水泥稳定碎石基层强度控制分析.

水泥稳定碎石基层强度控制分析

摘要:高速公路基层主要是公路主要的承重层,用于抵抗和减缓荷载,因此,基层强度将对公路强度和路面损害产生直接影响。本文就高速公路水泥稳定碎石基层强度形成原理、级配组成及基层含水量与回弹模量间的关系进行了阐述和分析,并提出了基层含水量的控制应在最优含水量以下15 %的范围内,才能保证基层强度和稳定性。

关键词:水泥稳定碎石;承载板试验;筛分曲线;回弹模量

1前言

随着公路建设大力发展,公路病害也越来越突出,湖南省位于北纬

24°39′～30°08′之间,大部分地区属中亚热带东部湿润季风气候区,湘南、湘东北分别兼有向南亚热带和北亚热带过渡的特征。境内多年平均降水量在1 200 mm～1 700 mm之间,是全国多雨地区之一,各地降水量大于1 000 mm的保证率在90 %以上;大于1 200 mm的保证率有70 %～80 %,且雨水集中于春夏两季,占全年降雨总量的70 %。气候的主要特征为气候温暖,四季分明;热量充足,雨水集中;春温多变,夏秋多旱;严寒期短,暑热期长。由此,公路路面水损害尤为严重,同时也是影响公路使用寿命的重要因素之一。[1]

降雨期间通过路面孔隙、裂缝、接缝、中央分隔带渗入的水或高地下水位路段的地下水滞留在路面结构内,给公路路面的使用带来非常不利的影响。对柔性路面而言,其水损坏形式主要包括:卿浆、松散、掉粒、坑槽等,刚性路面水损坏的形式主要为:冲刷、唧泥、断板、断角和碎裂等。防治公路路面水损害必须从基层和排水层开始,当然材料的选择也是至关重要的一个环节。[2] 本文以湖南常吉高速公路为依托工程,广泛调查其基层水泥稳定碎石的级配组成、承载力及与含水量变化关系等,总结得出高速公路基层施工的含水量控制规律。

2水泥稳定级配碎石强度形成原理

水泥稳定碎石根据粗集料和细集料在混合料中的分布状态可以划分为悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架孔隙结构和均匀密实型结构。通过机械碾压作用水泥稳定碎石能紧密的嵌挤在一起,并依靠颗粒之间的嵌挤和摩阻作用而形成的内摩阻力使其具有一定的强度和稳定性。再次,水泥加入集料中并加入一定量的水加以拌和后,水泥中的各个组分与土中的水分发生强烈的水解和水化反应,同时从溶液中分解出氢氧化钙,并形成具有胶结能力的水化物,这是水泥稳定类混合物的强度主要来源。水泥水化后的主要产物是碱性的硅酸钙、铝酸钙和氢

氧化钙,其中前两种产物是主要的胶结成分,黏结、形成强度和体积变化主要由它们来控制,各种水化产物可继续硬化并在土中形成水泥石骨架。水泥水化生成的产物,在集料的空隙中相互交织搭接,将集料颗粒包裹连接起来,使其逐渐丧失了原有的塑性等性质,并且随着水化产物的增加,混合料也逐渐坚固起来,在这一过程中主要包括3种作用形式:离子交换作用、化学激发作用、碳酸化作用。由此,增大了水泥稳定碎石的强度。

3水泥稳定碎石级配设计

水泥、碎石材料的选择。

根据供料情况确定4种规格石料进行配合比设计,分别为10 mm～30 mm碎石、10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石和石屑,水泥采用强度为32.5 MPa

的普通硅酸盐水泥。通过试验测定,集料的压碎值、吸水率等参数均满足技术规范的要求。矿料筛分数据如表1所示,级配曲线如图1所示。

一般水泥稳定碎石基层从功能上来看,可以作为排水基层、抵抗和减缓荷载的用途。水泥稳定碎石的强度影响因素一般为矿料级配和水泥剂量,骨架密实型级配和水泥剂量对提高水泥稳定碎石的抗荷载和抗裂性能有显著效果,而水泥稳定碎

本文为湖南省交通厅科技项目(2007-29)

石作为排水基层则应考虑骨架孔隙结构,其结构中细料的压实体积小于粗集料形成的空隙体积,且压实后混合料存在一定的孔隙[3],因此在设计和施工中需慎重考虑其影响因素,并参照规范内级配范围,如表2。

4承载板法测试水泥稳定碎石基层回弹模量

在沥青路面结构设计中,基层的回弹模量是影响结构厚度最敏感的参数之一,基层回弹模量较小的变化会对路面结构厚度产生较大的影响。因此,在沥青路面结构厚度设计中,能否选用合乎实际的基层回弹模量直接关系到路面结构的安全性和经济性。现场承载板法是现行路面设计规范中所推荐的基层回弹模量测试方法之一,可较为准确地得出基层的回弹模量,所使用仪器结构及操作比较简单,价格低廉。因此,对现场不同含水量基层的回弹模量进行测试,得出含水量与回弹模量的关系,为路基防排水设计与路面结构设计提供直接指导。

