PFWD快速檢測評價半剛性基層壓實質量的應用研究

馮葉斌

(廣東省交通運輸建設工程質量檢測中心,廣東 廣州 510080)

截至2021年,我國高速公路通車里程已超過14萬千米,其中95%以上采用半剛性基層瀝青路面結構型式。隨著這種路面結構型式持續(xù)和廣泛應用,由施工過程壓實不足引起的路面結構早期病害問題頻發(fā),經實地調查和分析,半剛性基層壓實度未嚴格控制是一個重要的原因[1-2]。

針對上述問題,劉俊鋒等[3]利用PFWD評價路基模量的均勻性和施工質量,結果表明PFWD能夠有效反映路基施工質量的均勻性。應榮華等[4]針對改擴建新舊路基變形協(xié)調問題,通過PFWD對新舊路基進行了檢測,得到了新舊路基回彈模量值及其差異,表明PFWD在新舊路基測試中可取得良好的測試效果。孫兆林等[5]采用PFWD法研究了改性處理后的拜耳法赤泥路基填料動態(tài)和靜態(tài)模量特性。吳琛等[6]開展了PFWD在高速公路柔性基層離析和施工控制方法方面的應用研究,利用PFWD檢測了級配碎石柔性基層的回彈模量分布情況,結果表明級配碎石柔性基層回彈模量可有效反映柔性基層離析問題。

然而,目前的研究均集中于PFWD在路基和級配碎石基層質量檢測和評價應用,未見PFWD在半剛性基層壓制質量檢測和評價方面的研究。因此,本文依托開陽高速公路月山連接線半剛性基層試驗段對此開展了研究。

1 試驗設計

1.1 水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比

1)原材料。礦料:集料為井坑石場生普通石灰?guī)r碎石,粗集料共分為19～26.5mm,9.5～19 mm,4.75～9.5mm,細集料為0～4.75mm,級配見表1。水泥:廣東廣信青洲水泥有限公司生產的P.O42.5水泥。水:自來水。原材料質量均滿足規(guī)范[7]要求。

表1 各種礦料和合成級配的篩分結果

2)級配設計。按照規(guī)范[7]要求設計水泥穩(wěn)定碎石的級配,其各級篩孔(方孔篩)通過率見表1。

3)配合比。按照規(guī)范[7]要求進行配合比設計,得到各粒徑碎石比例、水泥劑量和最佳含水率見表2。

表2 月山連接線水泥穩(wěn)定碎石基層施工配合比

1.2 試驗方案

根據目標壓實度為99%、98%和96%設計了三種碾壓方案,試驗段施工時以30 m為一個碾壓段、10 m為一個間隔距離利用測點檢測,每個碾壓段內共有9個測點,并編號為壓實1～3區(qū)、測點1～9,對壓實區(qū)內每個測點用油漆記錄好編號,在水穩(wěn)基層攤鋪完成后立即利用PFWD檢測測點處模量,檢測時間控制在水穩(wěn)拌和樓出料后6 h內,然后按規(guī)范[8]要求采用挖坑灌砂測試壓實度方法利用壓實度檢測,碾壓工藝見表3,施工碾壓區(qū)域及測點劃分見圖1。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石不同碾壓工藝壓實區(qū)域

表3 水泥穩(wěn)定碎石碾壓工藝

2 PFWD基本原理及模量反算

1)PFWD基本原理。將重量為10 kg的落錘提升到一定高度后釋放,使得落錘沿著導向桿方向豎直落下。此時,PFWD上的壓力傳感器和位移傳感器將記錄下部承載板和路基路面的豎向位移及承受的壓力值,然后通過數據傳輸系統(tǒng)和計算機處理系統(tǒng),得到所測試測點的路基路面的動彈性模量。

2)PFWD模量反算。國內外研究[9]表明PFWD的落錘沖擊荷載作用僅為25 ms左右,因此測試得到的回彈變形和荷載具有良好線性關系,可以采用線彈性理論進行分析。此外,PFWD雖然屬于動載試驗,但Brown[10]通過理論分析證明采用彈性層狀體系理論分析時,動載和靜載得到的結果誤差在容許范圍內。因此,PFWD模量可采用式(1)計算:

(1)

