骨架密實(shí)型半剛性基層設(shè)計(jì)與施工

鐘獻(xiàn)科

(廣東省南粵交通清云高速公路管理中心，廣東 肇慶 526200)

0 引言

至2020年底，廣東省高速公路通車(chē)?yán)锍坛^(guò)10 000km,其中在“十三五”期間通車(chē)的高速公路，采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)水穩(wěn)層的占比高達(dá)95%以上。半剛性基層大量應(yīng)用到高速公路建設(shè)的同時(shí)，如何提高骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層實(shí)際力學(xué)及路用性能，包括結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度、抗開(kāi)裂能力與抗水損能力，是骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

長(zhǎng)安大學(xué)、華南理工大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)等高校學(xué)者通過(guò)采用垂直振動(dòng)法成型圓形試件，分析了水穩(wěn)材料的疲勞特性[1]；采用振動(dòng)成型法，研究和分析骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的級(jí)配理論，并提出了室內(nèi)試驗(yàn)關(guān)鍵篩孔穩(wěn)定性區(qū)間[3]；采用逐級(jí)填充法，分別選定粗、細(xì)集料級(jí)配，以此優(yōu)化所制備振動(dòng)成型水泥穩(wěn)定碎石材料的級(jí)配設(shè)計(jì)，并選定7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為粗細(xì)集料比例控制指標(biāo)[4]；通過(guò)振動(dòng)、普通攪拌試驗(yàn)，研究振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓性能的影響；探究水穩(wěn)碎石縮裂機(jī)理、結(jié)構(gòu)的規(guī)律，提出級(jí)配設(shè)計(jì)思路以及骨架密實(shí)型水穩(wěn)材料的設(shè)計(jì)方法[5]。研究表明，目前骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層研究的重點(diǎn)主要為級(jí)配設(shè)計(jì)和路用性能的優(yōu)化。同時(shí)，由于靜壓法成型的試件與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)基層的結(jié)構(gòu)普遍不符，使得試件不具代表性，因此骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)水穩(wěn)試件大多采用振動(dòng)成型法成型來(lái)使粗集料之間產(chǎn)生較強(qiáng)的骨架嵌擠效果，又通過(guò)碾壓使細(xì)集料得以填充骨架結(jié)構(gòu)的間隙，從而增強(qiáng)半剛性基層材料強(qiáng)度；而處于較低細(xì)集料以及水泥用量時(shí)，骨架密實(shí)級(jí)配擁有更高的力學(xué)強(qiáng)度，這也表明采用振動(dòng)法所得到的骨架密實(shí)型材料擁有更優(yōu)異的抗裂性能[7-8]。因此，以實(shí)際應(yīng)用價(jià)值以及理論意義為基礎(chǔ)，本文采用振動(dòng)法成型骨架密實(shí)型水穩(wěn)基層，并分析研究其設(shè)計(jì)方法、成品指標(biāo)、養(yǎng)生效果、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1 骨架結(jié)構(gòu)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

當(dāng)進(jìn)行骨架密實(shí)型混合料設(shè)計(jì)時(shí)，所需考慮的關(guān)鍵因素有：骨架中剩余空隙的體積；通過(guò)外力影響，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)在破碎狀況及其面部所具抗剪能力和骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)所具應(yīng)力-應(yīng)變能力[9]。其中骨架結(jié)構(gòu)的剩余空隙體積是關(guān)鍵因素，細(xì)集料需通過(guò)空隙而發(fā)揮其本身的填充作用，但過(guò)大的細(xì)集料摻入間隙后，容易將粗集料間隙撐開(kāi)，使得骨架嵌擠效應(yīng)被弱化，且相應(yīng)規(guī)范對(duì)細(xì)集料的級(jí)配設(shè)計(jì)以及最大顆粒直徑均作了相應(yīng)規(guī)定，因此應(yīng)使用顆粒大小適宜的集料。為使細(xì)集料與水泥構(gòu)成更加緊密的填料，細(xì)集料摻配設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵[10]。

