低摻量水泥穩定級配碎石在路網工程中的應用

劉 珍,邱 華,黃小華

(1.廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007;2.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西 桂林 541004;3.廣西公路檢測有限公司,廣西 南寧 530001)

0 引言

低摻量水泥穩定級配碎石的回彈模量介于級配碎石與水泥穩定碎石之間[1-2],在宏觀力學性能上低摻量水泥穩定碎石抵抗局部荷載的作用能力優于級配碎石,但小于普通水泥穩定碎石[3]。付志國等[4]對比不同劑量的水泥穩定碎石發現,低摻量和水泥穩定碎石干燥收縮性能優于普通水泥穩定碎石,即其在力學性能上優于級配碎石,在收縮性能上優于水泥穩定碎石。級配碎石是良好的柔性結構材料,但其水穩定性較差,易發生水毀破壞,一定摻量的水泥能起到粘結作用[5],水穩性能優于級配碎石。因此低摻量水泥穩定級配碎石適用于因重載交通而采用大粒徑級配碎石路面柔性結構,但環境較為潮濕且易發生水毀病害的地區。

截至2020年年底,廣西公路總里程達到13.16×104km,全區普通國省道二級及以上公路比例達72%[6]。普通國省干道路網為連接西南(云南、貴州)、北上湖南、南下廣東提供了陸路運輸通道。隨著西部陸海新通道的不斷建設,廣西普通路網預計交通特征主要是過境交通(貨運),重載交通特征明顯;同時廣西地區高溫多雨,瀝青路面極易出現早期病害。因此,考慮上述背景和低摻量水泥穩定級配碎石的應用條件,其應用于廣西的路網項目是可行的。本文依托路網大修實體工程,引入低摻量水泥穩定級配碎石柔性結構加鋪層,各項檢測結果及通車后使用性能均達到了預期效果,可為以后類似路網大修項目提供參考。

1 工程概況

1.1 概況

省道S210線k96+000～k110+700段位于百色靖西縣,2004年11月建成營運以來,隨著區域經濟的迅速發展,截止項目實施前日交通量達到12 000車次,同時車輛載重量遠遠大于公路設計荷載,路面已經沒有足夠強度承受車輛荷載。此外,靖西地區礦產資源豐富,項目附近運輸鋁礦的車輛沒有蓋篷布,使得大量泥團、礦料撒落路面,污染公路及周邊環境,水、泥漿共同作用,加劇了路面損壞,大部分路段的交通幾乎中斷。

在這種重交通量、重載以及高溫潮濕的背景下,路網維修工程就必須具備以下幾種條件:(1)不能全部中斷交通,該項目所在路段是廣西百色市通往德保、靖西、那坡等3個邊境縣及與越南毗鄰的國家一類通商口岸——龍邦口岸的便捷通道之一,也是桂西滇東、黔南通往珠三角地區及東南亞各國的便捷陸路通道之一,交通量極大,徹底中斷交通影響較大;(2)項目原路面結構破壞較為嚴重,須充分利用原路面穩定結構層的剩余壽命,合理控制和降低造價;(3)新鋪路面結構層須有較強的抗車轍能力以滿足重重載交通要求;(4)瀝青面層耐久性和密實性要夠好,減少剎車水引起的路面潮濕對路面結構內部的影響。

1.2 路面結構層加鋪思路

根據上述所需滿足的4點條件,應對措施分別為:(1)為了不中斷交通,采用單幅封閉施工且使用低摻量水泥穩定級配碎石代替普通水穩基層,因水泥摻量較少無須長時間養護,在鋪筑完成后即可開放交通,利用交通荷載的正能量,提高結構的密實性與穩定性;(2)對于原路面破壞較嚴重路段,應根據不同情況分別采用換填片石、級配碎石等修補坑槽、局部挖補以及水泥路面碎石化等手段降低彎沉;(3)對于抗車轍及防滲水的要求,在舊路面穩定的基礎上加鋪大粒徑級配碎石和低摻量水泥穩定碎石防裂和抵抗變形,且瀝青面層在形成良好嵌擠骨架基礎上混合料要能壓實、不滲水,路面殘留空隙率應≤6%。

