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      水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度控制分析*

      2010-08-24 03:16:32
      科學(xué)之友 2010年2期
      關(guān)鍵詞:模量集料含水量

      范 潔

      (湖南省長(zhǎng)湘高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

      1 前言

      隨著公路建設(shè)大力發(fā)展,公路病害也越來越突出,湖南省位于北緯24°39′~30°08′之間,大部分地區(qū)屬中亞熱帶東部濕潤季風(fēng)氣候區(qū),湘南、湘東北分別兼有向南亞熱帶和北亞熱帶過渡的特征。境內(nèi)多年平均降水量在1 200 mm~1 700 mm之間,是全國多雨地區(qū)之一,各地降水量大于1 000 mm的保證率在90 %以上;大于1 200 mm的保證率有70 %~80 %,且雨水集中于春夏兩季,占全年降雨總量的70 %。氣候的主要特征為氣候溫暖,四季分明;熱量充足,雨水集中;春溫多變,夏秋多旱;嚴(yán)寒期短,暑熱期長(zhǎng)。由此,公路路面水損害尤為嚴(yán)重,同時(shí)也是影響公路使用壽命的重要因素之一。[1]

      降雨期間通過路面孔隙、裂縫、接縫、中央分隔帶滲入的水或高地下水位路段的地下水滯留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi),給公路路面的使用帶來非常不利的影響。對(duì)柔性路面而言,其水損壞形式主要包括:卿漿、松散、掉粒、坑槽等,剛性路面水損壞的形式主要為:沖刷、唧泥、斷板、斷角和碎裂等。防治公路路面水損害必須從基層和排水層開始,當(dāng)然材料的選擇也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。[2]

      本文以湖南常吉高速公路為依托工程,廣泛調(diào)查其基層水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配組成、承載力及與含水量變化關(guān)系等,總結(jié)得出高速公路基層施工的含水量控制規(guī)律。

      2 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度形成原理

      水泥穩(wěn)定碎石根據(jù)粗集料和細(xì)集料在混合料中的分布狀態(tài)可以劃分為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)和均勻密實(shí)型結(jié)構(gòu)。通過機(jī)械碾壓作用水泥穩(wěn)定碎石能緊密的嵌擠在一起,并依靠顆粒之間的嵌擠和摩阻作用而形成的內(nèi)摩阻力使其具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。再次,水泥加入集料中并加入一定量的水加以拌和后,水泥中的各個(gè)組分與土中的水分發(fā)生強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng),同時(shí)從溶液中分解出氫氧化鈣,并形成具有膠結(jié)能力的水化物,這是水泥穩(wěn)定類混合物的強(qiáng)度主要來源。水泥水化后的主要產(chǎn)物是堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和氫氧化鈣,其中前兩種產(chǎn)物是主要的膠結(jié)成分,黏結(jié)、形成強(qiáng)度和體積變化主要由它們來控制,各種水化產(chǎn)物可繼續(xù)硬化并在土中形成水泥石骨架。水泥水化生成的產(chǎn)物,在集料的空隙中相互交織搭接,將集料顆粒包裹連接起來,使其逐漸喪失了原有的塑性等性質(zhì),并且隨著水化產(chǎn)物的增加,混合料也逐漸堅(jiān)固起來,在這一過程中主要包括3種作用形式:離子交換作用、化學(xué)激發(fā)作用、碳酸化作用。由此,增大了水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

      3 水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)

      水泥、碎石材料的選擇。

      根據(jù)供料情況確定4種規(guī)格石料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),分別為10 mm~30 mm碎石、10 mm~20 mm碎石、5 mm~10 mm碎石和石屑,水泥采用強(qiáng)度為32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。通過試驗(yàn)測(cè)定,集料的壓碎值、吸水率等參數(shù)均滿足技術(shù)規(guī)范的要求。礦料篩分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示,級(jí)配曲線如圖1所示。

