本文依托水泥稳定碎石基层试验段进行了大厚度施工压实工艺研究,检测结果表明:单层施工压实厚度36 cm的水泥稳定碎石基层压实质量可满足设计要求;碾压时遵循先轻后重、先慢后快、从低到高的原则,碾压段落长度宜控制在30~50 m之间;采用分层、整层相结合的压实度检测方法可有效控制大厚度水泥稳定碎石基层施工质量。 Based on the test section of cement stabilized macadam base, this paper studies the compaction technology of large thickness construction. The test results show that the compaction quality of cement stabilized macadam base with single layer construction compaction thickness of 36 cm can meet the design requirements; the rolling should follow the principle of light before heavy, slow before fast, from low to high, and the length of rolling section should be controlled between 30~50 m; the construction quality of cement stabilized macadam base with large thickness can be effec-tively controlled by using the compaction detection method of layered and whole layer.
本文依托水泥稳定碎石基层试验段进行了大厚度施工压实工艺研究,检测结果表明:单层施工压实厚度36 cm的水泥稳定碎石基层压实质量可满足设计要求;碾压时遵循先轻后重、先慢后快、从低到高的原则,碾压段落长度宜控制在30~50 m之间;采用分层、整层相结合的压实度检测方法可有效控制大厚度水泥稳定碎石基层施工质量。
水泥稳定碎石基层,大厚度施工,压实工艺,质量控制
Lei Miao1, Huaihai Li2, Yi Liu1, Wenjuan Wu3, Yongfu Yang3, Qinsheng Xu3
1The Second Construction Limited Company of China Construction Eighth Engineering Division, Jinan Shandong
2Shandong Hengjian Engineering Consulting Co., Ltd., Weifang Shandong
3Shandong Transportation Institute, Jinan Shandong
Received: May 7th, 2021; accepted: Jun. 2nd, 2021; published: Jun. 9th, 2021
Based on the test section of cement stabilized macadam base, this paper studies the compaction technology of large thickness construction. The test results show that the compaction quality of cement stabilized macadam base with single layer construction compaction thickness of 36 cm can meet the design requirements; the rolling should follow the principle of light before heavy, slow before fast, from low to high, and the length of rolling section should be controlled between 30~50 m; the construction quality of cement stabilized macadam base with large thickness can be effectively controlled by using the compaction detection method of layered and whole layer.
