商开高速公路水泥稳定碎石基层抗裂性研究

󰀁文章编号:1671-2579(2005)02-0025-03商开高速公路水泥稳定碎石基层抗裂性研究胡力群,沙爱民(长安大学教育部特殊地区公路工程重点实验室,陕西西安󰀁710064)󰀁󰀁摘󰀁要:结合商开高速公路的建设对水泥稳定碎石基层材料抗裂性进行了研究。文中将10~20mm、5~10mm两种规格的碎石和天然砂按照不同比例掺配成3种级配的矿料并分别与水泥拌和,成型试件后进行了强度和收缩系数测试,根据室内试验确定的混合料组成配比铺筑了试验路。室内试验结果和试验路观测证明混合料中集料级配对水泥稳定碎石材料的抗裂性能有较大影响,增加粗集料含量能够有效地提高材料的抗裂性能。关键词:水泥稳定碎石;基层;材料组成;抗裂性

收稿日期:2004-11-13作者简介:胡力群,男,博士,讲师.1󰀁前言作为典型的半刚性材料,水泥稳定碎石材料被广泛用作各级公路路面的基层。其突出的优点是强度高,板体性、水稳性好。然而许多工程实践表明该材料在成型期以及温度变化的条件下容易产生开裂,影响整个路面结构层的使用性能。造成这种情况的原因主要是在许多工程中,建设单位和施工单位盲目追求水泥稳定碎石的强度,一些工程完工后的水泥稳定碎石基层从外观上看与水泥混凝土路面相似,7d钻芯取样的抗压强度甚至达到了9MPa以上。一般地,对于水泥稳定碎石材料而言,材料刚度随着强度的提高而增加,材料的收缩程度也会因此增大。此外,强度的提高可以通过增加水泥用量达到,也可以通过改变混合料中集料的级配达到,而目前施工和设计单位多采用提高水泥用量来提高强度,忽视了通过改善集料级配达到提高强度的目的。前期研究表明,在原材料不变的情况下,不同混合料组成的水泥稳定碎石在强度上满足规范要求,但其抗裂性却有较大的差异。其中增加水泥用量的方法在提高强度的同时,材料的抗裂性能会下降,而通过改善集料级配提高强度时对其抗裂性影响不大。由于工程造价低、适应范围广和施工经验成熟等原因,以水泥稳定碎石为代表的半刚性材料在今后相当长一段时期内仍将是各级公路基层的主要材料,因此,深入研究其材料组成对抗裂性能的影响十分有益。2󰀁室内试验商丘至开封高速公路是连云港󰀁霍尔果斯国道主干线河南省境内的一段,全长203km。采用水泥稳定碎石作为路面基层材料,设计要求为水泥剂量掺量为6%,混合料的7d无侧限饱水抗压强度应达到3~4MPa。2.1󰀁原材料性质施工现场备有10~20mm、5~10mm两种规格的碎石和天然砂。其中碎石产地为山东嘉祥。工地室内配合比试验之前,进行了碎石的压碎值、集料筛分试验。石料的压碎值为15.3%,满足规范要求。两种粒径石料及天然砂的级配见表1。表1󰀁基层集料筛分结果集料类别下列筛孔(mm)的通过率/%31.5199.54.752.360.60.07510~20mm10096509.51.710.35~10mm10010098.956.3252.70.2细砂10010010010095904.4󰀁󰀁水泥为郑州七里岗425#普通硅酸盐水泥,其各项第25卷󰀁第2期2005年4月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁25技术指标均满足规范中的相关要求。2.2󰀁室内配合比确定在集料筛分结果的基础上,设计了A、B、C三种矿料级配(表2),掺配后混合料的筛分曲线(表3)均在规范要求的级配曲线范围内。