半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪的養(yǎng)生方法

趙 倫，王選倉，宋 亮，2，陸 軍，張 爍

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006；3.新疆交通建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

中國高等級(jí)公路設(shè)計(jì)中，水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)厚度一般均超過30 cm，傳統(tǒng)的施工方法是采用分層不連續(xù)攤鋪工藝，即攤鋪一薄層半剛性基層后，土工布灑水養(yǎng)生7 d，再攤鋪下一基層[1]。工程實(shí)踐表明，這種傳統(tǒng)施工方法存在一定的不合理性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：施工周期長；上基層施工會(huì)對(duì)下基層造成一定程度的損傷；層間黏結(jié)效果差[2-3]。同時(shí)，傳統(tǒng)攤鋪方式養(yǎng)生濕度很難控制，差異性大，增加了基層出現(xiàn)干縮裂縫的可能性[4-6]。

中國北方地區(qū)冬季寒冷且漫長，甚至有的地方年平均氣溫在0 ℃以下?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)規(guī)定水穩(wěn)基層的施工溫度不低于5 ℃，意味著北方寒冷地區(qū)基層的施工期不到4個(gè)月，嚴(yán)峻的施工條件更加放大了傳統(tǒng)施工方法施工周期長的缺點(diǎn)[7-9]。

為解決以上問題，半剛性雙層連續(xù)攤鋪施工技術(shù)逐步在中國道路施工中被重視。所謂半剛性基層連續(xù)攤鋪施工技術(shù)，即在下基層施工完畢的基礎(chǔ)上，跳過土工布灑水養(yǎng)生階段，直接進(jìn)行下一層的攤鋪碾壓。針對(duì)傳統(tǒng)施工技術(shù)，雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：施工周期短；施工造價(jià)低；層間結(jié)合效果好；機(jī)械利用率高[10-11]。因此，半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)勢(shì)必會(huì)在未來道路基層施工中占有重要地位。然而，雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)的基層養(yǎng)生厚度較傳統(tǒng)養(yǎng)生更厚，最大可達(dá)50 cm，對(duì)基層養(yǎng)生造成不便，這使得對(duì)大厚度基層的養(yǎng)生方法進(jìn)行研究尤為重要[12]；同時(shí)，在厚基層下，水分的滲透作用作為水泥水化作用的關(guān)鍵因素也尤為明顯[13]。因此，本文結(jié)合水穩(wěn)滲透模型試驗(yàn)及現(xiàn)場滲透試驗(yàn)，對(duì)厚基層灑水養(yǎng)生方法進(jìn)行研究。

1 大厚度水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生工藝選擇

1.1 水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生工藝分析

目前水泥穩(wěn)定碎石基層的養(yǎng)生方式主要有瀝青乳液養(yǎng)生、灑水養(yǎng)生、塑料布覆蓋養(yǎng)生、滲水土工布覆蓋養(yǎng)生、草簾或麻袋覆蓋養(yǎng)生等。為了得到適用于雙層連續(xù)攤鋪的養(yǎng)生方式，對(duì)各種養(yǎng)生工藝的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

1.2 大厚度水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生工藝選擇

對(duì)于大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層來說，養(yǎng)生過程中要保證全厚度范圍內(nèi)溫濕相差不能過大。通過對(duì)上述常用的養(yǎng)生工藝的對(duì)比分析可以看出：瀝青乳液養(yǎng)生費(fèi)用高，基面層間結(jié)合狀態(tài)差，惟一的優(yōu)點(diǎn)在于簡單方便；灑水養(yǎng)生施工工序簡單、易操作，但要達(dá)到大厚度基層的養(yǎng)生條件，會(huì)大大增加養(yǎng)生用水量，且外界環(huán)境條件對(duì)基層強(qiáng)度和耐久性影響很大；草簾或麻袋養(yǎng)生適用在氣溫較低的時(shí)候，能起到保溫作用，但其本身材質(zhì)易腐爛，不僅會(huì)造成基層表面污染，也會(huì)影響基層養(yǎng)生質(zhì)量；滲水土工布透氣性好、透水能力強(qiáng)且具有較好的保水性，養(yǎng)生效果好，但是造價(jià)稍高；塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生造價(jià)低、施工簡單，但不透氣，養(yǎng)生期間補(bǔ)水難度大[14-16]。

表1 各種養(yǎng)生工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

通過比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，滲水土工布養(yǎng)生方法的養(yǎng)生質(zhì)量高，且造價(jià)可以接受，因此宜選用滲水土工布灑水進(jìn)行養(yǎng)生，如圖1所示。

