最大粒径较大的 可以适当增加松铺厚度 3 振动压路机适合水泥碎石混合料的碾压成型 使用时应注意选择适宜的振动频率 振幅 5 基层质量过程控制 五 沥青路面基层压实成型质量过程控制 3 延迟时间控制 1 影响延迟时间的因素1 水