水泥穩(wěn)定碎石基層的澆注成型施工工藝

王曉翠,王曉利

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231；2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

隨著中國公路交通事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,公路建設(shè)對(duì)道路的施工和使用性能提出了更高的要求。半剛性基層路面結(jié)構(gòu)層不但能提供重載車輛必需的承載能力,也具有良好的整體性和穩(wěn)定性。但是半剛性材料的強(qiáng)度形成需要足夠長的時(shí)間,早期強(qiáng)度低,基層施工完畢較長一段時(shí)間后,才可進(jìn)行路面工程的施工。同時(shí)，由于半剛性基層所用的都是收縮性較大的材料,也由于我國絕大多數(shù)道路的瀝青路面又都是薄瀝青面層,所以我國道路上瀝青路面的裂縫特別嚴(yán)重[1]。因此，我們將自行研制的氟鋁酸鈣和硫鋁酸鈣礦物相噴射水泥用于水泥穩(wěn)定類基層材料,該水泥不僅具有速凝、早強(qiáng)特性,而且具有微膨脹性,可以加速公路施工速度,減少路基收縮問題。

浙江省多為山地,越來越多的公路建于山區(qū)之中。傳統(tǒng)的施工方法中心站集中廠拌法施工的廠拌設(shè)備都是安裝在固定地點(diǎn)作業(yè),且裝置多,整機(jī)龐大,占地面積較大[2]。在山區(qū)修建公路時(shí),由于場地的限制,建立攪拌站不太方便,而且施工完一段路段后,攪拌站的地點(diǎn)也得隨之改變,這樣勢必增加施工的難度和成本。在實(shí)體工程中,傳統(tǒng)的施工方法要求水泥有較長的凝結(jié)時(shí)間,以滿足施工組織的要求，而噴射水泥的凝結(jié)比普通水泥要快。因此,為了縮短施工組織時(shí)間,考慮施工工藝的改進(jìn)是有必要的。鑒于此,基層材料不再采取廠拌法施工工藝,而是采取現(xiàn)場澆注成型施工工藝：先將骨料直接鋪到路面上,再將粘結(jié)材料澆注到骨料中,最后，通過壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)形成路基。

1 原材料

1.1 水泥

水泥為自行研制的氟鋁酸鈣和硫鋁酸鈣礦物相噴射水泥,各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 噴射水泥的基本性質(zhì)

1.2 石料

石料采用連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石。按照《公路工程集料實(shí)驗(yàn)規(guī)程(JTGE42—2005)》中的實(shí)驗(yàn)方法,經(jīng)測定,石料的技術(shù)指標(biāo)見表2,滿足《公路基層施工技術(shù)規(guī)范(JTJ034—2000)》中石料的要求。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

2 澆注材料的試驗(yàn)研究

澆注成型工藝應(yīng)具有的特點(diǎn)是：一是澆注料漿應(yīng)具有良好的流動(dòng)性,以便于澆注；二是澆注材料可將高比例水凝結(jié)為固體結(jié)晶體,從而使?jié)沧⒘蠞{在一般濃度條件下不脫水而變成固體。因此，為了滿足澆注成型的要求,澆注材料應(yīng)具有含水量高、固水早強(qiáng)等特點(diǎn)。使材料水化后形成具有32個(gè)結(jié)晶水的水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)是完全能滿足上述要求的[3]。同時(shí),為了提高漿體的流動(dòng)性,并使?jié){體形成最佳針狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的鈣礬石,宜在配料中加入石膏和石灰,并增大水灰比。

2.1 澆注材料的配比

為了提高漿體的流動(dòng)性,同時(shí)使?jié){體形成最佳針狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的鈣礬石,試驗(yàn)得到澆注材料的最佳配比為：噴射水泥∶天然硬石膏∶石灰或熟石灰=50%∶35%∶15%。

2.2 澆注材料的含水量

采用澆注成型工藝要求澆注料漿的流動(dòng)性較大,而由干密度擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水量不能滿足澆注成型工藝所要求的流動(dòng)性,因此，有必要研究并確定澆注成型工藝中澆注材料合適的含水量。

以干密度擊實(shí)試驗(yàn)所確定的最佳含水量作為含水量的下限,試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 材料的最大干密度和最佳含水量

根據(jù)水的下限增加水的用量,為了提高拌和物的流動(dòng)性,加入0.8%的減水劑(占水泥質(zhì)量的百分比),然后由澆注法振動(dòng)成型為Φ150 mm×h150 mm圓柱型試件,最后置于(20±2)℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行濕氣養(yǎng)生。到達(dá)7 d齡期時(shí),測定試件抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表4。

