厚層水穩(wěn)碎石壓實評價方法研究

第33卷 第6期 2011年6月 武漢理工大學(xué)學(xué)報  JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY  Vol.33 No.6   Jun.2011

DOI:10.3963/j.issn.1671-4431.2011.06.014

收稿日期:2011-04-29.

基金項目:國家自然科學(xué)基金(50978031);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(CHD2009JCJ151);交通部西部交通建設(shè)科技項目(2009318812069)和浙江交通科技項目(2007H21).作者簡介:田耀剛(1978-),男,博士,副教授.E-mail:tianguang78@126.com

厚層水穩(wěn)碎石壓實評價方法研究

田耀剛1,2,肖世品3,項柳福4,李煒光1,2

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710064;2.交通鋪面材料教育部工程中心,西安710064;

3.浙江省衢州市交通局,衢州324000;4.浙江省公路局,杭州310009)

摘 要: 厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)因具有剛度大、分散荷載能力強(qiáng)等特點應(yīng)用前景廣泛,然而其壓實度沒有統(tǒng)一的測試與評價方法?；诖?/span>,該文在3種壓實試驗基礎(chǔ)上,提出一種厚層水穩(wěn)碎石壓實度檢測評價方法,并將其用于試驗路壓實質(zhì)量控制,通過試驗路鋪設(shè)與跟蹤調(diào)查研究,證實該方法簡便、有效,能夠滿足厚層水穩(wěn)碎石施工現(xiàn)場壓實度檢測需要。

關(guān)鍵詞: 厚層水泥穩(wěn)定碎石; 試槽試驗; 壓實; 評價方法

中圖分類號: U 416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號:1671-4431(2011)06-0059-05

整體性水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)因為具有剛度大、分散荷載能力強(qiáng)等優(yōu)點[1-5],被廣泛使用在廣東、浙江等缺乏粉煤灰的地區(qū)。實際使用時受技術(shù)規(guī)范的限制,單層鋪筑厚度多為15~18 cm,多層鋪筑的施工方式,使結(jié)構(gòu)從設(shè)計時的整體受力變成了實際的多薄層受力,影響了整體性基層使用效果。近年來,諸如DT220、英格索蘭SD175、中大YZ32等[6]大激振力碾壓設(shè)備的推廣應(yīng)用,使單層鋪筑厚度增加成為了現(xiàn)實。國內(nèi)也對此進(jìn)行了探索,如2004年的廣西北流-寶圩二級公路改建工程項目[7],單層鋪筑壓實厚度27~32 cm。2006年以后,在河南、江西、山西等省進(jìn)行了大面積嘗試[8-10],實踐證明,增加單層鋪筑厚度是可行的。然而目前規(guī)范常用的灌砂法、環(huán)刀法及核子密實度儀法等壓實度檢測方法不能有效評價厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的壓實程度[11-12],厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)壓實度沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)測試方法,現(xiàn)場如何測試成為了一個技術(shù)瓶頸。因此,研究厚層水泥穩(wěn)定碎石的壓實檢測與評價方法對推動此項工作就顯得尤為必要。作者通過大激振力試驗裝置在室內(nèi)采用試槽法成型厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層,利用3種方式對不同層位的壓實度進(jìn)行了檢測,并結(jié)合浙江的實體工程,研究并提出了厚度增加條件下水穩(wěn)碎石的壓實檢測與評價方法,研究成果具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 試 驗

1.1 級配、水泥劑量和含水量

在原材料技術(shù)性能滿足要求的前提下,為了使試驗更具代表性,水泥穩(wěn)定碎石的級配選用5公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范6(JTJ034)2000)中值(級配曲線見圖1);水泥劑量根據(jù)試驗路鋪筑時的室內(nèi)試驗結(jié)果增加0.5%;采用室內(nèi)重型擊實試驗測試含水量為4.8%,實際拌和時適當(dāng)增加0.5%,以滿足蒸發(fā)的需求(該試驗中采用為5.3%)。