4.1承载板法试验目的

本试验通过弯沉仪测试水泥稳定碎石在不同含水量情况下各个测点的回弹弯沉值,通过计算求得水泥稳定碎石的回弹模量值。得出在不同含水量情况下,

水泥稳定碎石的回弹模量与含水量的关系,即水泥稳定碎石的回弹模量随含水量的变化情况。通过分析含水量对回弹模量的影响的程度来说明基层由于路面渗水而导致其强度降低,并提出防水措施要保证基层含水量控制在一定含水量以下。

4.2水泥稳定碎石基层回弹模量与含水量的关系

承载板试验是一种测试路基土承载能力的经典方法。该试验通过调节反力梁下千斤顶的压力,将不同大小的荷载施加到刚性承载板上,承载板下土基的变形则由梁式弯沉仪读出。试验中通过逐级加载、卸载的方式,测出每级荷载下相应的土基回弹变形值,经过计算求得土基回弹模量。

常吉高速公路基层分为上基层18 cm水泥稳定碎石(6 MPa)、下基层17 cm 水泥稳定碎石(5 MPa)和底基层18 cm水泥稳定碎石(3 MPa)。通过击实试验测定上基层水泥稳定碎石的最优含水量为5.2 %,水泥掺量为6 %,且在最优含水量情况下的回弹模量值为2 750 MPa,基层填料密实度大于98 %,填料密度为2.40 g/mm3～2.42 g/mm3。为确定水泥稳定碎石基层含水量与其回弹模量之间的关系,在常德至吉首高速公路进行了承载板试验。根据所测得的数据可以得出水泥稳定碎石含水量与回弹模量之间的关系,见表3和图2。

由图2中可以看出,水泥稳定碎石的回弹模量值是随着含水量的增大而减小的,且在图中可以发现曲线呈现出两个拐点分别为最优含水量±0.5 %,即含水量为4.7 %和5.7 %,其中4.8 %为低极限含水量,5.6 %为高极限含水量。并从图2中可以看出在3.4 %～4.7 %和5.7 %～7.2 %两个含水量变化区域中回弹模量变化比较小,同时水泥稳定碎石在含水量为5.7 %～7.2 %之间时回弹模量的变化

率相对于含水量为3.4 %～4.7 %之间时更加趋于平缓,这说明在高含水量的情

况下,回弹模量将趋于定值。可以

预见在低含水量情况下,回弹模量也会趋于定值。

表3水泥稳定碎石(6 MPa)基层含水量与回弹模量的对应关系

水泥稳定碎石含水量 / % 3.4 4.0 4.8 4.9 5.2 5.6 6.7 7.2

基层回弹模量 / MPa 3 840 3 730 3 410 3 180 2 750 2 360 2 200 2 110

一般情况下,基层的摊铺是在最优含水量情况下施工,因为只有在最优含水量情况下,基层在碾压时才能达到最大密实度。然而,此时基层的回弹模量处于一个并不是很高的状态,随着水分蒸发,水泥逐渐硬化,基层的回弹模量逐渐增大,因此回弹模量应随着含水量的变小而逐渐增大。因此,在控制基层的含水量时,应该采取措施,使基层中的含水量(以本试验成果为例)控制在4.7 %以下,这样

才能使基层的强度损失的速度不至于过快,反之,当从面层上渗入到基层的水量使基层的含水量超过4.7 %时,基层的模量值将会损失很快,尤其是当含水量超

过碾压时的最优含水量时,基层的强度将会减小很大程度,从而使基层的承重功能不能得到发挥。如果基层处于过湿状态的时间过长,在不同的荷载作用下,路面面层受力处于不均匀状态,进而造成路面面层的水损害,路面受损势必使更多的水渗入到基层,这样会更进一步造成基层的强度损失,会导致路面的循环破损以致路面完全破坏。

综合来看,基层的强度减小最快的区域为最优含水量附近,路基含水量太高影响路基强度,而路基含水量过低则影响水泥的水化和水解反应过程,因此保障路基的含水量低于碾压时的含水量的15 %左右,可有效保证基层的强度受含水量影响不大。

5 结论

从上述分析可以得出路面的面层设计和路面内部的防排水设施应尽量保证少量的水渗入到基层,中央分隔带的防排水措施及防排水的施工应该保证其防水的质量。如果在防排水设施最不利的情况下工作,尽量使少量水存留于基层中,水分的存留量不能使基层的含水量的增量过大,并且不能高于低极限含水量,基层含水量的控制应在最优含水量以下15 %的范围,才能保证基层强度和稳定性,同时也对防排水的设计以及路面养护具有指导意义。

参考文献

1 苗英豪、王秉纲、李超、戈普塔. 中国公路沥青路面水损害气候影响分区方案.长安大学学报(自然科学版).2008.28(1):26～31

2 蒋甫、应荣华、秦仁杰. 昌樟高速公路水损害调查分析与处治措施. 公路,2006.12(12):200～204

3 杨若冲、梁锡三、赖用满. 沥青路面水损害典型原因与对策.同济大学学报(自然科学版),2008.36(6):749～753