表4 材料在不同含水量時(shí)的7 d抗壓強(qiáng)度(MPa)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以確定,當(dāng)混合料配比為5∶95時(shí),取澆注材料的含水量為6.8%,則澆注材料的水灰比為6.8/5=1.36。

2.3 漿體的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間

由于澆筑材料的水灰比高達(dá)1.36,水占水泥漿體的體積達(dá)50%～60%,所以漿體在使用時(shí)具有很好的流動(dòng)性,有利于澆注成型工藝的施工。

測得澆注材料的初凝時(shí)間為35 min,終凝時(shí)間為70 min。

3 施工方法的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

對(duì)于澆注成型施工工藝,實(shí)驗(yàn)室制定了幾種不同的成型試驗(yàn)方案。

方案一：將集料一次全部加入試模內(nèi),集料振實(shí)后再將澆注料漿澆入,然后放到振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)成型。

方案二：將集料分批加入試模內(nèi),每層厚度約為100 mm,每次加入集料后,將集料重型擊實(shí)后再將料漿澆入重型擊實(shí),然后再加入下一批集料,采取同樣的方法將其制成試塊。

方案三：將集料分批加入試模內(nèi),每層厚度約為100 mm,每次加入集料后,將集料振實(shí)后再將料漿灌入振實(shí),然后再加入下一批集料,采取同樣的方法最終將其制成試塊。

方案四：同樣每層厚度約為100 mm,每次加入集料后,不再振實(shí)或壓實(shí),直接澆注料漿,然后再加入第二批集料,再澆料漿,如此這般分批分別加入集料和料漿,最后一次振動(dòng)成型。

3.2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果見表5及圖1～4。

表5 不同方案成型結(jié)果

方案一采取一次加料成型,澆注料漿不能很好的澆注到底部,試塊底部只有少量的料漿到達(dá),導(dǎo)致試塊底部容易脫落,成型效果很差,見圖1。方案二采取了分批成型的方法,但采取重型擊實(shí)法使得澆注不夠均勻,澆注效果不夠理想,雖然能夠成型,但有些薄弱環(huán)節(jié)還是容易脫落,見圖2。方案三每次加入集料后都要先將集料振實(shí)再加入澆注料漿,集料在沒有料漿的狀態(tài)下進(jìn)行振實(shí),這使得集料離析現(xiàn)象嚴(yán)重,小顆粒都分布到試塊下部,大顆粒聚集到試塊上部,相當(dāng)?shù)牟痪鶆?見圖3。方案四采取分批加完后一次振實(shí),由于加入的料漿很大一部分已經(jīng)灌入到集料中去,在振實(shí)的過程中澆注料漿對(duì)集料產(chǎn)生了一定的阻力,這大大減少了骨料的離析現(xiàn)象,見圖4。

圖1 試驗(yàn)方案一結(jié)果

圖2 試驗(yàn)方案二結(jié)果

圖3 試驗(yàn)方案三結(jié)果

圖4 試驗(yàn)方案四結(jié)果

綜合以上試驗(yàn)現(xiàn)象及分析,確定方案四為最佳成型方案,在以下的試驗(yàn)中均采取方案四成型。

4 強(qiáng)度試驗(yàn)

將攪拌成型與澆注成型工藝制作的基層材料進(jìn)行比較,進(jìn)行路用性能測試的試件利用室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)按方案四成型。試驗(yàn)采用配合比為5∶95,將集料與澆注料漿分批裝模,澆注法成型，飽濕養(yǎng)生至規(guī)定齡期,然后測定不同養(yǎng)生齡期試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 兩種工藝噴射水泥穩(wěn)定碎石不同齡期的抗壓強(qiáng)度(MPa)

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出,采用澆注成型工藝后,雖然混合料的強(qiáng)度有所降低,但噴射水泥穩(wěn)定碎石類基層材料3 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.1 MPa,7 d強(qiáng)度可達(dá)3.2 MPa,7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已達(dá)到《公路工程基層施工規(guī)范(JTJ034—2000)》中的水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度要求。

5 結(jié) 語

1)通過對(duì)澆注材料的研究,施工工藝的改進(jìn),將攪拌靜壓成型改為澆注振動(dòng)成型,可以避免混合料的攪拌,簡化施工工藝,加速施工速度。

2)采用澆注振動(dòng)成型工藝后,雖然混合料的強(qiáng)度有所降低,但噴射水泥穩(wěn)定碎石類基層材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)3.2 MPa,已達(dá)到現(xiàn)行《公路工程基層施工規(guī)范(JTJ034—2000)》中的水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度要求。

[1] 劉清芳,蔣甫,應(yīng)榮華.水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的抗裂性能分析[J].中南公路工程,2004, 29(2):73-77．

[2] 宣國梁,李進(jìn)三.道路施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,1999．

[3] 孫恒虎,劉文永.高水固結(jié)充填采礦[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998．