根據上述技術思路,本次路面大修加鋪結構層設置如下:路面主要采用4 cm AC-13瀝青混凝土面層、8～13 cm AM-25瀝青碎石下面層、15 cm水泥改善級配碎石基層、18 cm填隙碎石墊層,其中k101+300～k102+000段沒有基層及墊層,k109+300～k109+505段只有4 cm AC-13瀝青混凝土面層。

1.3 原材料及配合比設計

該路段的低摻量水泥穩定級配碎石使用的水泥是廣西登高(集團)右江水泥有限公司生產的右江牌P.C32.5水泥,檢測試驗結果如表1所示。考慮到重載交通環境以及較低的水泥摻量,因此低摻量水泥穩定級配碎石所使用的級配應較粗,以增強結構層的抗剪能力及剛度,抵抗重交通荷載作用,取值范圍應參考級配碎石,最終合成級配以及重型擊實試驗結果如表2所示。

表1 水泥主要技術指標表

表2 大粒徑級配碎石合成級配以及重型擊實試驗結果表

2 施工過程質量控制

2.1 材料的拌和及運輸

級配碎石混合料由連續式拌和機拌和,拌和前檢測現場級配碎石天然含水量,根據試驗結果調整配合比為(19.5～37.5 mm)∶(9.5～19.5 mm)∶(4.75～9.5 mm)∶(0～4.75 mm)=40∶20∶12∶28,水泥用量為2.5%。在水穩拌和站拌和均勻后用自卸汽車運輸至施工現場,集料在運輸前要進行含水量和水泥劑量檢測,要求含水量要大于最佳含水量4.5%的0.5%～1%,水泥劑量要求要達到2.5%±0.5%,如果集料有較嚴重的離析現象應進行拌和后再拉至施工現場。

2.2 混合料攤鋪

(1)采用一臺攤鋪機作業,縱向接縫重疊10 cm。在攤鋪機起步的前50 m,采用基準線控制攤鋪,調整好鋪筑厚度和橫坡,并對自動找平梁進行校正,50 m后采用找平梁控制攤鋪。攤鋪機調整好松鋪厚度、橫坡。松鋪系數按1.3鋪裝水泥改善級配碎石基層,松鋪厚度為19.5 cm。

(2)運料車至少有三輛在攤鋪機前按序排列等候,裝料后攤鋪機開始攤鋪,運料車始終保持在攤鋪機前20～30 cm處卸料,由攤鋪機接住,推向前行。攤鋪時,攤鋪機停頓和收斗次數不宜太多。

(3)有專人跟蹤檢測高程、橫坡和厚度,及時進行校核與調整。

(4)控制攤鋪機的行駛速度為2～3 m/min,保持攤鋪過程中攤鋪機勻速前進,不得中途變速。

2.3 基層碾壓

(1)初壓:用20T振動壓路機靜壓1遍,使混合料穩定就位。在直線和不設超高的平曲線上,碾壓從兩側路肩開始,逐漸錯輪向路中心進行;在超高的平曲線上,碾壓從內側路肩開始,逐漸錯輪向外側路肩進行。錯輪時,每次重疊1/3輪寬。在第一遍碾壓后,再次找平。初壓終了時,初壓后檢查平整度和路拱橫坡,必要時應予修正。

(2)復壓:用振動壓路機小幅振動碾壓2遍,大幅振壓3遍,碾壓過程必須遵守先慢后快,先兩邊后中間,有超高的先壓低側后壓高側。錯輪時,每次重疊1/3輪寬。嚴禁壓路機在成型的墊層上掉頭、急轉彎。

(3)表面收光:碾壓到規定遍數后,靜壓一遍消除壓路機輪印。

2.4 壓實度檢測

在壓路機碾壓終了后,試驗檢測人員及時按挖坑灌砂法測定壓實度試驗方法的要求檢測壓實度,壓實度達到98%為合格。檢測壓實度合格后及時跟進封油;如壓實度不合格,需用壓路機補壓,如填料的實際含水率比最佳含水率低,則用灑水車及時均勻灑水,再用壓路機補壓,重新檢測壓實度合格后施工封油層。