      表1 水泥穩(wěn)定碎石篩分結(jié)果

      圖1 水泥穩(wěn)定碎石篩分曲線

      一般水泥穩(wěn)定碎石基層從功能上來看,可以作為排水基層、抵抗和減緩荷載的用途。水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度影響因素一般為礦料級(jí)配和水泥劑量,骨架密實(shí)型級(jí)配和水泥劑量對(duì)提高水泥穩(wěn)定碎石的抗荷載和抗裂性能有顯著效果,而水泥穩(wěn)定碎石作為排水基層則應(yīng)考慮骨架孔隙結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)中細(xì)料的壓實(shí)體積小于粗集料形成的空隙體積,且壓實(shí)后混合料存在一定的孔隙[3],因此在設(shè)計(jì)和施工中需慎重考慮其影響因素,并參照規(guī)范內(nèi)級(jí)配范圍,如表2。

      表2 水泥穩(wěn)定碎石規(guī)范要求級(jí)配范圍

      4 承載板法測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石基層回彈模量

      在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,基層的回彈模量是影響結(jié)構(gòu)厚度最敏感的參數(shù)之一,基層回彈模量較小的變化會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度產(chǎn)生較大的影響。因此,在瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)中,能否選用合乎實(shí)際的基層回彈模量直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性?,F(xiàn)場(chǎng)承載板法是現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范中所推薦的基層回彈模量測(cè)試方法之一,可較為準(zhǔn)確地得出基層的回彈模量,所使用儀器結(jié)構(gòu)及操作比較簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉。因此,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同含水量基層的回彈模量進(jìn)行測(cè)試,得出含水量與回彈模量的關(guān)系,為路基防排水設(shè)計(jì)與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供直接指導(dǎo)。

      4.1 承載板法試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

      本試驗(yàn)通過彎沉儀測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石在不同含水量情況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈彎沉值,通過計(jì)算求得水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量值。得出在不同含水量情況下,水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量與含水量的關(guān)系,即水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量隨含水量的變化情況。通過分析含水量對(duì)回彈模量的影響的程度來說明基層由于路面滲水而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低,并提出防水措施要保證基層含水量控制在一定含水量以下。

      4.2 水泥穩(wěn)定碎石基層回彈模量與含水量的關(guān)系

      承載板試驗(yàn)是一種測(cè)試路基土承載能力的經(jīng)典方法。該試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)反力梁下千斤頂?shù)膲毫?,將不同大小的荷載施加到剛性承載板上,承載板下土基的變形則由梁式彎沉儀讀出。試驗(yàn)中通過逐級(jí)加載、卸載的方式,測(cè)出每級(jí)荷載下相應(yīng)的土基回彈變形值,經(jīng)過計(jì)算求得土基回彈模量。

      常吉高速公路基層分為上基層 18 cm水泥穩(wěn)定碎石(6 MPa)、下基層17 cm水泥穩(wěn)定碎石(5 MPa)和底基層18 cm水泥穩(wěn)定碎石(3 MPa)。通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定上基層水泥穩(wěn)定碎石的最優(yōu)含水量為5.2 %,水泥摻量為6 %,且在最優(yōu)含水量情況下的回彈模量值為2 750 MPa,基層填料密實(shí)度大于98 %,填料密度為2.40 g/mm3~2.42 g/mm3。為確定水泥穩(wěn)定碎石基層含水量與其回彈模量之間的關(guān)系,在常德至吉首高速公路進(jìn)行了承載板試驗(yàn)。根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得出水泥穩(wěn)定碎石含水量與回彈模量之間的關(guān)系,見表3和圖2。

