1、 基于振动压实法宽幅大厚度水泥稳定碎石摊铺技术研究郭志强2014 年 3 月目录1. 背景 .31.1 国内外研究现状 .31.1.1 半刚性基层及抗裂技术研究现状 .41.1.2 大厚度摊铺技术 .61.1.3 施工设备发展现状 .71.1.4 厚层施工技术实体工程应用 .81.2 研究内容及技术线路 .81.2.1 研究内容 .81.2.2 技术路线 .92. 抗裂型水泥稳定级配碎石技术性能研究 .112.1 水泥稳定级配碎石原材料性能及技术要求 .112.1.1 水泥 .112.1.2 集料 .122.2 抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用研究 .122.2.1 配合比设计方法及其
2、介绍 .132.2.2 抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用研究 .162.2.2.1 抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计优化应用 .172.2.2.2 混合料性能分析 .212.3 抗裂型水泥稳定碎石混合料配合比结果分析 .243.分层压实厚度对水泥稳定级配碎石基层耐久性的影响 .253.1 水泥稳定碎石基层应力应变特性分析 .253.1.1 施工方法 .253.1.2 内部受力分析 .253.2 水泥稳定级配碎石疲劳性试验 .283.3 水泥稳定级配碎石基层施工现状分析 .303.4 小结 .314.大厚度水泥稳定级配碎石基层施工技术研究 .324.1 摊铺、压实与机械设备的确定 .33
3、4.1.1 拌和设备 .334.1.2 摊铺设备 .344.1.3 压实设备 .364.2 碾压工艺研究 .384.3 养生工艺研究 .434.3.1 养生工艺的分类比较 .434.4 压实度控制研究 .464.4.1 现场检测 .474.4.2 结果分析 .474.5 现场质量控制方法 .484.5.1 后场质量控制 .494.5. 2 前场质量控制 .504.6 水泥稳定级配碎石施工防离析技术研究 .524.6.1 水泥稳定级配碎石施工中离析现状 .524.6.2 水泥稳定级配碎石施工离析原因分析 .534.6.3 水泥稳定级配碎石施工离析解决方法分析 .554.7 小结 .575.水泥稳
4、定级配碎石基层质量控制与验收评价方法研究 .595.1 压实度检测 .595.1.1 压实法检测方法 .595.1.2 大厚度水泥稳定级配碎石基层压实度检测 .605.2 质量控制与验收 .615.2.1 取样和检验 .615.2.2 检查验收 .636.工程应用 .656.1 工程情况介绍 .656.2 施工准备情况 .666.2.1 原材料性能检验 .666.2.2 混合料级配设计 .676.2.3 施工现场准备 .736.3 施工工艺 .756.3.1 拌和 .756.3.2 运输 .756.3.3 摊铺 .756.3.4 碾压 .766.3.4 养生 .766.4 质量检测 .776.
5、4.1 施工后表观状况 .776.4.2 级配及水泥剂量检验 .776.5 小结 .807.技术经济综合分析 .817.1 施工效率提高的分析 .817.2 经济效益分析 .817.3 小结 .821. 背景1.1 国内外研究现状半刚性基层并非是欧美等发达国家公路的主流结构形式，因此国外关于半刚性基层的研究也相对较少。半刚性基层强度高、承载力大、水稳性好、板体性强、建设成本低，非常适合中国国情，因此在国内半刚性基层应用较多，因此，半刚性基层材料在现阶段甚至相当长的一段时期内仍然会在我国道路基层材料中占主导地位，而且还有很大的发展空间。近年来随着大功率摊铺和压实设备的研发和应用，半刚性基层开始向