表2󰀁3种混合料配合比室内试验结果级配类型材料组成/%10~20mm碎石5~10mm碎石细砂A453520B552515C652010表3󰀁3种混合料级配表项目下列筛孔(mm)的通过率/%31.519.09.54.752.360.60.075级配A100.098.277.144.028.519.41.1级配B100.097.872.237.122.714.90.9级配C100.097.467.230.316.910.30.7规范下限1008857291780规范上限10099774935227󰀁󰀁从表3可以看出:3种级配都在规范推荐的级配范围内且最大粒径相近,级配A中4.75mm以下的细集料含量多;级配C中粗集料含量最多,4.75mm以下的细集料含量少;级配B接近规范级配范围中限。2.3󰀁室内抗压强度、收缩系数试验结果将级配A、B、C三种矿料按照6%的水泥用量拌和后,分别参照󰀁公路工程无机结合料稳定材料试验规程󰀁(JTJ057-94)中相关试验方法进行击实试验和7d无侧限抗压强度测试。几种混合料的最大干密度、最佳含水量、7d无侧限抗压强度、90d抗折强度和90d抗折模量结果见表4、表5。表4󰀁混合料击实试验结果级配类型最大干密度/g󰀁cm-3最佳含水量/%ABC2.252.272.275.25.55.5表5󰀁混合料抗压、抗折强度及抗折模量试验结果MPa级配类型7d抗压强度90d抗折强度90d抗折模量ABC4.874.405.801.81.641.65680060975979󰀁󰀁收缩试验包括温缩系数的测定和干缩系数的测定,收缩系数测定采用10cm󰀁10cm󰀁40cm的梁式试件。用于温缩试验的试件养生龄期为28d,养生完毕后将试件放入100~105󰀁烘箱内烘干12h左右,然后贴上电阻应变片,利用电测法测定不同温度的应变值,计算平均温缩系数,试验时环境箱的温度设定范围为+55~-15󰀁。用于干缩试验的试件养生龄期为7d,养生结束后在试件上粘贴电阻应变片,利用电测法测定干缩系数,试验时环境箱的温度设定为+40󰀁,在读取应变值的同时,通过称量同处在环境箱中配比相同未贴片试件的重量,测定试件含水量的变化情况,计算平均干缩系数。温缩、干缩试验结果见表6。表6󰀁混合料收缩系数试验结果级配类型平均干缩系数(󰀁󰀂/%)平均温缩系数(󰀁󰀂/󰀁)ABC107.890.672.19.28.88.4󰀁󰀁根据材料的抗折模量和抗折强度可以计算出材料的极限拉应变,用极限拉应变与温缩系数和干缩系数的比值计算出的温缩指数和干缩指数可以从一定程度上反映材料的抗裂性能,指数越大说明抗裂性越好。表7󰀁混合料抗裂指标级配类型计算极限拉应变/󰀁󰀂温缩指数干缩指数ABC26526927628.830.632.92.53.03.8󰀁󰀁以上试验结果表明:󰀁在混合料的力学指标方面,3种级配的抗压强度均能满足规范要求。级配A的抗压强度居中,抗折强度及抗折模量最高;级配B的抗压强度最小,抗折强度及抗折模量居中;级配C的抗压强度最大,但抗折强度及抗折模量较小。󰀁随着混合料中粗集料的增加,混合料的平均温缩、干缩系数随之减少,材料的温缩指数和干缩指数增大。说明材料的抗裂性随着混合料中粗集料的增加而提高。根据此试验结果,选择级配C铺筑基层试验段。3󰀁现场试验段铺筑商开高速公路共分为18个标段,经商开路建设指挥部的同意,水泥稳定碎石基层试验段选择在商开高速公路的第11标段。该标段东起于K111+800,西止于K124+260,全长12.46km。3.1󰀁试验段施工时间、天气状况根据施工单位的工程进度,水泥碎石基层试验段26󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁25卷󰀁于2000年9月15日至2000年9月25日铺筑。施工期间,气温16~35󰀁,早晚气温较低,风力不大,期间有雨天。3.2󰀁试验段施工过程(1)下承层的准备工作。在水泥碎石基层施工前,施工单位按照施工技术规范对底基层进行检查和清理。(2)混合料的拌和。