Keywords:Cement Stabilized Macadam Base, Large Thickness Construction, Compaction Technology, Quality Control
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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我国高等级公路绝大多数采用水泥稳定碎石基层沥青路面结构,基层质量在一定程度上决定路面结构的使用寿命。从我国基本国情出发,“强基薄面”的设计理念,使得我国高等级沥青路面具有较厚的水泥稳定碎石基层结构。受限于传统的施工设备性能,水泥稳定碎石基层不得不分多层、分断面施工。传统水泥稳定碎石基层通常采用左右并机、三层分铺的施工方式,存在层间结合不良、基层分薄层受力的弊端。基层整体性不强,极易产生裂缝及疲劳损伤,影响路面结构使用寿命 [
我国的高速公路通车里程位居世界第一位,高等级公路解决了“从无到有”的问题,“从有到优”逐渐成为追求的目标。随着科学技术的不断进步,施工机具的性能也大幅提升,突破传统工艺单层最大压实厚度不大于20 cm的上限 [
水泥稳定碎石基层的主要原材料有水泥、碎石,我部对所用材料均按规定频率做了试验检测,各项指标均满足要求 [
1) 水泥
采用普通P.O 42.5硅酸盐水泥,初凝时间在4小时以上,终凝时间在6小时以上。
2) 碎石
采用石灰岩碎石,按19~31.5 mm,9.5~19 mm,4.75~9.5 mm,0~4.75 mm四种规格备料。
3) 水
混合料拌合、养生用水均采用120 m深洁净的地下水,满足要求。
设计首先对原材料进行筛分,均采用水筛法,并对原材料各项密度指标进行测试。通过对原材料基本性能的分析,按照嵌挤骨架密实的原则进行级配优化设计,级配设计过程同时参考了国内与省内进行的同类型水稳碎石级配设计的成功经验,综合考虑了混合料的强度、抗裂、抗冲刷等性能以及施工过程中的和易、摊铺、压实、离析等因素进行级配选择 [
原材料(mm) | 石灰岩10~30 | 石灰岩10~20 | 石灰岩5~10 | 石灰岩0~5 |
---|---|---|---|---|
百分比(%) | 18 | 30 | 20 | 32 |
表1. 集料配比设计结果
筛孔(mm) | 31.5 | 26.5 | 19 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.075 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
通过率(%) | 100.0 | 94.7 | 78.7 | 51.7 | 29.6 | 16.7 | 11.3 | 7.6 | 2.4 |
表2. 合成级配表
水泥种类 | 水泥剂量(%) | 最佳含水量(%) | 最大干密度(g/cm3) | 无侧限抗压强度平均值(Mpa) |
---|---|---|---|---|
普通硅酸盐水泥 | 4.5 | 4.4 | 2.344 | 4.86 |
表3. 设计水泥剂量及强度表
水泥稳定碎石基层施工采用单层压实厚度为36 cm,一次摊铺一次碾压成型的大厚度施工工艺。
根据大厚度水泥稳定碎石基层施工的是技术要求,配备以下主要施工机械(见表4)进行施工。
序号 | 设备名称 | 型号 | 数量 |
---|---|---|---|
1 | 稳定土拌合站 | WBZ-600 | 2 |
2 | 摊铺机 | DT2000 | 1 |
3 | 胶轮压路机 | YL37 | 2 |
4 | 单钢轮压路机 | YZ36 | 1 |
5 | 双钢轮压路机 | YZC17 | 1 |
6 | 运输车 | 20T | 30 |
7 | 智能撒布车 | FD5070GLQ | 1 |
8 | 大容量灌砂筒 | Ф150 mm | 1 |
9 | 大功率取芯机 | Ф100 mm * 600 mm | 1 |
表4. 现场主要机械设备
主要采用DT2000摊铺机和YZ36单钢轮压路机、YL37胶轮压路机、YZC17双钢轮压路机进行摊铺碾压组合施工,施工时采用水泥稳定碎石拌合站进行集中拌合,用自卸车运输,主要施工工艺流程如图1所示。
图1. 施工工艺流程
混合料摊铺后采用1台YZ36单钢轮振动压路机和1台YZC17双钢轮压路机、1台YL37胶轮压路机跟在摊铺机后面全宽范围内进行碾压,碾压组合方式和遍数遵循先轻后重、先慢后快、从低到高的原则,碾压时后轮重叠1/3轮宽,摊铺根据现场摊铺速度和时间来控制碾压段。