6、大厚度施工技术方面发展，与“半刚性基层大厚度施工技术”相关的主要技术领域有；半刚性基层抗裂技术研究；宽幅大厚度铺筑技术；大功率摊铺和压实机械设备研发和应用；工程应用方面。1.1.1 半刚性基层及抗裂技术研究现状天津市市政工程研究院 1进行了“半刚性基层抗裂技术研究”，从以下几方面开展了研究：用重型击实法确定水泥稳定碎石混合料最大干密度及最佳含水量，用静压法制作试件，根据强度满足要求、抗裂能力最佳的原则，优化了水泥稳定碎石混合料配合比。用振动法确定水泥稳定碎石混合料最大干密度及最佳含水量，用振动法制作试件，根据强度满足要求、抗裂能力最佳的原则，优化水泥稳定碎石混合料配合比。铺筑试验工程，根据芯样
7、无侧限抗压强度及实体工程裂缝率指标判断何种试件成型方式更能正确评价振动压实后现场混合料力学性能。提出水泥稳定碎石混合料干缩特性评价指标，提出水泥稳定碎石混合料基层施工工艺及现场质量控制措施。从微观角度研究水泥稳定碎石混合料强度形成机理及收缩机理。通过研究得出如下结论：以劈裂模量参数为基础，提出了采用干缩抗裂系数作为评价水泥稳定碎石混合料抗干缩能力的指标；0.075mm 通过率大小对水泥稳定碎石混合料路用性能有显著影响。表现在相同水泥剂量下，0.075mm 通过率大，水泥稳定碎石混合料最佳含水量、最大干密度增大，长龄期（90d、180d）试件无侧限抗压强度提高，但抗干缩能力下降，水泥稳定碎石混合
8、料配合比优化的结果为 0.075mm 通过率为 0；在水泥剂量对强度、混合料干缩抗裂系数的影响方面，振动压实和重型击实两种成型方式所得结论相同，即水泥剂量增加，混合料强度显著增加，但混合料干缩应变及干缩系数增大；此外，振动成型及振动法成型试件条件下，级配对水泥稳定碎石混合料路用性能有显著影响，级配优的混合料干缩应变及干缩系数均小；试件成型方式对水泥稳定碎石混合料路用性能有极显著影响；相同级配、相同水泥含量下，振动压实确定的最大干密度与标准击实确定的最大干密度关系为： 振动击实 =(1.0251.035) 重型击实 ；振动碾压施作的基层芯样无侧限抗压强度大于室内静压法制作的无侧限抗压强度，而更接
9、近于振动法成型试件的无侧限抗压强度；从混合料无侧限抗压强度、抗裂能力、混合料密实均匀性、刚度及柔性考虑，振动法成型水泥稳定碎石混合料综合路用性能全面优于静压法成型水泥稳定碎石混合料。因此，为保证水泥稳定碎石基层达到强度满足要求、抗裂能力最佳的效果，水泥剂量选择 3.54.5%；与静压法相比，振动压实法设计的水泥稳定碎石更贴近工程实际，用振动成型方式所得各项指标进行控制，工程质量更优。长安大学张嘎吱、李美江等 2 3也进行了抗裂性水泥稳定类材料配合比设计方法和振动压实方面的研究，得出以下结论：水泥稳定碎石混合料中 0.075mm 以下的细集料含量越多，混合料抵抗收缩能力越差；相同级配的水泥稳定碎
10、石混合料存在相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量；水泥稳定类材料整体级配越细，干燥收缩越大，级配接近于悬浮结构，干缩性越大，其干缩破坏主要发生在早期；为减小干燥收缩，必须严格控制水泥剂量；级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石混合料，静面压力、激振力等振动参数对达到标准振实状态所需的振动时间影响很大；振动压实成型方式极大的提高了试件的抗压强度，而混合料最大干密度提高相对较小。综上所述，半刚性基层抗裂技术在国内的研究较多，在河南、河北等地方也得到了大面积推广应用，铺筑效果良好，材料路用性能显著提高，但如何将抗裂技术与大厚度摊铺方式进行有机结合以增加水稳基层整体性、提高抗开裂性能，怎样明确压实功与材料密
