骨架密实型水稳混合料配合比设计及施工技术探究

2016-07-16谢锐

工程与建设 2016年2期

关键词：控制要点

谢　锐

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥　230088)

骨架密实型水稳混合料配合比设计及施工技术探究

谢锐

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088)

摘要：该文通过结合骨架密实型水稳混合料基层的施工实践经验，探讨了路面工程水稳结构层原材料相关技术要求及配合比组成设计过程，研究了矿料级配科学的、合理的优化，在施工过程当中质量控制要点进行了详细的讨论，旨在进一步推广骨架密实型水稳混合料在高速公路建设中的应用。

关键词：骨架密实；水稳混合料；配合比组成设计；矿料级配；控制要点

0引言

所谓骨架密实型水稳混合料，是粗集料以连续级配形成相互嵌挤的骨架，集料间以靠拢而不紧密为原则，以水泥及细集料填充骨架的空隙，有效地提高了混合料间的内摩擦角[1]，形成各自发挥的优势，从而有效地提高了混合料的密实度和强度，提高了抗裂性能，形成了一种骨架嵌挤密实高强度结构的无机稳定结合材料。高速公路、一级公路的水稳基层应采用骨架密实结构型水泥稳定碎石混合料。

骨架密实型水稳混合料的特点：① 骨架级配嵌挤能力强，整体强度高、强度随龄期增长而不断增长，抗裂性能好、稳定性及耐久性优[2]。② 采用振动压实法进行最大干密度和最佳含水率的确定，粗集料不易被击碎，级配不退化，模拟现场施工压实方式。③ 水稳混合料中粗集料多，易于形成骨架，具有较高的内摩阻力,而且粘聚力强。④ 采用振动压实成型方法进行配合比的设计，水泥用量低，节约经济成本。⑤ 施工工艺与传统基层施工类似，重视水稳混合料基层的压实。

1混合料配合比组成设计

1.1原材料技术要求

(1) 水泥。水稳混合料采用的水泥初凝时间应不小于3 h、终凝时间应不小于6 h；受外界影响变质的水泥不宜采用；不应使用早强水泥，早强水泥的水化热比较大，对温缩不利；如果采用散装水泥，水泥应入罐7 d后，待安定性合格方可使用；夏季高温时，散装水泥入罐温度不能高于50 ℃，否则应采取降温措施。本项目采用安徽省凤阳县中都水泥有限公司生产的P.C32.5级缓凝型普通硅酸盐水泥，初凝时间为270 min，终凝时间为410 min；3 d抗折强度为3.5 MPa,28 d抗折强度为7.6 MPa；3 d抗压强度为16.4 MPa，28 d抗压强度为40.1 MPa。

(2) 粗集料。水稳混合料中的粗集料，应使用硬质岩石经二级反击破轧碎生产而成，且应进行除尘。其碎石应具有足够强度、表面粗糙、洁净、棱角性好、无风化、无杂质。压碎值应小于26%，9.5 mm颗粒以上针片状含量应小于15%，4.75 mm颗粒以上针片状含量应小于20%；本项目采用安徽萧县丁里镇孙小林子石料场生产的碎石，压碎值为19.5%，9.5 mm颗粒以上针片状含量为8.5%，4.75 mm颗粒以上针片状含量为10.2%。

(3) 细集料。水稳混合料中的细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，具有一定强度。石屑应与粗集料同一塘口碎石加工生产而成，过细的颗粒应筛除，生产过程中应具有脉冲布袋式抽吸设备，确保0.075 mm通过率小于13%，砂当量不小于55%。小于0.6 mm的颗粒液限小于28%，塑性指数小于9。本项目采用的石屑与碎石均为同一厂家、同一塘口生产加工而成，其0.075 mm通过率为11.3%，砂当量为62%，小于0.6 mm的颗粒液限为15.7%，塑性指数为1.8。

1.2混合料配合比组成设计

水稳混合料配合比设计要求：采用骨架密实型，集料最大粒径不大于31.5 mm，大于4.75 mm的含量不低于70%；采用静压法成型的试件，7 d浸水抗压强度代表值为3.0～4.0 MPa；以振动压实法确定的最大干密度和相应最佳含水率作为施工过程中的压实质量控制；确定水稳混合料的延迟时间及其对强度的影响；水稳混合料抗冻性的探索；设计组成应方便施工，即粗细集料离析少，施工和易性好。

(1) 矿料级配的合成设计。骨架密实型水稳混合料的综合路用性能受矿料级配影响很大，尤其是抗裂、抗冻及抗冲刷等性能。在配合比相关级配的组合过程中，应对其进行科学合理的优化，最大粒径过大或整体级配越粗，混合料表面就越容易离析；整体级配越细，其干燥收缩也就越大，且破坏主要在早期发生；细集料含量越多，水稳混合料的干密度及强度越大，但是抗冲刷性和抗裂性能越差；0.075 mm以下粉料含量越多，水稳混合料的抗裂效果越差。施工过程中应加强对原材料及矿料级配的控制，尽可能的减少细集料用量；在减少含泥量的同时，应该严格限制细料及粉料用量。实践表明，优化水稳混合料的级配可以明显增加水稳混合料的密度、强度和耐久性，减少水泥用量，提高抗裂性和抗冲刷性能，节约经济成本[3]。