为选取合理有效的碾压组合方式,采取三种碾压工艺进行碾压对比,碾压对比首先保证基层压实度要求,然后根据施工平整度、厚度等因素来优选碾压工艺,试验段具体碾压组合方式如下表5。
阶段 | 压路机类型 | 碾压遍数 | 方式 |
---|---|---|---|
初压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅前静后静碾压1遍 | 方案一 |
复压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅前震后震碾压1遍 | |
YZ36单钢轮压路机一台 | 全幅前静后震1遍,前震后震2遍 | ||
YL37胶轮压路机一台 | 与单钢轮交叉碾压,全幅碾压3遍 | ||
终压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅静压收光1遍 | |
初压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅前静静碾压1遍 | 方案二 |
复压 | YZ36单钢轮压路机一台 | 全幅前静后震1遍,前震后震1遍,前震后静1遍 | |
YL37胶轮压路机一台 | 与单钢轮交叉碾压,全幅碾压3遍 | ||
终压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅静压收光1遍 | |
初压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅前静后震碾压1遍 | 方案三 |
复压 | YZ36单钢轮压路机一台 | 全幅前静后震1遍,前震后震1遍,前静后静1遍 | |
YL37胶轮压路机一台 | 与单钢轮交叉碾压,全幅碾压3遍 | ||
终压 | YZC17双钢轮压路机一台 | 全幅静压收光1遍 |
表5. 压实组合方式
水泥稳定碎石基层大厚度施工压实度是施工质量控制的核心,由于施工厚度加大,压力传导衰减较快,易导致顶部超密,底部压实不足的现象。传统的灌砂法只能控制整层的压实度,对底部欠压问题无法控制。
本文提出了分层、整层相结合的压实度控制方法,采用挖坑灌砂法(如图2所示)分别检测上下半层的压实度,结合灌水法控制整层的压实度,在确保整体压实质量的同时,也控制上下的压实变异。
图2. 压实度检测
1) 试验段拟设松铺系数
试验段松铺系数拟定为1.32,松铺厚度为47.5 cm。
2) 松铺系数测试方法
摊铺前,对下承层顶面高程H进行检测,纵向每10米一个断面,每断面横向3个点,分别设在横向2 m、7 m、12 m处,共9个点,纵向采用中桩控制,横向用钢尺进行控制,以便松铺及压实后的检测能在同一点上进行。
混合料摊铺后、碾压前对混合料松铺高程H1进行测量,混合料终压完成后对混合料压实高程H2进行测量。通过下承层顶面高程H、松铺高程H1及压实高程H2三组高程的测量求得每个检测点混合料的松铺厚度和压实厚度。
3) 实测松铺系数
单点的松铺厚度除以压实厚度求得单点的松铺系数,将各点的松铺系数汇总取平均值求得水稳基层的松铺系数K,计算公式为K = Σ[(H1-H)/(H2-H)]/N (N代表检测点的总数),如表6所示实测水稳基层松铺系数为1.353。
位置 | 点位(m) | 松铺前高 H(m) | 松铺高程 (m) | 压实后高程 H2 (m) | 松铺厚度 H1-H (cm) | 压实厚度 H2-H (cm) | 松铺系数(H1-H)/(H2-H) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 79.318 | 79.790 | 79.666 | 47.2 | 34.8 | 1.356 |
7 | 79.248 | 79.722 | 79.600 | 47.4 | 35.2 | 1.347 | |
12 | 79.147 | 79.613 | 79.489 | 46.6 | 34.2 | 1.363 | |
2 | 2 | 79.226 | 79.699 | 79.577 | 47.3 | 35.1 | 1.348 |
7 | 79.140 | 79.609 | 79.489 | 46.9 | 34.9 | 1.344 | |
12 | 79.050 | 79.526 | 79.383 | 47.6 | 35.3 | 1.348 | |
3 | 2 | 79.115 | 79.589 | 79.465 | 47.4 | 35.0 | 1.354 |
7 | 79.026 | 79.495 | 79.374 | 46.9 | 34.8 | 1.348 | |
