水泥穩(wěn)定砂礫基層裂縫防治方案在墾區(qū)公路建設(shè)中的應(yīng)用研究

于照海

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 烏魯木齊市 830002)

0 引言

水泥穩(wěn)定類半剛性基層是高等級(jí)公路的典型結(jié)構(gòu)，具有成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但路基材料和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定受氣候環(huán)境影響較大，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)或氣候特殊地域，受晝夜溫差、雨雪凍融影響，水泥穩(wěn)定類半剛性基層道路鋪筑技術(shù)還有待進(jìn)一步研究和提升[1-3]。孫宇航[4]以吉林某路段工程施工為依托，采用了30%摻量的砂礫進(jìn)行穩(wěn)定基層的材料特性和施工工藝研究。李國(guó)嬡[5]研究了水泥穩(wěn)定砂礫材料的配合比設(shè)計(jì)對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律，認(rèn)為密實(shí)型骨架結(jié)構(gòu)更有利于砂礫材料的抗裂強(qiáng)度；羅燕[6]研究了不同水泥劑量對(duì)砂礫碎石材料的穩(wěn)定作用及強(qiáng)度影響規(guī)律，總結(jié)了砂礫碎石基層施工的工藝要求。許世勇[7]研究了低水泥劑量下砂礫碎石材料的力學(xué)性能，通過回彈模量測(cè)定探究了適宜的水泥劑量摻配范圍。白明舉[8]研究了不同水泥劑量及砂礫摻量下基層碎石材料的抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等，認(rèn)為低水泥劑量砂礫碎石材料性能達(dá)到路用標(biāo)準(zhǔn)；劉書君[9]研究了重載交通環(huán)境下砂礫碎石基層的力學(xué)影響變化規(guī)律，認(rèn)為砂礫碎石的材料和級(jí)配對(duì)于基層結(jié)構(gòu)的影響較大；汪生忠[10]研究了砂礫碎石基層在戈壁荒漠地區(qū)的應(yīng)用概況，并結(jié)合施工工藝提出了裂縫防治技術(shù)。相關(guān)研究表明基層裂縫的開展與砂礫材料的性能、配合比設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)工藝等直接有關(guān)，相關(guān)研究?jī)H圍繞影響碎石材料性能的某一劣化因素進(jìn)行研究，缺乏系統(tǒng)性的整體結(jié)論[11-12]。本研究結(jié)合墾區(qū)公路砂礫碎石基層的建設(shè)，系統(tǒng)地探究水泥劑量、成型方式、養(yǎng)生條件、壓實(shí)條件、道路結(jié)構(gòu)等因素對(duì)砂礫碎石基層材料的性能影響規(guī)律，總結(jié)水泥穩(wěn)定砂礫基層裂縫防治關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

甘莫公路，即第六師G216甘泉堡～第八師148團(tuán)西營(yíng)鎮(zhèn)公路，位于新疆昌吉州境內(nèi)，是墾區(qū)內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)膭?dòng)脈和對(duì)外交通的基礎(chǔ)，是北疆地區(qū)、昌吉州及第六師公路網(wǎng)的重要組成部分。本水穩(wěn)基層試驗(yàn)段屬于第六師G216線甘泉堡—148西營(yíng)公路道路工程第二合同段。試驗(yàn)段起點(diǎn)樁號(hào)K34+600，終點(diǎn)樁號(hào)為K37+000。路線全長(zhǎng)2400m。

1.2 試驗(yàn)路方案

研究根據(jù)莫干公路的砂礫碎石基層路段施工進(jìn)行試驗(yàn)段材料性能研究，路面結(jié)構(gòu)如圖1所示，碎石材料的級(jí)配組成如圖2所示。試驗(yàn)采用調(diào)整水泥劑量(3.0%～5.0%)的方式設(shè)計(jì)了8個(gè)不同方案的試驗(yàn)路段，具體方案如表1所示。在4.0%水泥劑量正常路段下，分別采用正常灑水養(yǎng)生、塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生、灑布透層油養(yǎng)生三種養(yǎng)生方案探究對(duì)砂礫碎石材料的性能影響。