11、度增长之间的关系及其密度控制方法都还未见相关报道，为此，本文将对这些问题进行深入研究。1.1.2 大厚度摊铺技术公路路面基层施工技术规范指出：采用 1820t 三轮压路机和振动压路机碾压时，煤层的压实厚度不应超过 20cm，碾压厚度超过规定时，应分层摊铺。为此我们将摊铺厚度超过 20cm 的就称之为大厚度。长安大学黄文中等 4进行了“水泥稳定碎石基层压实标准和大厚度压实技术”方面的研究。研究首先以小型手推振动压路机进行碾压的压实方法进行了试验，在分析了水泥稳定级配碎石施工过程分为两层进行摊铺、碾压不足之处后，在结合现有压实标准研究的基础上，通过对振动压实机理分析，对现有压实设备的调查，结合足尺
12、试验结果，研究得出如下结论：影响水泥稳定级配碎石压实效果的主要因素有：振动参数（振动频率、振幅和振动质量）、材料组成（级配、含水量、外加剂）、碾压厚度；压实标准的确定要与施工状况相匹配，室内重型击实与振动压路机的压实机理不同，不能反映现场情况，振动成型法能更好地模拟现场振动压路机的压实过程；室内足尺试验结果表明：水泥稳定碎石在压实功不变状况下，一次成型压实厚度越大，干密度越小，干密度的均匀性越差；在含水量不变的情况下，压实遍数增多，干密度也会随之增长，但是达到一定遍数以后，干密度趋于稳定不再增长；压缩量增大的趋势与干密度一样，当碾压遍数超过一定程度后变小，但变小的值不大，并趋于一个固定值。实质
13、上该试验压实后的水稳最大厚度仅为 20cm，不能较为全面的反应大厚度压实技术的状况。随着工程机械制造工业的快速发展，摊铺机从以前摊铺宽度 3.6m 到现在的 16m，最大摊铺厚度从 10cm 到现在的 60cm；振动压路机的工作质量从 10t发展到 32t，这些都为水泥稳定级配碎石基层大厚度施工提供了基本条件。长安大学李少华等 5进行了“半刚性基层大厚度宽幅摊铺施工技术研究”，研究就大厚度宽幅摊铺中的易离析问题做了较为深入的分析，提出了较多的技术措施，并就大厚度摊铺的技术效益进行了分析比较；引入“车道内数据重复性标准偏差 Sr”、“车道间数据重复性标准偏差 SR”、“车道内数据一致性统计量 K
14、”、“车道间数据一致性统计量 h”四个统计量从横向和纵向上分析和评价宽幅摊铺机的压实功的均匀性，检测结果显示采用宽幅摊铺的基层横向、纵向施工质量比较接近，基层混合料比较均匀。目前半刚性基层大厚度施工技术应用存在局限性，仍有需要完善的技术点，如缺少相应的施工技术控制手段（压实度检测方法、质量评价和验收依据）；松铺系数控制较难；压路机吨位大，模板固定困难等。1.1.3 施工设备发展现状设备方面,由于国外路面结构与我国路面结构有较大的差异，因此国外大厚度的摊铺机并不多见。在大厚度摊铺设备方面，国内宽幅大厚度的摊铺机以长安大学筑路机械研究所与陕西中大机械集团联合研发生产的 DT 系列多功能摊铺为代表，
15、目前生产应用的 DT1600 型多功能摊铺机的最大摊铺宽度为 16m，最大摊铺厚度为 50cm，对于大厚度半刚性基层的摊铺效果较好。长沙理工大学、陕西中大机械集团和景婺黄(常)高速公路建设项目办 6在“大厚度、大宽幅抗离析摊铺应用技术”项目中对中大 DT1400 摊铺机进行了摊铺离析方面的研究，结果表明：摊铺机悬挂臂最高许用频率应不大于 65Hz 为宜，并且在施工过程中应尽量避开悬挂臂结构的固有频率，以免诱发整个悬臂机架系统共振；采用新摊铺机摊铺后，混合料的级配离析以及最终的材料实密度均有很大程度的改善。在压实设备方面，由于对路面的要求越来越高，压路机相应也向大重型方向发展，用于路基路面的压实