1.2 方法

1)試槽試驗壓實參數(shù)

參照現(xiàn)有研究成果,以現(xiàn)有大激振力壓路機(jī)為原型,反算出室內(nèi)試驗所需的激振力[1],相當(dāng)于現(xiàn)場80 kN激振力的壓實效果。

2)試槽試驗試件尺寸

(1)平面尺寸 考慮到高速公路水穩(wěn)碎石集料的最大粒徑不大于37.5 mm,灌砂法試驗儀器基板尺寸以及每次檢測的數(shù)量,同時使碾壓試驗盡可能模擬路面結(jié)構(gòu)的邊界條件。根據(jù)預(yù)先確定的試驗數(shù)量和拌合機(jī)械的功效,結(jié)合碾壓時邊界對碾壓效果的影響,考慮到灌砂法筒測直徑20 cm,檢測位置呈四邊形分布,為保證灌砂挖孔邊界距邊界至少有3倍最大粒徑的距離(4 cm@3),邊長至少為20 cm@2+4 cm@3=52 cm;而檢測用基板邊長為40 cm,試坑邊長至少為40 cm@2=80 cm,此外檢測位置之間和檢測位置與邊界之間留有一定的富余空間,故邊長選定最大值為80 cm+10 cm@3=110 cm。即開挖面積確定為110 cm@110 cm,檢測位置布置圖見圖2。

(2)開挖深度 這類結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場鋪筑最大壓實厚度為30 cm,施工時松鋪系數(shù)為1.3,室內(nèi)適當(dāng)放寬至1.5,故試槽有效深度取45 cm。

3)測試方法

攤鋪過程中重要保證均勻,減少離析現(xiàn)象。文中試驗是利用混凝土攪拌機(jī)拌料,出料時分別從試槽的兩端和中間裝料,將其粗平后用平板夯整平表面。使用大激振力振動成型設(shè)備對整平后的表面進(jìn)行振動碾壓,首次成型時,在碾壓2遍后進(jìn)行表面15 cm壓實度檢測,直至壓實度達(dá)到設(shè)計的起始壓實度99%、100%、101%、102%,記錄下碾壓遍數(shù)作為下次試驗的碾壓遍數(shù)。

檢測方式:

方案1:分為上15 cm和下15 cm兩部分分別檢測。首先檢測上部壓實度,檢測方法同普通水泥穩(wěn)定碎石。下部壓實度檢測時,把上面孔挖大,做出一個平面,保證能放下壓實度檢測基板,然后再按照同樣的方法進(jìn)行檢測。以減少砂落距的不同對檢測結(jié)果的影響。

  方案2:整體厚度通芯檢測,使用直徑為20 cm并加高約10 cm的大型灌砂桶(見圖3),全厚度一次檢測壓實度。

方案3:直接測試中間部分的壓實度,先將表層約5 cm去除并擴(kuò)大至能放置基板,然后放置基板使用直徑為20 cm的灌砂桶檢測結(jié)構(gòu)層中部20 cm的壓實度。

以上3種檢測方法各有利弊,為了選擇合適的壓實度檢測方法,必須對這3種方案進(jìn)行試驗分析,綜合比較后選擇一種最適宜厚層體積水泥穩(wěn)定碎石路面施工的壓實度檢測方法。

2 測試結(jié)果與分析

試槽試驗的上15 cm壓實度為99%、100%、101%、102%,測試在此前提下上述3種壓實度變化規(guī)律。

方案1測試結(jié)果見表1。

表1 上、下15 cm壓實度檢測結(jié)果匯總  /%

    從上下壓實度檢測數(shù)據(jù)情況可以看出,當(dāng)上部的壓實度控制在99%以上時,下部的壓實度也不低于98%,均能滿足規(guī)范的最低壓實度要求,而上下壓實度差值也基本控制在2%之內(nèi)。據(jù)此可以推斷,若上層的壓實度達(dá)到101%時,下部的壓實度一定大于98%,能夠滿足高速公路的最低壓實度要求。