圖 1 土工布覆蓋

1.3 滲水土工布養(yǎng)生工藝要求

(1)滲水土工布材料性質(zhì)要求。土工布是由合成纖維通過相應(yīng)的編制或針刺形成的合成材料。根據(jù)其材料特質(zhì)并結(jié)合北方寒冷地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)及基層養(yǎng)生施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用滲水土工布作為基層養(yǎng)護(hù)用材料時(shí)，首先應(yīng)保證其具有良好的透水性和透氣性；同時(shí)保水性要好，以利于養(yǎng)生濕度控制；材料要耐老化、耐腐蝕，尤其高溫性能要好，且要求質(zhì)量輕、延展性好，便于鋪設(shè)運(yùn)送及施工。

(2)土工布鋪設(shè)施工要求。在水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層碾壓成型并經(jīng)檢測(cè)壓實(shí)度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，現(xiàn)場施工人員即可進(jìn)行基層滲水土工布覆蓋養(yǎng)生。為避免北方地區(qū)風(fēng)沙天氣的影響，基層縱、橫斷面每隔5 m間隔擺放一袋裝有沙土的塑料袋，以防土工布移動(dòng)，影響基層表面平整度[17]。

養(yǎng)生要本著邊覆蓋邊養(yǎng)生的原則進(jìn)行，當(dāng)滲水土工布覆蓋長度超過50 m的時(shí)候，灑水車即可進(jìn)行表面灑水。作業(yè)期間灑水車的行駛速度不宜過快，不能超過20 km·h-1。這是因?yàn)椋翰荒芤蛉藶橐蛩赜绊懟鶎幼罱K質(zhì)量的形成；行駛速度影響飽水量，過快不能達(dá)到要求的濕度；避免輪胎與土工布黏合，影響平整度。

養(yǎng)生期間要始終保持滲水土工布表面潮濕。每次補(bǔ)水時(shí)，應(yīng)照顧到路面邊角、邊部和結(jié)構(gòu)物臺(tái)背等灑水車難以灑到的地方。養(yǎng)生期結(jié)束后，取走土工布上的塑料袋，運(yùn)往下一個(gè)路段進(jìn)行循環(huán)使用。

(3)基層表面養(yǎng)生期要求。按照規(guī)范規(guī)定，當(dāng)水穩(wěn)碎石基層碾壓完成后，養(yǎng)生7 d。養(yǎng)生期內(nèi)，除補(bǔ)水施工車輛外，要封閉交通，當(dāng)基層初期強(qiáng)度達(dá)到要求后，開始面層施工或者開放交通。對(duì)于低等級(jí)公路或者受客觀條件影響不得不開放交通的，應(yīng)對(duì)車輛進(jìn)行限制通行，考慮基層平整度要求，通行速度不得超過30 km·h-1。

2 水穩(wěn)碎石基層滲透模型

2.1 滲透系數(shù)影響因素分析

滲透系數(shù)k來源于水文地質(zhì)學(xué)，通常又稱水力傳導(dǎo)率，用來表征流體通過存在孔隙的骨架的難易程度。在公路工程領(lǐng)域，通常是表征材料的排水性能。因其量綱與速率量綱一致，也可以理解為材料的排水速率。滲透系數(shù)的大小一方面取決于土體的性質(zhì)，另一方面也取決于流體的性質(zhì)。不同性質(zhì)的土體滲透系數(shù)差異性很大。

土體性質(zhì)中影響滲透系數(shù)的因素有很多，如顆粒尺寸大小、孔隙率、礦物組成以及飽和度等。一般來說，潔凈的粗集料滲透系數(shù)往往能達(dá)到35 cm·s-1，細(xì)粒土的滲透系數(shù)在9～10 cm·s-1左右。顆粒尺寸是影響滲透系數(shù)的主要因素，顆粒越小，壓實(shí)后顆粒之間的孔隙也越小。因此，土體的滲透性與顆粒大小成反比關(guān)系。對(duì)于水穩(wěn)碎石基層，水泥劑量的大小也是影響滲透性的重要因素。建立起滲透系數(shù)與水穩(wěn)基層顆粒大小、水泥劑量、細(xì)集料含量等因素之間的擬合關(guān)系，能夠?qū)λ€(wěn)基層養(yǎng)生提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

莫爾頓等人通過滲透理論研究，主要考慮材料孔隙率、0.075 mm細(xì)集料含量以及有效粒徑(D10)的影響，提出了材料滲透系數(shù)的估算公式，即

(1)

2.2 水穩(wěn)碎石基層滲透試驗(yàn)分析及滲透模型建立

為了建立起水穩(wěn)碎石基層滲透模型，通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)，對(duì)水泥含量為3%～5%、試件高度為10～20 cm、0.075 mm篩通過百分?jǐn)?shù)為2.5%～3.5%的不同混合料制備的試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)(圖2)，檢測(cè)其滲透系數(shù)并計(jì)算孔隙率，結(jié)果如表2所示。

