摻玄武巖纖維水穩(wěn)基層在公路工程中的應(yīng)用

苑艷飛

（張家口市路橋工程監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，河北 張家口 075000）

1 引言

半剛性基層相比瀝青穩(wěn)定碎石基層有著造價(jià)低、強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，但在我國(guó)大規(guī)模普及應(yīng)用時(shí)卻遭遇十分嚴(yán)重的困境。水穩(wěn)碎石通車早期的開(kāi)裂要比瀝青穩(wěn)定碎石基層嚴(yán)重得多，在北方冬季溫度低的地區(qū)，開(kāi)裂現(xiàn)象更為嚴(yán)重。玄武巖纖維作為4 種高性能材料之一，從玄武巖碎石中熔融制得，其抗拉伸強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性等特性十分適合應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層中[1]。

2 摻玄武巖纖維碎石基層的優(yōu)點(diǎn)

我國(guó)采用水穩(wěn)基層主要是由于其強(qiáng)度高、造價(jià)低，適合我國(guó)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)的特點(diǎn)。但水穩(wěn)碎石的干溫縮特性容易導(dǎo)致道路病害頻發(fā)，摻加玄武巖纖維后能夠通過(guò)其吸附、聚集的效應(yīng)對(duì)水穩(wěn)碎石的抗拉伸性能進(jìn)行提升，提高了道路基層抵抗干溫縮開(kāi)裂的能力，從根本上提高了道路的使用壽命，節(jié)約了養(yǎng)護(hù)成本。

3 工程概況

某高速公路為全線長(zhǎng)350 km，全線車道數(shù)以雙向8 車道為主，部分地區(qū)由于地形限制為雙向6 車道。其中三標(biāo)段由于路面破損嚴(yán)重，通過(guò)落錘式彎沉儀對(duì)道路進(jìn)行承載性能檢驗(yàn)，報(bào)告顯示路段整體彎沉偏大，均在45.0 mm 以上。通過(guò)對(duì)典型部位鉆芯結(jié)果顯示道路基層開(kāi)裂嚴(yán)重，考慮到目前道路承載性能已經(jīng)嚴(yán)重不滿足當(dāng)前通行要求，決定對(duì)其進(jìn)行大修處理。針對(duì)路面瀝青層進(jìn)行整體銑刨，基層開(kāi)裂嚴(yán)重部位進(jìn)行挖掘機(jī)挖掘處理，同時(shí)為了防止水穩(wěn)基層病害的再次復(fù)發(fā)，決定采用摻加玄武巖纖維的水穩(wěn)基層作為新建基層。

4 施工材料

4.1 集料

水穩(wěn)碎石混合料中集料根據(jù)粒徑是否超過(guò)4.75 mm 分為粗集料與細(xì)集料，粗細(xì)集料在混合料中分別扮演不同作用。粗集料應(yīng)選擇堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、顆粒形狀好的碎石，主要是考慮到粗集料作為水泥穩(wěn)定碎石基層的骨架決定了其強(qiáng)度的大小，良好的顆粒形狀使得粗集料相互嵌擠形成穩(wěn)定的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬的碎石則使得碎石在碾壓時(shí)不被壓碎。細(xì)集料應(yīng)選擇潔凈、含泥量低和有機(jī)物含量低的碎石，主要是考慮到細(xì)集料粒徑小，在其中摻入其他成分后將會(huì)對(duì)碾壓成型的基層強(qiáng)度造成一定影響。考慮到當(dāng)?shù)刂分饕允規(guī)r碎石為原材料，本項(xiàng)目根據(jù)道路工程特征相似性原則選用石灰?guī)r碎石作為工程集料，其性能與級(jí)配見(jiàn)表1 和表2。

表1 集料的物理性能檢測(cè)結(jié)果

表2 骨架密室型碎石級(jí)配表

4.2 纖維

隨著施工技術(shù)水平的提高，摻加纖維已經(jīng)成為工程中常用來(lái)提高材料性能手段之一。目前，用于道路工程中的纖維十分廣泛，但大多數(shù)對(duì)于道路性能的提升略顯不足，或性能提升明顯的卻成本較高。玄武巖纖維是從玄武巖碎石中提煉出來(lái)的纖維，該纖維中含有豐富的礦質(zhì)元素，其中氧化硅、氧化鋁和氧化鐵占比最高，多種礦物成分決定了其性能的優(yōu)越性。將其摻入水穩(wěn)碎石基層后，基層整體抗拉伸性能明顯提升。此外，玄武巖纖維良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在水穩(wěn)碎石中能夠充分保證其穩(wěn)定性。本項(xiàng)目選擇6 mm、12 mm 多種長(zhǎng)度纖維進(jìn)行摻入，對(duì)玄武巖纖維拉伸強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，各方面性能均滿足要求。

4.3 水泥

水泥是一種常用于工程建筑的粉狀材料，其在加水?dāng)嚢韬竽軌蛲ㄟ^(guò)膠結(jié)作用將碎石黏結(jié)成整體，是水穩(wěn)基層的強(qiáng)度形成的重要材料，其含量越高，水穩(wěn)基層的強(qiáng)度越高，但過(guò)高的水泥摻入量十分容易造成基層的開(kāi)裂。因此，在進(jìn)行水穩(wěn)基層施工時(shí)，控制水泥的劑量是保證工程質(zhì)量的重要因素。本項(xiàng)目采用的水泥為42.5 標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥，對(duì)凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試后，各方面性能均滿足工程使用要求。