此外,由于下部檢測時基板的放置難以做到像上部測試時那樣平整,從某種意義上說,該數(shù)值較實際有所偏小。上下壓實度均值也可以用30 cm檢測來檢測,所以關(guān)于下部壓實度數(shù)據(jù)偏小這一點可以通過對30 cm壓實度的檢測加以驗證。

方案2測試結(jié)果見表2。

表2 30 cm壓實度檢測結(jié)果匯總   /%

  30 cm壓實度檢測避免了上下層分別檢測時對下層檢測數(shù)據(jù)的影響,從檢測結(jié)果來看,數(shù)值較上下層分別檢測測試的均值略大。30 cm能反映整個結(jié)構(gòu)層壓實度的均值,但是對于施工過程中擔(dān)心出現(xiàn)的下部壓實度不足的現(xiàn)象難以體現(xiàn)。同時由于其檢測速度慢,對路面結(jié)構(gòu)破壞大[1],所以不能作為大范圍使用的檢測手段。

方案3檢測結(jié)果見表3。

表3 20 cm壓實度檢測結(jié)果匯總/%

  中部20 cm檢測結(jié)果顯示,略高于30 cm檢測,符合壓實度從上至下逐漸降低這一規(guī)律,中部20 cm檢測較上下分層檢測時間短且較30 cm通芯檢測對路面破壞小,適宜于厚層水穩(wěn)碎石壓實度檢測。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)中部20 cm壓實度大于99%時便能保證下部15 cm壓實度大于98%。

從3種方案特點方面看,方案1采用傳統(tǒng)方法測試上層的壓實度比較合適,在進(jìn)行下層檢測時由于必須開挖一個能放置基板的面積,并且可能由于基板的放置不平整,會使檢測結(jié)果偏小。方案2的檢測結(jié)果僅為整個結(jié)構(gòu)層的平均壓實度,不能反應(yīng)上下結(jié)構(gòu)層的壓實度情況。方案1、2除了均對路面造成較大的破壞外,檢測花費的時間也較長,不適宜作為厚層水泥穩(wěn)定碎石壓實度檢測的方法。方案3的檢測結(jié)果表征結(jié)構(gòu)層中部20 cm的壓實度情況,可以作為補(bǔ)充。

結(jié)合以上3種壓實度檢測方法的優(yōu)劣,提出一種適合厚層水穩(wěn)碎石的結(jié)合式壓實度檢測系統(tǒng),其流程圖見圖4。

檢測流程說明:在同一種施工工藝的一個檢測范圍內(nèi),對壓實后的厚層水穩(wěn)碎石路面首先進(jìn)行上15 cm壓實度檢測,如果上15 cm壓實度<100%則判定為壓實度不合格,需要重新壓實。上15 cm壓實度>100%則分兩種情況對待:當(dāng)上15 cm壓實度>101%時則整個結(jié)構(gòu)層的壓實度合格;當(dāng)上15 cm壓實度為100%~101%時需檢測中部20 cm壓實度數(shù)值,若不小于99%則合格,否則為不合格。

3 實體工程驗證

課題組于2007年8月31日~9月1日在浙江龍麗麗龍高速蓮都段樁號為K5+708~K6+406分別鋪筑了28 cm和30 cm厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗路。厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗路位置結(jié)構(gòu)圖見圖5。

在試驗路現(xiàn)場大激振力壓路機(jī)進(jìn)行3遍碾壓后進(jìn)行上15 cm和下15 cm壓實度檢測,發(fā)現(xiàn)上部壓實度為99%,而下部壓實度檢測僅為96%。于是改變壓實遍數(shù)為4遍,通過4個檢測點的檢測發(fā)現(xiàn),當(dāng)上15 cm壓實度為101%左右時,下15 cm壓實度增為99%以上,滿足了壓實度要求。之后,便只進(jìn)行上15 cm壓實度檢測,利用室內(nèi)試驗所推薦的檢測流程檢測,完全能夠滿足要求。檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 厚層水泥穩(wěn)定碎石壓實度檢測結(jié)果