按照󰀁公路路面基层施工技术规范󰀁(JTJ034-2000)的规定和商开路指挥部的要求,水泥稳定碎石基层混合料采用拌和厂集中拌和。(3)混合料的运输。在施工中,施工单位组织20多辆自卸汽车进行水泥碎石混合料的运输,每辆车载重约12~15t。试验段距拌和厂的距离为1~2km,从拌和厂到摊铺现场一般需要6~10min,此外,因运输距离短,所以在运输过程中没有在混合料的表面覆盖蓬布。(4)混合料的摊铺。根据规范中的规定和商开路指挥部的要求,现场水泥稳定碎石基层的摊铺必须使用沥青混凝土摊铺机施工。试验段施工采用了陕西建设机械厂生产的ABGTitan423多功能履带式摊铺机。摊铺机以1.1~1.2m/min的速度进行摊铺,并利用自身的振动压实装置对摊铺好的混合料初步压实。摊铺过程中,局部地方出现了少量离析现象。(5)混合料的压实。先用洛阳建材机械厂生产的YZ10B型振动压路机按1挡速度静压一遍,按2挡速度振动压实一遍;再用英格索兰SD180振动压路机振动压实三遍;最后用胶轮压路机碾压两遍。现场压实后,采用灌砂法实测压实度,这样的压实方法能够满足压实度的要求。对于基层两侧压路机难以压实到的地方,使用小型夯实机人工夯实。(6)水泥碎石基层的养生。压实完成后,随即用塑料薄膜进行覆盖,防止水分的蒸发。随后7d内,每天傍晚用洒水车洒水养生,期间禁止车辆通行。4󰀁试验段的检验与评价4.1󰀁压实度检测在试验段的铺筑现场,对压实后的水泥稳定碎石基层用灌砂法进行了压实度抽检,抽检结果见表8。4.2󰀁基层裂缝观测2001年5月下旬,对商开路11标段水泥稳定碎石基层进行了裂缝情况的调查,并与其他几个标段作了比较。此时,11标段基层已经经过了一个冬季的寒冷气候,且沥青面层尚未铺筑。观测时,在各标段取若干观测段进行,每个观测段长度不少于500m。总的看来,11标段水泥碎石基层裂缝相对较少,在观测段中最小裂缝间距为35m,最大裂缝间距为105m,用观测段的总长度除以裂缝数所得的平均裂缝间距为55m;在其他标段,也用同样的方式进行了观测,个别路段裂缝最小间距5m,最大间距35m。表8󰀁压实度检测结果桩号压实度/%桩号压实度/%K120+160K120+24098.497.6K120+290K120+34096.297.5󰀁󰀁通过以上观测说明,对于水泥稳定碎石基层来说,材料级配、结合料剂量以及施工工艺上的差异,使得水泥碎石基层材料的抗裂性有较大的差异。11标段水泥碎石基层裂缝相对较少,与水泥碎石混合料中集料级配合理,同时也证明了室内试验成果的适用性。5󰀁结论通过室内试验和铺筑试验段可得出以下结论:(1)现行规范中,水泥稳定类集料级配范围较宽,在满足规范级配范围的前提下,不同级配的水泥稳定碎石的抗裂性能有较大的差异。(2)在水泥用量不变的条件下,水泥稳定碎石混合料中粗集料的增加能有效提高基层的抗裂性能。(3)试验路段施工结果表明,当水泥碎石混合料中粗颗粒比例增大后,施工中混合料的拌和、运输、摊铺过程中离析的机会也相应增大,需要施工单位在各个施工环节操作中更加仔细,避免粗料与细料的离析。参考文献:[1]󰀁JTJ057-94,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].[2]󰀁JTJ034-2000,公路路面基层施工技术规范[S].[3]󰀁JTJ058-2000,公路工程集料试验规程[

S].272期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁商开高速公路水泥稳定碎石基层抗裂性研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