圖1 試驗(yàn)段橫斷面示意圖

圖2 砂礫碎石基層材料級(jí)配設(shè)計(jì)

表1 試驗(yàn)路方案

1.3 試驗(yàn)段養(yǎng)護(hù)與取芯

本試驗(yàn)段自攤鋪完成，各項(xiàng)工序結(jié)束后，施工單位組織有關(guān)人員和機(jī)械按預(yù)定的養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，且在養(yǎng)護(hù)過程中在試驗(yàn)段兩頭分別設(shè)路障，禁止養(yǎng)護(hù)期間除灑水車以外其他車輛的通行，試驗(yàn)段上各分段落具體位置如表2所示。

本試驗(yàn)段養(yǎng)護(hù)完成后，施工人員對(duì)基層進(jìn)行了觀察，各種水泥含量的基層均未發(fā)現(xiàn)有開裂情況，養(yǎng)護(hù)期后各基層平整，無松散、起包等現(xiàn)象，總體情況良好。0%水泥含量基層(級(jí)配碎石基層)芯樣無法成型。3%水泥含量芯樣共取9次，有2個(gè)無法成型，芯樣成型情況不是太好。4%和5%水泥含量芯樣可以成型但均有不同程度破損。

2 水泥穩(wěn)定砂礫碎石材料性能研究

2.1 水泥劑量及成型方式對(duì)強(qiáng)度的影響分析

研究將不同水泥劑量和不同成型方式下砂礫碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

將上述抗壓強(qiáng)度均值和代表值繪制成圖分析，如圖3、圖4所示。

圖4 碎石材料抗壓強(qiáng)度代表值

由圖3、圖4及表3可以看出：隨著水泥劑量增大，不同條件下水泥穩(wěn)定砂礫混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也不斷增大；室內(nèi)由于精心控制級(jí)配和水泥劑量，最終混合料的強(qiáng)度相對(duì)較高。當(dāng)水泥劑量超過4.0%時(shí)，水泥穩(wěn)定砂礫混合料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值基本滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》二級(jí)公路基層7d無側(cè)限強(qiáng)度代表值不小于2.5MPa的要求。從試件成型條件對(duì)強(qiáng)度的影響角度來看，由于室內(nèi)級(jí)配控制良好，各水泥劑量時(shí)，三種條件強(qiáng)度均值的變化規(guī)律基本一致，即室內(nèi)試驗(yàn)值>料場(chǎng)取料成型試件值>鉆芯取樣值。

2.2 養(yǎng)生條件對(duì)強(qiáng)度的影響分析

研究對(duì)試驗(yàn)段落中三種不同養(yǎng)生方式(自然灑水、灑布乳化瀝青及鋪設(shè)塑料薄膜)混合料強(qiáng)度的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖5所示。

表4 不同養(yǎng)生方式試驗(yàn)段強(qiáng)度對(duì)比(水泥劑量4.0%)

圖5 不同養(yǎng)生方式下碎石材料強(qiáng)度

上述研究表明：自然灑水與灑鋪乳化瀝青養(yǎng)生后的強(qiáng)度均值基本一致，鋪設(shè)塑料薄膜養(yǎng)生后的強(qiáng)度值則高于前兩者。以強(qiáng)度均值為例，鋪設(shè)塑料薄膜的碎石材料強(qiáng)度為2.80MPa，相較于前兩者，分別提升了4.45%和2.38%。其主要原因是，薄膜覆蓋可以保持水穩(wěn)砂礫碎石材料內(nèi)部分的水分，水泥在充分的水分含量下材料盡可能地進(jìn)行水化反應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)碎石材料的整體強(qiáng)度。因此，如果有條件，盡量采用薄膜覆蓋的養(yǎng)生方法，否則可采取撒布乳化瀝青覆蓋養(yǎng)生法。

2.3 不同壓實(shí)程度對(duì)強(qiáng)度的影響分析

從理論計(jì)算和已有研究看，不同的壓實(shí)度對(duì)應(yīng)混合料的強(qiáng)度應(yīng)有所不同。對(duì)超壓試驗(yàn)段和正常碾壓試驗(yàn)段鉆芯取樣后的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同壓實(shí)程度試驗(yàn)段強(qiáng)度對(duì)比(水泥劑量3.0%，自然灑水養(yǎng)生)