结合济祁高速公路永城至利辛安徽段水稳混合料基层施工实践经验，要求组成混合料的级配应符合表1所示规定的范围。按五种碎石规格备料，取工地实际使用的碎石，分别对其水洗筛分，按碎石颗粒计算确定各矿料的比例组成。在混合料的合成级配拟合过程中，4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm的通过率应接近矿料级配范围的下限；在优化矿料合成级配中，4.75 mm的通过率将起着非常重要的作用，其通过率为22%～30%时为最佳，不应大于30%，因为4.75 mm以上颗粒是构成骨架的主要部分[4]；9.5 mm通过率为50%左右时，混合料将呈现出良好的级配形态，并且表面不容易离析；2.36 mm的通过率为20%左右较为适宜；0.6 mm以下含量越少越好；石屑中小于0.075 mm的部分粉尘应严格限制，不应大于13%，否则会影响抗裂效果。各档碎石掺配比例及合成级配结果，如表1所列。

表1　骨架密实型水稳基层矿料级配范围、掺配比例及合成级配设计结果

经设计确定矿料的标准级配在施工过程中不得随意更改。施工过程中应加强跟踪检测，严格控制进场材料质量及混合料的级配，如遇材料发生变化并经检测矿料级配或混合料的性能指标不符合设计要求时，应及时调整，使其质量符合要求并保持相对稳定，必要时重新进行水稳混合料配合比的组成设计。

(2) 最大干密度和最佳含水率确定。按表1计算的各种材料的组成比例，分别按3.0%、3.4%、3.8%、4.2%、4.6%五种水泥剂量，配置间隔为1%的5种不同含水率的水稳混合料，静置浸润后，按文献[6]规定，分别进行标准重型击实及振动压实试验，确定其最大干密度和最佳含水率，其试验结果如表2所列。使用振动压实仪成型水稳混合料试件时，其振动压实时间为120 s，振动频率为30 Hz，振幅为1.4 mm[5]。从表2试验结果可以看出，振动压实法所取得最大干密度大于重型击实试验结果很多，最佳含水量小于重型击实试验结果，两者其最大干密度试验结果的比值在1.01～1.03之间。这说明采用振动压实法确定的最大干密度和相应的最佳含水率作为施工现场压实质量的控制是科学合理的，符合配合比设计要求及骨架密实型水稳混合料的特点。

(3) 无侧限抗压强度。根据标准重型击实及振动压实法取得的最大干密度与最佳含水率，分别计算、配置、成型混合料试件，测其高度与质量后进行标准养生(温度20 ℃±2 ℃、湿度95%以上，恒温保湿养生6 d，浸水1 d)后进行无侧限抗压强度试验，其试验结果如表2所列。可以看出，振动压实试验结果大于重型击实结果，其7 d抗压强度代表值结果比在1.92～2.03之间。根据设计要求，采用静压法成型试件其7 d抗压强度的代表值为3.0～4.0 MPa，在满足基层各项力学指标的前提下，尽量减少水泥用量，以达抗裂性能要求。实际上按照振动压实法成型的混合料试件在水泥剂量为3%时，都已经高于设计强度要求了，但是考虑到在大面积施工过程中，原材料波动偏大，水稳拌和楼、现场摊铺精度欠稳定，且为冬季施工等综合因素，在满足强度的基础上，同时结合施工技术规范及配合比设计要求，最终确定水泥剂量为3.8%，最大干密度为2.410 g/cm3,最佳含水率为4.8%。

表2　振动压实与重型击实法各项试验技术指标结果

(4) 耐久性。采用冻融循环试验确定适宜的水泥稳定碎石材料，探索骨架密实型水稳混合料在潮湿冰冻条件下的使用性能[6]，并对其抗冻性进行评价。将试件标准养生至28 d，饱水后，放入-18 ℃冰柜中，冻结16 h后，取出再放入20 ℃恒温水槽中融化8 h，如此反复经过5个冻融循环后，在饱水状态下，进行无侧限抗压强度试验[7]。按静压法成型的混合料试件，测得冻融循环后的饱水抗压强度为5.6 MPa，未冻融循环经饱水后28 d抗压强度为6.9 MPa，其抗冻强度损失为81.16%；按振动压实法成型的混合料试件，冻融循环后的饱水抗压强度值为6.4 MPa，未冻融循环经饱水后28 d抗压强度为7.8 MPa，其抗冻强度损失为82.05%。由此可表明在多次冻融循环反复作用下，水稳混合料具有良好的抗冻性，不影响其基层的使用强度。