式中:Ep—PFWD模量(MPa);P—承載板最大荷載(kN);μ—泊松系數;δ—承載板半徑(cm);l—承載板中心彎沉(μm)。

3 結果分析

3.1 壓實度測試結果分析

按照試驗方案所示,采用挖坑灌砂測試壓實度方法分別對不同壓實區(qū)進行壓實度測試,得到的試驗結果見表4。由表4可知,不同碾壓工藝下水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度存在明顯差異,且壓實度在預期的壓實度目標附近,可用于PFWD模量和壓實度的相關關系分析。

表4 不同碾壓工藝的壓實度測試結果

3.2 PFWD模量與壓實度的相關關系分析

按照上述方案進行試驗,在碾壓完成后立即對每一個測點進行PFWD測試,得到測點的PFWD模量;然后在測點上進行挖坑灌砂測試壓實度方法試驗,得到測點的壓實度,PFWD模量見表5,PFWD模量和壓實度的相關關系見圖2。

圖2 壓實度和PFWD模量的相關關系

表5 測點的PFWD模量測試結果

根據圖2可知,PFWD模量和壓實度的相關關系R2為0.8883,PFWD模量和壓實度具有良好的線性關系,隨著壓實度的增加,PFWD模量逐漸增加?？梢?通過建立PFWD模量與壓實度的關系,結合水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度的設計要求,可得到PFWD模量值的控制標準,從而實現采用PFWD模量進行壓實質量控制的目標。

3.3 PFWD模量控制標準

根據圖2,建立壓實度和PFWD模量的相關關系:

Ep=0.1363e0.0651γ

(2)

式中:Ep—PFWD模量(MPa);γ—壓實度(%)。

根據式(2)和設計要求,可采用PFWD對半剛性基層壓實質量進行控制,如設計要求水穩(wěn)基層的壓實度應大于等于99%,則根據式(2)可知,PFWD模量應大于等于85.8 MPa,據此可指定PFWD模量標準對半剛性基層壓實質量進行快速檢測和評價。

4 工程應用

4.1 工程簡介

G15沈海高速廣東段開陽高速月山連接線起點接正在實施的開平市環(huán)城公路北環(huán)東延線一期工程并與之形成T形交叉,終點位于月山鎮(zhèn)府西側約0.5 km,與X556形成T形交叉,項目聯通月山鎮(zhèn)、開陽高速、開平市環(huán)城公路網、沙岡工業(yè)園、開平市區(qū)、對促進月山經濟與社會的協(xié)調發(fā)展有著重要的作用,項目全長4.61 km,共設橋梁3座,全長1056.5 m,其中大橋991 m、2座,中橋65.5 m、1座,路基段長3.55 km,該路段基層設計為上基層(18 cm)+下基層(18 cm)+底基層(20 cm),基層材料為5%的水泥穩(wěn)定碎石,底基層材料為4%水泥穩(wěn)定碎石。

4.2 應用效果

在水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪碾壓完成后立即采用PFWD方法對開陽高速月山連接線左幅水泥穩(wěn)定碎石基層進行壓實質量控制,連接線LK2+550～LK0+000段各測點結果見圖3。

根據上述結果可知,施工過程中共有8個測點的PFWD模量不滿足85.8 MPa的控制標準,經分析,主要原因在于該施工段為夜間施工,施工時部分壓路機未能完成規(guī)定的碾壓次數,有部分段落存在漏壓,造成施工段的壓實度不足。經PFWD及時檢測,發(fā)現了漏壓段落,對壓路機操作人員進行技術交底后,及時補壓,保證了月山連接線水穩(wěn)基層的壓實質量。

通過上述工程應用證明了PFWD可快速檢測和評價半剛性基層的壓實質量,并能夠及時發(fā)現壓實過程中存在的壓實度不足問題,同時避免了灌砂法壓實度檢測方法檢測時間長、耗費人工多、夜間施工檢測困難等問題,取得了良好的壓實質量控制效果。

5 結論

本文通過PFWD快速檢測和評價半剛性基層壓制質量應用研究,得到了以下結論:PFWD模量和水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度具有良好的線性關系,可用于水泥穩(wěn)定碎石基層壓實質量控制;根據壓實度和PFWD模量的相關關系,基于壓實度≥99%的標準,得到PFWD模量的壓實控制標準應≥85.8MPa;經開陽高速公路月山連接線工程驗證,采用PFWD模量快速檢測水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度并結合PFWD模量標準值快速評價水泥穩(wěn)定碎石基層壓實質量具有可行性且取得了良好的效果;PFWD在半剛性基層壓實質量控制方面具有廣闊的應用前景,值得深入研究。