12 | 78.926 | 79.397 | 79.275 | 47.1 | 34.9 | 1.348 | |
平均值K | 1.353 |
表6. 松铺系数检测数据表
1) 水泥剂量检测
水泥剂量的检测从拌合稳定的第三车进行首次检测,后场实测值为4.5%,在现场对应的摊铺桩号处取样,检测值为4.5%,水泥剂量无损失。试验段水泥剂量检测组数6,合格组数6,检测桩号及数据详见下表7。本次检测数据满足《水泥稳定碎石底基层施工指导意见》不小于−1.0%的要求,合格率100%。
取样位置 | 试样质量(g) | EDTA滴定量(ml) | 结合料剂量(%) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
初读数 | 末读数 | 滴定量 | 平均值 | |||
1 | 1000 | 6.3 | 11.2 | 14.5 | 14.4 | 4.5 |
11.2 | 25.4 | 14.2 | ||||
2 | 1000 | 4.6 | 19.7 | 15.1 | 15.0 | 4.7 |
8.5 | 23.3 | 14.8 | ||||
3 | 1000 | 5.1 | 19.6 | 14.5 | 14.6 | 4.5 |
12.7 | 27.3 | 14.6 | ||||
4 | 1000 | 4.6 | 19.4 | 14.8 | 14.8 | 4.6 |
8.6 | 23.3 | 14.7 | ||||
5 | 1000 | 9.5 | 23.9 | 14.4 | 14.4 | 4.5 |
14.9 | 29.2 | 14.3 | ||||
6 | 1000 | 6.7 | 21.5 | 14.8 | 14.8 | 4.6 |
12.9 | 27.6 | 14.7 |
表7. 水泥剂量检测数据表
2) 级配检测
级配检测从拌合稳定的第3车、第10车分别取样;级配检测共2组,各筛孔通过率均符合《水泥稳定碎石底基层施工指导意见》级配要求范围内,合格率为100%,详细检测结果表8所示。
组数 | 各筛孔通过率(%) | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
31.5 | 26.5 | 19.0 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 0.6 | 0.075 | |
1 | 100 | 97.4 | 79.6 | 49.4 | 29.8 | 19.7 | 9.0 | 3.4 |
2 | 100 | 97.4 | 79.8 | 49.8 | 30.1 | 19.6 | 9.2 | 3.2 |
上限 | 100 | 100 | 86.0 | 55.0 | 36.0 | 26.0 | 16.0 | 5.0 |
下限 | 100 | 90.0 | 76.0 | 43.0 | 26.0 | 16.0 | 8.0 | 0.0 |
表8. 混合料级配检测数据表
3) 含水量检测
由于第一、第二车混合料拌合相对不稳定,取拌合稳定的第3车混合料进行含水量检测,实测值为5.76%,满足设计要求的5.0%~6.0%。根据现场施工情况,运距约为2.0 km。摊铺开始前,测得含水量为5.57%,含水量损失0.19%。碾压结束后,在相对应处用烘干法进行含水量检测,实测值为5.39%,含水量损失0.18%。经选取第6车、第10车、第15车、第20车含水量为5.64%、5.83%、5.69%、5.74%,压实后测得含水量为5.32%、5.44%、5.34%、5.36%,含水量损失0.32%、0.39%、0.35%、0.38%,含水量损失平均值为0.38%。
现场根据三种碾压组合方式分别检测压实度,采用分层灌砂法和整层灌水法进行检测,检测数据如表9所示。
序号 | 桩号 | 压实方法 | 压实度 | 检测方法 | 备注 | |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | K69 + 180距中5米处 | 方案一 | 100.3 | 98.7 | 分层罐砂法 | 上基层 |
97.1 | 下基层 | |||||
2 | K69 + 220距中6米处 | 100.9 | 98.9 | 分层罐砂法 | 上基层 | |
97.0 | 下基层 | |||||
3 | K69 + 180距中6米处 | 98.2 | 灌水法 | 全厚度 | ||
4 | K69 + 260距中8米处 | 方案二 | 100.4 | 99.9 | 分层罐砂法 | 上基层 |
99.4 | 下基层 | |||||