圖2 室內(nèi)滲水試驗(yàn)

通過1stopt軟件進(jìn)行回歸計(jì)算，得到滲透系數(shù)k與孔隙率n、水泥含量c、滲透深度h及0.075 mm篩通過百分?jǐn)?shù)P200之間的關(guān)系，即

表2 室內(nèi)滲水試驗(yàn)結(jié)果

(2)

從式(2)計(jì)算得R2=0.97，說明自變量(滲透系數(shù))與因變量(孔隙率、水泥含量等)之間有良好的相關(guān)性。

3 大厚度基層灑水養(yǎng)生現(xiàn)場滲透試驗(yàn)

為了準(zhǔn)確測(cè)量灑水養(yǎng)生過程中水分的下滲深度，在試驗(yàn)段進(jìn)行了現(xiàn)場滲水試驗(yàn)。

使用口徑為10 cm的量筒量取1 000 mL紅墨水，在基層鋪筑完成并養(yǎng)生1 d后進(jìn)行試驗(yàn)：將量筒倒置在路面上，待紅墨水均勻滲入基層中，測(cè)量下滲時(shí)間，并用百格紙計(jì)算滲透面積，然后采用挖土機(jī)將路面掘開一個(gè)端面，測(cè)量紅墨水的下滲深度?，F(xiàn)場試驗(yàn)如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖3 現(xiàn)場滲水試驗(yàn)

表3 滲水試驗(yàn)

4 雙層連續(xù)攤鋪基層養(yǎng)生措施

雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)上下基層基本上同步發(fā)生水泥水化反應(yīng)，為了保證基層強(qiáng)度的順利形成，水穩(wěn)碎石基層現(xiàn)場養(yǎng)生主要采取覆蓋灑水養(yǎng)生，通過保持覆蓋層處于濕潤狀態(tài)，達(dá)到飽水養(yǎng)生的目的。通過上述滲水模型可以計(jì)算得出，試驗(yàn)段水穩(wěn)基層的滲透系數(shù)約為0.027 cm·s-1，即水分從基層表面滲透至基層底面需要大約20 min。因此，應(yīng)當(dāng)在第一次灑水20 min后對(duì)覆蓋層進(jìn)行補(bǔ)水，此后始終保持覆蓋層表面處于濕潤狀態(tài)即可。

(1)路基界面灑水要求。采用1臺(tái)灑水車在攤鋪下層前對(duì)路基表面灑水，使路基表面處于潮濕狀態(tài)。

灑水車應(yīng)在正式攤鋪前1 h進(jìn)行灑水，并控制灑水量，避免因?yàn)⑺^多造成路基表面積水，影響混合料的運(yùn)輸。

(2)上下層界面灑水要求。下層碾壓終了立即對(duì)下層表面進(jìn)行灑水，使下層表面處于潮濕但無明水狀態(tài)。

應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)下基層進(jìn)行灑水時(shí)，灑水車裝水量應(yīng)小于總?cè)萘康?/3，并以較慢的速度行駛，禁止在下基層掉頭，轉(zhuǎn)彎角度應(yīng)小于30°，以減小灑水車對(duì)下層的擾動(dòng)。

(3)覆蓋與封閉交通。上層施工終了應(yīng)立即進(jìn)行灑水并覆蓋土工布，養(yǎng)生7 d。整個(gè)養(yǎng)生期間應(yīng)始終保持穩(wěn)定土層表面潮濕，每天灑水的次數(shù)視氣候條件而定。養(yǎng)生期間，除灑水車外，封閉交通。

5 結(jié) 語

通過建立水泥穩(wěn)定碎石基層滲透模型和進(jìn)行室內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石基層滲透試驗(yàn)，得出了滲透系數(shù)k的關(guān)系公式；根據(jù)現(xiàn)場灑水養(yǎng)生試驗(yàn)，提出了雙層連續(xù)攤鋪基層的合理養(yǎng)生措施。

(1)對(duì)比分析了水穩(wěn)基層養(yǎng)生工藝，得到適宜于北方地區(qū)的滲水土工布雙層連續(xù)攤鋪養(yǎng)生措施。

(2)針對(duì)不同水泥含量、試件高度進(jìn)行了水穩(wěn)碎石基層滲水試驗(yàn)，得出滲透系數(shù)k與孔隙率n、水泥含量c、滲透深度h及0.075 mm篩通過百分?jǐn)?shù)P200之間的關(guān)系式。

(3)現(xiàn)場進(jìn)行灑水滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明一次灑水滲水深度在26 cm左右。

(4)基于試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際情況，提出了合理的雙層連續(xù)攤鋪養(yǎng)生措施。