      由圖2中可以看出,水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量值是隨著含水量的增大而減小的,且在圖中可以發(fā)現(xiàn)曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)拐點(diǎn)分別為最優(yōu)含水量±0.5 %,即含水量為4.7 %和5.7 %,其中4.8 %為低極限含水量,5.6 %為高極限含水量。并從圖2中可以看出在3.4 %~4.7 %和5.7 %~7.2 %兩個(gè)含水量變化區(qū)域中回彈模量變化比較小,同時(shí)水泥穩(wěn)定碎石在含水量為5.7 %~7.2 %之間時(shí)回彈模量的變化率相對(duì)于含水量為 3.4 %~4.7 %之間時(shí)更加趨于平緩,這說明在高含水量的情況下,回彈模量將趨于定值??梢灶A(yù)見在低含水量情況下,回彈模量也會(huì)趨于定值。

      表3 水泥穩(wěn)定碎石(6 MPa)基層含水量與回彈模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

      圖2 水泥穩(wěn)定碎石(6MPa)基層含水量與回彈模量關(guān)系圖

      一般情況下,基層的攤鋪是在最優(yōu)含水量情況下施工,因?yàn)橹挥性谧顑?yōu)含水量情況下,基層在碾壓時(shí)才能達(dá)到最大密實(shí)度。然而,此時(shí)基層的回彈模量處于一個(gè)并不是很高的狀態(tài),隨著水分蒸發(fā),水泥逐漸硬化,基層的回彈模量逐漸增大,因此回彈模量應(yīng)隨著含水量的變小而逐漸增大。因此,在控制基層的含水量時(shí),應(yīng)該采取措施,使基層中的含水量(以本試驗(yàn)成果為例)控制在4.7 %以下,這樣才能使基層的強(qiáng)度損失的速度不至于過快,反之,當(dāng)從面層上滲入到基層的水量使基層的含水量超過4.7 %時(shí),基層的模量值將會(huì)損失很快,尤其是當(dāng)含水量超過碾壓時(shí)的最優(yōu)含水量時(shí),基層的強(qiáng)度將會(huì)減小很大程度,從而使基層的承重功能不能得到發(fā)揮。如果基層處于過濕狀態(tài)的時(shí)間過長(zhǎng),在不同的荷載作用下,路面面層受力處于不均勻狀態(tài),進(jìn)而造成路面面層的水損害,路面受損勢(shì)必使更多的水滲入到基層,這樣會(huì)更進(jìn)一步造成基層的強(qiáng)度損失,會(huì)導(dǎo)致路面的循環(huán)破損以致路面完全破壞。

      綜合來看,基層的強(qiáng)度減小最快的區(qū)域?yàn)樽顑?yōu)含水量附近,路基含水量太高影響路基強(qiáng)度,而路基含水量過低則影響水泥的水化和水解反應(yīng)過程,因此保障路基的含水量低于碾壓時(shí)的含水量的15 %左右,可有效保證基層的強(qiáng)度受含水量影響不大。

      5 結(jié)論

      從上述分析可以得出路面的面層設(shè)計(jì)和路面內(nèi)部的防排水設(shè)施應(yīng)盡量保證少量的水滲入到基層,中央分隔帶的防排水措施及防排水的施工應(yīng)該保證其防水的質(zhì)量。如果在防排水設(shè)施最不利的情況下工作,盡量使少量水存留于基層中,水分的存留量不能使基層的含水量的增量過大,并且不能高于低極限含水量,基層含水量的控制應(yīng)在最優(yōu)含水量以下15 %的范圍,才能保證基層強(qiáng)度和穩(wěn)定性,同時(shí)也對(duì)防排水的設(shè)計(jì)以及路面養(yǎng)護(hù)具有指導(dǎo)意義。

      1 苗英豪、王秉綱、李 超、戈普塔. 中國公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008.28(1):26~31

      2 蔣 甫、應(yīng)榮華、秦仁杰. 昌樟高速公路水損害調(diào)查分析與處治措施. 公路,2006.12(12):200~204

      3 楊若沖、梁錫三、賴用滿. 瀝青路面水損害典型原因與對(duì)策.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008.36(6):749~753

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