1.1 粗骨料填充

采用骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)粗集料，基于粒子干涉原理，試驗(yàn)、研究其最大密實(shí)度。粒間空隙選用次一級(jí)粒料填補(bǔ)，但使用的粒料應(yīng)小于空隙，否則將產(chǎn)生顆粒間的干涉作用。根據(jù)表1，取3 000g的10～30mm料為一級(jí)主骨料，以10～20mm的料為次一級(jí)集料，而次一級(jí)集料以第一級(jí)的5%為梯度遞增進(jìn)行填充，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 一級(jí)填充振實(shí)結(jié)果

根據(jù)整理結(jié)果，將10～20mm摻量升高至25.3%，振實(shí)密度達(dá)1.809g/cm3，達(dá)到密度的拐點(diǎn)，故一級(jí)填充中一、二檔料的比例見(jiàn)表2，同理可獲得二、三檔料的最佳百分比。最終依次得出三檔用料的占比(表3)。

表2 一級(jí)填充一、二檔集料最優(yōu)百分比

表3 三檔集料配合比

1.2 細(xì)集料填充

采用上述方法，按粒徑10～30mm:10～20mm:5～10mm為63.55:16.07:20.38的比例，將10 000g集料拌和均勻，采用四分法，將集料分別盛放在22.00cm×3.14cm×7.52 cm的試筒內(nèi)。分三次裝料：首次裝料，使用半徑12.5mm鋼筋圈放在桶底部，捏緊盛放筒開(kāi)口，兩側(cè)輪流進(jìn)行敲擊抖動(dòng)25次；再次裝料，重復(fù)上述過(guò)程敲實(shí)(鋼筋圈安裝朝向跟上次安裝呈90°)；第三次裝料，重復(fù)上述過(guò)程敲實(shí)。

裝料之后，添加集料至溢滿(mǎn)盛放筒口，將所有高出盛放筒的粒料刮去，并用其余粒料修整集料，讓其表層凹凸部分的占比互補(bǔ)均等。最后，稱(chēng)量所配置的試樣以及盛放筒的質(zhì)量之和。三次試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 筒內(nèi)粗骨料質(zhì)量

根據(jù)表4，三次試驗(yàn)裝料質(zhì)量平均為7 339.2g。假設(shè)集料中水泥、碎石占比是1:19，可使用公式計(jì)算填料用低于4.75mm集料和水泥填補(bǔ)粗骨架中的間隙體積。

計(jì)算這三檔集料的理論密度值。

理論密實(shí)公式：

(1)

式中：pt—理論密度(g/cm3)；p1、p2和pn—各粒料配合比；rn—各粒料相對(duì)密度；pw—水在4℃時(shí)的密度，約為1 g/cm3。

集料的理論密度為：

粗骨料填充后空隙的體積為：

若小于4.75mm細(xì)集料的摻配比例是X，而結(jié)合料與細(xì)集料所配成填料最大干密度是γ，假設(shè)填充料是以最理想的狀態(tài)充滿(mǎn)粗骨料的空隙體積，即認(rèn)為填充后的筒內(nèi)是完全密實(shí)的，沒(méi)有空隙。此時(shí)細(xì)集料X和最大干密度γ存在以下關(guān)系：

(2)

由圖1可見(jiàn)，試驗(yàn)和理論計(jì)算值在摻配比例X=23時(shí)存在交匯。試驗(yàn)中使用的配比為粗集料:細(xì)集料:水泥=72:23:5，而實(shí)際施工過(guò)程中，振壓工序往往使得4.75mm以上粗集料剩余孔隙低于理論值，另一方面，破碎的石屑也可對(duì)剩余空隙起一定的填補(bǔ)作用。因而，以實(shí)驗(yàn)室剩余孔隙率計(jì)算理論值乘以98%作為折減系數(shù)，以圖2所示結(jié)論作為最大干密度值，同時(shí)也對(duì)填充料的各項(xiàng)組成成分進(jìn)行一定量的系數(shù)折減。進(jìn)行上述調(diào)整之后，最終得到如下比例：粗集料:細(xì)集料:水泥=72.4:22.6:5。最終確定的配合比曲線如圖2所示。

圖1 不同細(xì)集料摻配下的干密度比較

圖2 集料合成配合比曲線

為了驗(yàn)證本試驗(yàn)結(jié)果符不符合骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，其計(jì)算結(jié)果必須達(dá)到骨架密實(shí)的相關(guān)指標(biāo)：VCAmix

表5 集料試驗(yàn)結(jié)果

由表5的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：VCADRC=46.51，VCAmix=41.76，即VCAmix