16、设备一般都采用大中型振动压路机，在工程施工中，为了提高工程质量，更大吨位的压路机已被使用。大厚度施工方面，陕西大中 YZ32 型和徐工 XS302 型都属于超重吨位振动压路机，对于大厚度半刚性基层的压实具有较好的效果。由于目前大厚度半刚性基层铺筑的应用范围相对有限，大厚度摊铺和压实设备仅有极少数单位生产，但其相关性能已能满足市场需求，关于这一方面，本项目仅从铺筑机械设备配备上予以优化。1.1.4 厚层施工技术实体工程应用近年来，半刚性基层大厚度施工工艺得到了一定程度的应用，如内蒙古沿黄一级公路大路至树林召段全长 120km，采用单层摊铺 32cm 水泥稳定碎石基层，摊铺、压实均匀性较好；贵阳绕
17、城高速公路采用单层铺筑 30cm 水泥稳定碎石基层，昆明机场水泥稳定级配碎石基层进行了 30cm、40cm 的厚层施工试验段，以上项目均由重庆鹏方路面工程技术研究院有限公司提供施工技术咨询服务。此外内蒙古国道 109 线大饭铺至东胜高速公路采用单层摊铺 36cm 水泥稳定碎石基层 8，以及 20072008 年最早在陕西西汉高速和风永项目等，这些项目的摊铺机均采用陕西中大 DT 系列超厚摊铺机和超重压实设备，摊铺和压实效果较好。从后期工程质量来看，达到工程质量要求。综上所述，半刚性基层大厚度施工在国内得到了一定程度的应用，在摊铺工艺和机械设备配备上都积累了一定的技术经验。但目前仍缺乏相对系统的
18、研究，同时实际施工中的一些关键技术问题亟需研究解决，本项目拟将半刚性基层各项技术予以整合优化，提出抗裂性半刚性基层大厚度施工技术，制定相应的技术指南或标准，以便推广和规范化该项技术的应用。1.2 研究内容及技术线路1.2.1 研究内容本项目拟结合已有抗裂型水泥稳定碎石基层相关技术成果，研究大厚度施工条件下的材料特征，分析比较大厚度施工和分层施工对于基层耐久性方面的影响，提出相应的大厚度施工技术、质量控制和验收评价指标，以便推广和规范化该项技术的应用。（1）结合本院抗裂型水泥稳定级配碎石配合比设计研究成果，进行抗裂型水泥稳定级配碎石技术性能研究。（2）与双层水泥稳定碎石（层间水泥浆结合）工艺进行
19、分析比较，理论分析水泥稳定级配碎石基层应力应变特征，进行水泥稳定级配碎石疲劳性试验，分层压实厚度对水泥稳定级配碎石基层的耐久性影响。（3）对大厚度施工碾压设备、碾压工艺、养生、压实度差异控制、现场质量控制、防离析处理措施等进行研究，确定大厚度水泥稳定碎石基层施工技术。（4）对压实度检测方法及现场质量控制方法进行研究，确定大厚度水泥稳定级配碎石基层质量控制与验收评价方法。（5）在上述研究成果的基础上，结合工程的具体情况，进行抗裂型水泥稳定碎石基层大厚度施工，并进行试验段检测，通过取样等方式进行力学性能检测、理论分析等，为前述研究提供必要的信息反馈，也为工程技术经济综合分析提供依据。（6）结合研究
20、成果和实体工程建设情况，对大厚度施工技术进行技术经济综合性分析（与分层施工相比较），作为技术完善和推广应用的依据。本项目的难点和关键点在于：不同压实功条件下材料密度增长趋势，确定压实功与材料密度关系；大厚度施工对水泥稳定碎石耐久性的影响提出压实度差异控制；水泥稳定碎石基层大厚度施工工艺下相应的摊铺、碾压技术；压实度检测方法与控制标准。1.2.2 技术路线技术路线图如下图所示:压实功与密度的关系压实功与密度的关系材料密度控制方法材料密度控制方法压实度差异控制压实度差异控制大 厚 度施工对水泥稳定碎石耐久性的影响大 厚 度施工对水泥稳定碎石耐久性的影响大厚度施工技术研究大厚度施工技术研究压实度检测方法与控制标准压实度检测方法与控制标准技术经济分析技术经济分析实体工程应用实体工程应用基于大厚度施工的抗裂型水泥稳定碎石基层特征基于大厚度施工的抗裂型水泥稳定碎石基层特征图 1.1 技术路线图