注:含水量測試值是從碾壓現(xiàn)場測試的結(jié)果;壓實度測試時,標(biāo)準(zhǔn)密度均采用重型擊實確定的密度2.30 g/cm3。

現(xiàn)場測試結(jié)果顯示,通過提高上部結(jié)構(gòu)壓實度的措施,可以確保下部結(jié)構(gòu)的壓實效果,證明上述流程圖4中提出的測試方法是可行的。

圖6為厚層水泥穩(wěn)定碎石取芯試件,取芯件完整無損表明一次鋪筑整體性能有較大提高,底部平整無松散證實激振力的增加能夠確保底部壓實。

為了檢驗文中提出的厚層水穩(wěn)碎石結(jié)合式壓實度控制方法對試驗路的鋪筑效果影響,課題組先后于2008年5月及2010年7月對蓮都段厚層水穩(wěn)碎石試驗段的使用狀況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查和相關(guān)檢測。從對試驗路段的檢測結(jié)果來看,試驗路路面平整,使用狀況良好;行車荷載下壓力和數(shù)據(jù)變化不明顯,說明厚層水泥穩(wěn)定碎石路面的板結(jié)效果良好,荷載傳遞到層底的應(yīng)力

極小;同一樁號左幅水泥穩(wěn)定碎石瀝青路面的行車道出現(xiàn)了4條長度3~5 m的縱向裂縫,而試驗段瀝青路面未出現(xiàn)縱向裂縫,表明厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗路能夠滿足使用要求,采用文中提出的厚層水穩(wěn)碎石結(jié)合式壓實度控制方法切實可行。

4 結(jié) 論

a.室內(nèi)試槽試驗結(jié)果顯示,在單層鋪筑厚度30 cm時,在模擬現(xiàn)場大激振力作用的水穩(wěn)碎石壓實度,上15 cm和下15 cm之差在2%以內(nèi)。

b.首次提出采用兩種壓實度檢測方法組合的方式對壓實質(zhì)量進(jìn)行控制,通過試驗路驗證能夠滿足厚層水穩(wěn)碎石施工現(xiàn)場壓實度檢測需要;實體工程驗證表明,通過采用提高上部結(jié)構(gòu)壓實度的做法可以確保下部結(jié)構(gòu)壓實度。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙 偉.大厚體積水泥碎石施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2007.

[2] Marco P, Rabinder K. Admixture for Recyling of Waste Concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 1998, 5(20):221-229.

[3] Yi Z J,Yang Q G,Tang B M,et al.A Fundamental Under-standing to the Failure of Cement Concrete Pavement Based on

the Concept of Fracture Mechanics[J].International Journal of Road Material and Pavement Design,2002,3(3):261-280.

[4] Seref O, Fazil C,Akpinar M V. Effect of Cement on E-mulsified Asphalt Mixtures[J].Journal of Materials Engineeringand Performance,2007,16(5):578-583.

[5] Brown N R. Solution for Distressed Pavement and Crack Reflection[C]//Eight International Conference on Low-volumeRoads.Reno:National Research Record,2003:73-79.

[6] 何庭繼,展朝勇.現(xiàn)代公路施下機(jī)械[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7] 林有貴.廣西瀝青路面早期損壞原因及對策研究[R].南寧:廣西省交通廳,2000.

[8] 荀家正.超厚水泥穩(wěn)定土基層鋪筑施工工藝及質(zhì)量控制[J].公路,2004,4(4):14-18.

[9] 劉世武,閭開軍,彭德潭.整體大厚度半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能分析[J].林業(yè)建設(shè),2001,4(2):25-28.

[10]彭高藝.整體大厚度水泥碎石基層實踐與思考[J].遼寧交通科技,2002,9(3):3-5.

[11]中華人民共和國交通部. JTGE60)2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2008.

[12]中華人民共和國交通部.JTG D50)2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.