5 施工工藝

5.1 施工準(zhǔn)備

水穩(wěn)碎石運(yùn)送至施工作業(yè)場(chǎng)地前需要對(duì)挖掘機(jī)開(kāi)挖過(guò)后的路基表面進(jìn)行清理。路基存在沉陷的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行填筑與壓實(shí)操作，使得路基壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等施工設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)調(diào)試，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

5.2 混合料拌和

常規(guī)水穩(wěn)碎石的拌和可以采用廠拌和路拌2 種形式。由于該工程為高速公路項(xiàng)目，路線長(zhǎng)、工程量大、施工技術(shù)水平高，需要采用工廠拌和。拌和站要選擇水穩(wěn)碎石混合料產(chǎn)量在500t/h 以上的工廠。混合料拌和時(shí)，由于摻入纖維提升混合料的性能，需要選擇合適的工藝進(jìn)行纖維的添加，可采用人工拋撒纖維和履帶投送纖維方式，當(dāng)工廠具有履帶投送裝置時(shí)應(yīng)選擇履帶投送纖維，主要是由于人工拋撒頻率與數(shù)量的不確定性容易造成摻入的不均勻性[2]。

5.3 混合料運(yùn)輸與攤鋪

混合料離開(kāi)拌和站后要及時(shí)運(yùn)送至施工作業(yè)場(chǎng)地，若運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致混合料水分蒸發(fā)過(guò)多，使得混合料不處于最佳含水量狀態(tài)。運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)后，卸料車應(yīng)掛空擋停駐于攤鋪機(jī)前，由攤鋪機(jī)推動(dòng)前進(jìn)。攤鋪施工開(kāi)始前，要對(duì)路基表面進(jìn)行水泥漿噴灑處理，該操作的主要目的是提高路基與基層的黏結(jié)能力。攤鋪開(kāi)始后應(yīng)適時(shí)調(diào)整布料器位置與轉(zhuǎn)速，避免發(fā)生混合料的離析[3]。

5.4 混合料碾壓與養(yǎng)護(hù)

瀝青面層的碾壓需要控制施工溫度，而水穩(wěn)碎石的碾壓需要控制碾壓時(shí)間，確保碾壓施工在水穩(wěn)基層終凝之前完成。碾壓整個(gè)過(guò)程分3 個(gè)階段。第一階段的初壓應(yīng)不開(kāi)振動(dòng)，采用靜壓；第二階段的復(fù)壓應(yīng)振動(dòng)碾壓4 遍直至滿足壓實(shí)度要求；第三階段終壓是消除初壓、復(fù)壓產(chǎn)生的輪跡帶，碾壓過(guò)程中要控制每次碾壓輪跡帶重合30 cm 左右，保證連接處的壓實(shí)度。此外，對(duì)于路幅邊緣的壓實(shí)要格外注意壓路機(jī)的側(cè)翻。經(jīng)檢驗(yàn)滿足壓實(shí)度要求后，及時(shí)鋪設(shè)土工布灑水養(yǎng)護(hù)，水穩(wěn)碎石強(qiáng)度形成需要一定時(shí)間，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)避免曝曬，及時(shí)對(duì)基層補(bǔ)水，防止道路開(kāi)裂。

6 試驗(yàn)路段性能檢測(cè)

6.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

本項(xiàng)目由于工程量大，在進(jìn)行全線施工前，進(jìn)行試驗(yàn)路段鋪設(shè)對(duì)摻加玄武巖纖維基層性能進(jìn)行檢測(cè)，滿足要求后再全線施工。項(xiàng)目根據(jù)規(guī)范要對(duì)養(yǎng)護(hù)不同齡期的水穩(wěn)碎石芯樣進(jìn)行抗壓、抗彎拉和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水穩(wěn)碎石芯樣強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比纖維碎石基層與普通碎石基層強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，纖維碎石基層3 種強(qiáng)度值在不同齡期下均大于普通碎石基層。在水穩(wěn)碎石種摻入玄武巖纖維后，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d 時(shí)，纖維碎石基層的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度比普通碎石基層3種強(qiáng)度分別高出1.021 MPa、0.047 MPa、0.13 MPa，提升幅度分別為19.11%、16.49%、38.81%，說(shuō)明摻入纖維后基層的強(qiáng)度與抗裂性能顯著提升。

6.2 抗壓模量試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)玄武巖纖維對(duì)水穩(wěn)基層模量的影響，對(duì)不同齡期下回彈模量進(jìn)行檢驗(yàn)，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 抗壓回彈模量檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)回彈模量的檢測(cè)結(jié)果可知，養(yǎng)護(hù)7 d 后，摻入纖維的碎石基層與普通碎石基層抗壓回彈模量分別為1 269 MPa 和1 054 MPa，摻入纖維后回彈模量提升了20.4%。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著半剛性基層的廣泛應(yīng)用，水穩(wěn)基層開(kāi)裂現(xiàn)象層出不窮。本文通過(guò)摻加玄武巖纖維技術(shù)研究如何防治水穩(wěn)基層的開(kāi)裂情況，通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)與抗壓回彈模量試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）纖維碎石基層3 種強(qiáng)度值在不同齡期下均大于普通碎石基層。在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7d 時(shí)，纖維碎石基層的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度比普通碎石基層分別高出了19.11%、16.49%、38.81%。

2）養(yǎng)護(hù)7 d 后，摻加纖維的碎石基層比未摻加纖維的碎石基層回彈模量提升了20.4%。