5 | K69 + 270距中6米处 | 99.8 | 灌水法 | 全厚度 | ||
6 | K69 + 315距中8米处 | 方案三 | 102.1 | 99.6 | 分层罐砂法 | 上基层 |
98.9 | 下基层 | |||||
7 | K69 + 340距中6米处 | 99.1 | 灌水法 | 全厚度 |
表9. 压实度检测数据表
以上三种碾压方式都能满足压实要求,其中方案二压实度相对较好,采用分层罐砂法每层都能达到设计要求,且两层的差值较小,采用全厚度灌水法也完全达到设计要求,且和罐砂法测得的压实度平均值相差很小。
1) 平整度
采用6米直尺进行平整度检测,共检测4处*10尺,数据如表10所示。
检测桩号 | 幅别 | 数据值(mm) | 超过规定 值点数 | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
起 | 止 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||
69 + 180 | 69 + 240 | 左9米 | 10 | 7 | 5 | 9 | 6 | 8 | 6 | 7 | 10 | 7 | 2 |
69 + 180 | 69 + 240 | 左4米 | 5 | 8 | 7 | 4 | 6 | 5 | 8 | 9 | 6 | 4 | 1 |
69 + 310 | 69 + 370 | 左9米 | 7 | 9 | 10 | 6 | 3 | 6 | 4 | 5 | 8 | 3 | 2 |
68 + 310 | 68 + 370 | 左4米 | 4 | 10 | 11 | 9 | 8 | 7 | 3 | 4 | 10 | 6 | 4 |
表10. 平整度检测数据表
合格值 ≤ 8,经过检测,大部分平整度都符合规范要求,在压路机分段碾压接头处,平整度相对较差,后期施工中需要加强处理和控制碾压接头处平整度。
2) 厚度
通过取芯测检测水稳基层整体厚度,数据如表11所示。
桩号及位置 | 厚度 | |||
---|---|---|---|---|
规定值(cm) | 实测(cm) | 偏差(cm) | ||
1 | 距中3米 | 36 | 34.5 | −1.5 |
距中8米 | 36 | 35 | −1.0 | |
距中11米 | 36 | 34.5 | −1.5 | |
2 | 距中3米 | 36 | 34.5 | −1.5 |
距中8米 | 36 | 34.5 | −1.5 | |
距中11米 | 36 | 35.1 | −0.9 | |
3 | 距中3米 | 36 | 34.1 | −1.9 |
距中8米 | 36 | 35.1 | −0.9 | |
距中11米 | 36 | 33.6 | −2.3 | |
4 | 距中3米 | 36 | 33.6 | −2.3 |
距中8米 | 36 | 34.0 | −2.0 | |
距中11米 | 36 | 35.5 | −0.5 | |
5 | 距中3米 | 36 | 35.6 | −0.4 |
距中8米 | 36 | 34.8 | −1.2 | |
距中11米 | 36 | 35.5 | −0.5 |
表11. 厚度检测数据表
对检测数据分析发现,水泥稳定碎石大厚度施工试验段压实厚度控制难度较大,均较设计值偏低。
1) 水泥稳定碎石基层大厚度施工技术需配备具备相应性能的施工设备,单层施工压实厚度为36 cm时,应至少配置一台大功率摊铺机、一台36 t大吨位单钢轮压路机、一台37 t胶轮压路机、一台17 t双钢轮压路机及产量600 T/h以上的水泥稳定碎石拌合站。
2) 水泥稳定碎石基层大厚度施工压实工艺推荐采用文中工艺二,碾压时遵循先轻后重、先慢后快、从低到高的原则。为保证平整度,碾压段落长度宜控制在30~50 m之间,分段接头处易出现推移拥抱,须加强控制。
3) 水泥稳定碎石大厚度施工松铺系数大,厚度及平整度控制难度大大增加,须加大监测频率,可通过提高摊铺后混合料的初始压实度及使用双钢轮初压,减少大吨位压路机碾压造成的平整度差及厚度不足的问题。
4) 压实度是水泥稳定碎石施工质量控制的核心,水泥稳定碎石大厚度施工压实度控制应采用分层和整层相结合的压实度控制方法,保证施工质量。
苗 雷,李怀海,刘 毅,吴文娟,杨永富,徐钦升. 水泥稳定碎石基层大厚度施工压实工艺研究Research on Compaction Technology of Cement Stabilized Macadam Base with Large Thickness[J]. 材料科学, 2021, 11(06): 707-716. https://doi.org/10.12677/MS.2021.116082