由表5可以看出：超壓段的強(qiáng)度值高于正常段，超壓段將砂礫材料進(jìn)行密實(shí)碾壓，有效控制了砂礫材料的穩(wěn)定性，適用于北方特殊環(huán)境地區(qū)基層路段施工。因此在路面施工過程中，可通過采用大噸位壓實(shí)機(jī)械，提高一定的壓實(shí)度來提高水泥穩(wěn)定碎石(礫石)混合料的強(qiáng)度。

2.4 不同結(jié)構(gòu)與水穩(wěn)砂礫基層強(qiáng)度

對(duì)于正常路段、切縫加鋪土工格柵段及結(jié)構(gòu)層倒置段三種不同結(jié)構(gòu)，通過取芯比較了試樣的強(qiáng)度，如表6所示。

表6 不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段強(qiáng)度對(duì)比(水泥劑量4.0%，自然灑水養(yǎng)生)

由表6可以看出，各段落水穩(wěn)砂礫基層混合料的強(qiáng)度相差不大。但由于水穩(wěn)砂礫混合料所處層位與路面頂面的相對(duì)位置不同，路面的整體強(qiáng)度在設(shè)計(jì)過程中有顯著差異。

2.5 基層彎沉試驗(yàn)與分析

研究對(duì)8個(gè)不同試驗(yàn)段的水泥穩(wěn)定砂礫基層進(jìn)行彎沉值的測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 各試驗(yàn)段基層彎沉均值

對(duì)于基層頂面彎沉，倒裝結(jié)構(gòu)由于級(jí)配礫石層的存在導(dǎo)致基層頂面的彎沉最大；隨著水泥劑量的增大，基層頂面彎沉總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但4%水泥劑量水穩(wěn)砂礫基層和5%水泥劑量水穩(wěn)砂礫基層頂面彎沉總體相差不大。

2.6 裂縫觀察

甘莫公路施工完畢后，對(duì)上述8種不同類型試驗(yàn)段進(jìn)行裂縫檢查，檢查結(jié)果如表8所示。

表8 裂縫觀測(cè)匯總表

裂縫較少而且寬度、長(zhǎng)度較短的是薄膜養(yǎng)生、灑粘層油養(yǎng)生以及級(jí)配礫石倒裝結(jié)構(gòu)。因級(jí)配礫石倒裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在一定的問題，建議慎用。此外因面層較薄，粘層油段有泛油現(xiàn)象，因此要控制灑布量；灑水養(yǎng)生裂縫數(shù)量明顯多于上述兩者養(yǎng)生手段，說明養(yǎng)生方式是影響裂縫的重要因素；對(duì)統(tǒng)一采用灑水養(yǎng)生但水泥劑量不同的路段，裂縫數(shù)量相差很少。根據(jù)施工期間的檢測(cè)結(jié)果來看，水泥劑量沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)級(jí)配來，施工控制不是很好，因此盡管原則上降低水泥劑量、控制礦料級(jí)配是一種比較認(rèn)可的防裂方法，但實(shí)際操作困難，建議仍以滿足最低強(qiáng)度要求來設(shè)計(jì)水泥用量。

3 結(jié)語

本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)論和研究成果，鋪設(shè)了8種方案合計(jì)2.4km的試驗(yàn)段，分別實(shí)現(xiàn)了不同水泥劑量(3種)、不同養(yǎng)生條件(3種)、不同處治方法(正常、切縫鋪設(shè)土工材料)、倒裝結(jié)構(gòu)等不同情況下半剛性基層瀝青路面的施工工藝、質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測(cè)方法。通過試驗(yàn)段的鋪筑，發(fā)現(xiàn)了施工過程中存在的問題，通過問題的溝通和解決，提高了施工工藝和施工質(zhì)量管理水平；通過試驗(yàn)段的質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)的使用狀況進(jìn)行了分析，提出了提高水穩(wěn)砂礫基層質(zhì)量的有效建議。