1.3 振動(dòng)成型法成型骨架密實(shí)級(jí)配試件

重型擊實(shí)法難以模擬路基路面振動(dòng)碾壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的壓實(shí)效果，而振動(dòng)試驗(yàn)方法通過(guò)動(dòng)態(tài)沖擊壓實(shí)效果使得集料顆粒產(chǎn)生重新排列，與實(shí)際工程情況更為相符。根據(jù)研究成果，推薦采用振動(dòng)成型設(shè)備的激振力為6.9kN，頻率為30Hz，振動(dòng)成型時(shí)間保持120s，振動(dòng)幅度設(shè)置為1.5mm。

1.3.1 最大干密度與最佳含水率

配合比設(shè)計(jì)時(shí)，水泥用量按5%進(jìn)行計(jì)算，但實(shí)際確定水泥用量還需采用無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行確定。不同水泥劑量下的混合料體積指標(biāo)見(jiàn)表6。隨著水泥用量增加，最大干密度呈遞增趨勢(shì)，相應(yīng)的最佳含水率也增大。

表6 干密度與含水率試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

選用5種不同的水泥劑量，采用振動(dòng)成型法，養(yǎng)護(hù)6d，浸水泡1d，測(cè)定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。水穩(wěn)試件抗壓強(qiáng)度隨著水泥劑量的增加而增大，與水泥混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致。而采用改進(jìn)后的骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，在相同水泥劑量下的抗壓強(qiáng)度均高于傳統(tǒng)級(jí)配約5%～10%。

表7 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 施工控制

2.1 容許延遲時(shí)間

按照目標(biāo)配合比比例上料，摻入5.5%的水泥(設(shè)計(jì)5.0%的基礎(chǔ)上增加0.5%)，采用4組對(duì)照組：分別是立刻、2h、4h與5h成型，并各自進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 容許延遲時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

表8顯示，當(dāng)延遲時(shí)間小于4h時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；5h的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不能滿(mǎn)足要求。因此要求最遲攤鋪至碾壓終了的施工時(shí)間不宜大于4h。從水穩(wěn)混合料出料至現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓完成，如果超過(guò)4h，則應(yīng)對(duì)該路段進(jìn)行處理，以防養(yǎng)生后強(qiáng)度不足。

2.2 混合料拌和

為保證混合料具有優(yōu)良的均勻性，使用雙拌缸拌和設(shè)備，其可有效增加骨料與水泥漿液的碰擊次數(shù)，使集料與水泥之間的粘結(jié)強(qiáng)度得到提高，提高水穩(wěn)基層的強(qiáng)度，減少混合料薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)的概率，可有效控制水泥用量以及用水量。為合理控制用水量，每天開(kāi)工前對(duì)材料的含水量進(jìn)行測(cè)定，采用自動(dòng)控制出水量的專(zhuān)門(mén)開(kāi)關(guān)，是確保水穩(wěn)碎石質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一。

2.3 碾壓工藝

采用四種碾壓方案進(jìn)行碾壓(表9)，以測(cè)試得出骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的最佳碾壓效果。

表9 四種碾壓方案

3 施工質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

3.1 不同碾壓工藝路段的施工效果

根據(jù)四種施工方案，在現(xiàn)場(chǎng)鉆取8個(gè)芯樣，四種碾壓工藝的芯樣效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表10。

表10 現(xiàn)場(chǎng)鉆芯評(píng)價(jià)

從芯樣結(jié)果看，所有芯樣的骨架嵌擠效果均較強(qiáng)，但完整性和密實(shí)性欠佳，芯樣孔洞現(xiàn)象明顯。從芯樣描述分析，不同碾壓工藝段落，鉆取的芯樣狀態(tài)差別較大，其中方案三段落芯樣的密實(shí)性與完整性水平最高，方案四略?xún)?yōu)于方案二，方案一鉆取一個(gè)芯樣，代表性不足。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：方案三的碾壓工藝可以實(shí)現(xiàn)較好的水穩(wěn)混合料密實(shí)性和完整性，即提前使用膠輪進(jìn)行搓揉碾壓，有助于改善芯樣的完整性與密水性能。由此可見(jiàn)，對(duì)于振動(dòng)型骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石材料，通常能有較好的骨架效果，但需要通過(guò)改良碾壓工藝對(duì)芯樣的密實(shí)性進(jìn)行控制。