2.5 瀝青封油層施工

按設計文件要求,該路段使用熱瀝青封油。考慮該路線車流量很大,如果基層不封油即開放交通,會對基層造成較大的損壞;如用熱瀝青封油將會影響交通造成交通堵塞,嚴重的影響基層施工。因此采用1.5 cm厚乳化瀝青封層,待乳化瀝青破乳、水分蒸發、干燥成型后即可開放交通。

3 低摻量水泥穩定級配碎石基層性能評價

水泥摻量過高或過低都達不到低摻量水泥穩定級配碎石的使用效果,因此現場試驗檢測人員應實時檢測水泥含量,如偏差>0.5%應停止攤鋪,及時調整,符合要求后再進行攤鋪,檢測結果如表3所示;設計文件中對無側限抗壓強度不做要求,但是為了測試混合料的實際強度,按98%的壓實度成型無側限抗壓強度試件。14 d無側限抗壓強度試驗結果如表4所示;采用灌砂法現場檢測粗顆粒斷級配水泥穩定級配碎石混合料結構層的壓實度,結果如表5所示。

表3 水泥含量現場抽檢結果表

表4 低摻量水泥穩定級配碎石基層無側限抗壓強度試驗結果表

表5 低摻量水泥穩定級配碎石基層的壓實度檢測結果表

從表3、表4可知,基層結構所使用的水泥含量符合預期2.5%的低水泥摻量要求。在較低的水泥含量下,其各路段混合料的14 d無側向抗壓強度均較低,基本保持在2 MPa左右,且室內試驗有多個試塊難以成型。在對現場養生滿3 d、7 d、28 d的基層進行轉芯抽檢時,短齡期芯樣基本不成型,12個28 d齡期芯樣僅成型2個,其余均為松散碎石狀。這也印證了低摻量水泥穩定級配碎石主要靠級配碎石的嵌擠抵抗變形,因此基層必須有足夠的壓實度使碎石緊密嵌擠形成骨架,從表5可知,各路段壓實度均滿足規范要求,甚至部分超百,說明攤鋪碾壓效果良好,碎石骨架結構穩定。

原路表回彈彎沉除個別點外基本在40～70 mm范圍內,彎沉偏大說明原路面結構在重交通重載作用下不堪重負,內部損壞嚴重。為使大修后路面能在重載重交通下保持穩定,各結構層設計彎沉分別為:填隙碎石墊層58 mm,低摻量水泥穩定級配碎石基層47 mm,AM-25瀝青下面層37 mm,AC-13瀝青上面層32 mm。對各攤鋪碾壓完成的結構層進行回彈彎沉檢測,結果如圖4所示。從圖4可以看出,新加鋪各結構層彎沉均比設計值小很多,且波動較小,填隙碎石墊層彎沉為19～42.4 mm,低摻量水泥穩定級配碎石基層為21.1～33.3 mm,AM-25瀝青下面層為17～25.5 mm,AC-13瀝青上面層為14.1～23.1 mm,這表明新建路面結構較穩定,抵抗重載能力強。

4 結語

(1)低摻量水泥穩定級配碎石結構層主要依靠碎石的嵌擠作用抵抗變形,水泥漿的水化作用使得骨架結構更加密實,在一定意義上可以認為其屬于柔性結構。

(2)柔性的級配碎石層、瀝青層、低摻量水泥穩定級配碎石層可在攤鋪后較短時間內開放交通,充分利用交通荷載行車壓密作用,可以提高路面各結構層的整體穩定性,縮短施工維護交通周期。

(3)根據舊路面的不同路況,采取分段、針對性強的設計方案(18 cm大粒徑級配碎石+15 cm水泥改善級配碎石+封層+8 cm～13 cm AM-25+4 cm AC-13),合理利用了原路面的剩余價值,提高了路面結構層的抗車轍和抗裂能力。該項目高溫高濕以及重載重交通環境屬于廣西典型交通特征,低摻量水泥穩定級配碎石在項目中的應用可為后續廣西國省干道路網大中修工程提供借鑒。