3.2 養(yǎng)生時(shí)間的影響

養(yǎng)生時(shí)間為半剛性基層的強(qiáng)度和收縮開(kāi)裂的關(guān)鍵性因素[11-12]。無(wú)機(jī)結(jié)合料形成凝膠性水化物的過(guò)程中強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，期間受溫度和濕度環(huán)境的影響較為明顯，保持適當(dāng)?shù)臐穸群蜁r(shí)間進(jìn)行養(yǎng)生，對(duì)強(qiáng)度的發(fā)展是有好處的。水化過(guò)程使得混合料內(nèi)部升溫和水分損失，進(jìn)而導(dǎo)致水穩(wěn)混合料收縮，并伴隨收縮應(yīng)力的產(chǎn)生，但當(dāng)其基層抗裂能力無(wú)法完全抵抗所受到的收縮應(yīng)力，材料就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

三種養(yǎng)生時(shí)間的裂縫長(zhǎng)度和芯樣強(qiáng)度見(jiàn)表11。

表11 三種養(yǎng)生時(shí)間的裂縫長(zhǎng)度和芯樣強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果顯示，養(yǎng)生10d后強(qiáng)度可提高18.66%，裂縫間距延長(zhǎng)至79m/條；養(yǎng)生14d，強(qiáng)度可提高56%，裂縫間距延長(zhǎng)至238m/條，養(yǎng)生效果明顯。這表明適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)生時(shí)間，及時(shí)供給水分，能夠促進(jìn)基層的強(qiáng)度和抗裂能力的提升。

3.3 芯樣骨架的評(píng)價(jià)

對(duì)芯樣進(jìn)行橫切或豎切以獲取剖面，觀察剖面粗顆粒的嵌擠狀況及計(jì)算碎石破碎面小于1個(gè)格子的粒徑面積。若少于一個(gè)格子的碎石面積占切面面積的百分比小于計(jì)算的VCADRC(關(guān)鍵篩孔為4.75mm)時(shí)，則默認(rèn)圖片獲取的信息能證明其骨架效應(yīng)與嵌擠效應(yīng)良好。

網(wǎng)格的長(zhǎng)×寬=1cm×1cm，對(duì)角線的長(zhǎng)度為1.41cm，意味著一個(gè)格子可以近似等于一個(gè)粒徑為4.75mm粒徑的碎石剖面的面積。如果在外業(yè)進(jìn)行判別時(shí)，則采用數(shù)格子的方法計(jì)算小于一個(gè)格子的石頭的面積，若一個(gè)格子中有超過(guò)一個(gè)格子的石頭占用，則相應(yīng)按湊格子的方式計(jì)算；若在室內(nèi)，可借助計(jì)算機(jī)運(yùn)用圖片標(biāo)色的方法進(jìn)行區(qū)分，能準(zhǔn)確計(jì)算面積的百分比。

根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)，VCADRC=32.3%，格子計(jì)算法計(jì)算細(xì)料填充的面積比為30.66%，實(shí)測(cè)結(jié)果小于設(shè)計(jì)的VCA，證明芯樣的骨架良好。

圖3 芯樣骨架測(cè)試

4 結(jié)論

(1)以粒子互不干涉理論為基礎(chǔ)，提出了一種骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，使用次一級(jí)顆粒填補(bǔ)上一級(jí)顆粒間隙，同時(shí)可以保證間隙距離大于填充顆粒，防止次一級(jí)集料對(duì)上一級(jí)集料產(chǎn)生粒子干涉的現(xiàn)象。采用該方法成型的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石具有較好的骨架嵌擠效果。

(2)與傳統(tǒng)的先鋼輪、后膠輪碾壓工藝相比，提前使用膠輪進(jìn)行搓揉碾壓，有助于改善芯樣的完整性與密水性能。

(3)提出一種基于表面嵌擠狀況快速判別骨架結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)快速確定級(jí)配的波動(dòng)有積極的意義。

(4)適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)生時(shí)間至傳統(tǒng)的1.5～2.0倍以上，同時(shí)及時(shí)供給水分，能有效提高水穩(wěn)抗裂強(qiáng)度，使基層的裂縫率下降到原來(lái)的三分之一。