(5) 混合料的延迟时间。由于水泥稳定碎石混合料，从加水拌和到碾压终了的时间对其强度和所能达到的干密度有较明显的影响，延迟时间愈长，混合料的干密度和强度损失愈大[8]。为确定现场施工水稳混合料的延迟时间，进行了延迟时间的强度试验。水泥剂量为3.8%时，分别通过2 h、4 h、6 h采用静压法成型的水稳混合料试件，测定其7 d的强度代表值分别依次为3.2 MPa 、3.0 MPa 、2.9 MPa，由此表明6 h强度不能满足设计规定强度要求。水稳混合料基层在施工过程中，应充分考虑并预防可能发生的一切不利因素(如运距、车辆及设备故障等)，从现场拌和到碾压终了的时间应控制在4h以内,不得超过6 h，以确保工程实体质量。

2水稳混合料施工技术要求

骨架密实型水稳混合料的施工应采用流水作业法，混合料的拌和、运输、摊铺、碾压及养生各工序间应紧密衔接。特别要注意缩短混合料从加水拌和到完成碾压终了的时间不超过4 h。水稳混合料基层施工最低气温应在5 ℃以上；雨季施工时，应勿使水泥和混合料遭受雨淋，降雨时应停止施工，对已经摊铺的水稳混合料应尽快碾压密实成型。

2.1水稳混合料的拌和

水稳混合料的拌和应均匀一致，无明显粗细集料离析现象。施工过程中应严格控制混合料的含水量，含水量过大，容易产生干缩裂缝及“弹簧”现象；含水量过小，则混合料不容易被碾压密实[9]；因此，混合料每天搅拌前，应先认真检查各种集料的含水量，计算施工过程中的水份损失及当天的施工配合比，混合料的含水量应比最佳含水量略高0.5%～1%。每天开始搅拌后，应认真检查混合料的级配和水泥剂量是否符合配合比设计要求，是否均匀稳定。正式生产后，应随时在线检查配合比、含水量的变化，如有改变，应做相应调整。高温季节施工，混合料的含水量应根据温度气候条件的变化及时调整。拌和楼控制系统要逐盘自动计量和打印水泥及各矿料的用量，并定期对拌和称量设备进行校核。

2.2水稳混合料的运输

水稳混合料的运输车辆应采用大吨位自卸车，用篷布全部覆盖，以减少含水量损失，其数量应满足拌和楼出料和摊铺需要，且略有富余，不得加高厢板，槽邦。装料前应认真检查其性能是否良好，车厢是否清洗干净。运输车辆必须均匀装载混合料，从拌和机向运料车上放料时，每卸一斗混合料，汽车应前后移动，分三次装料[10]，以减少混合料的离析。混合料运至现场，应一次性将混合料缓慢卸入摊铺机中，尽快摊铺、碾压成型，减少停顿。如果运输车辆中途出现故障，必须以最短时间排除，以确保水稳混合料在初凝时间内摊铺压实，否则必须予以废弃。

2.3水稳混合料的摊铺

水稳混合料的摊铺是基层施工过程中的重要环节。本项目采用两台摊铺机梯队作业施工摊铺，一次性碾压密实。为确保路面的平整度和厚度满足规范及设计要求，摊铺机两侧以走钢丝形式作为引导高程控制方式，收料斗两侧应固定挡皮，防止混合料竖向和横向离析及漏料现象。摊铺前应先检查摊铺机的各部件的运转情况，摊铺机应调整至最佳的工作状态，其螺旋布料器应有2/3埋入混合料中，调整好传感器臂与钢丝的控制线，严格控制水稳基层厚度和标高。摊铺机的摊铺应缓慢、连续、均匀不间断的摊铺，摊铺速度控制在2.5 m/min左右予以调整，禁止摊铺机停机待料现象。没有压实的水稳混合料，施工人员不得进入踩踏。两台摊铺机的速度、松铺系数、路拱横坡度、平整度及振动频率等均应保持一致，其接缝应平整、密实。在摊铺机的后面应设专人消除混合料的离析现象，铲除局部的粗集料“窝”并采用新拌水稳混合料填补。

2.4水稳混合料碾压

水稳混合料的压实是基层质量的重要保证，应合理选择压路机组合方式和碾压步骤，严格遵循碾压程序及施工工艺，做到稳压充分，振动不起浪、不推移。压路机要紧跟摊铺机的后面，一次性碾压长度控制在40～60 m之间，轮迹应重叠1/2轮宽，每层最大压实厚度不大于20 cm。碾压段落应井然有序、界线分明，确保不漏压。在碾压过程中，按照稳压→弱振动碾压→强振动碾压→胶轮稳压的顺序进行。在初压时，压路机应做到同进同退；换挡宜在碾压好的路段上，且应平顺，不应拉动水稳混合料。在碾压过程中，要重视胶轮压路机对水稳混合料的搓揉和横向碾压的嵌挤作用，可显著增加成型后水稳基层的密实性和密水性。碾压应在水泥初凝之前完成，直至混合料表面无明显轮迹为止。终压结束后，应立即检测压实度，对于不合格的测点应立即进行复压，直到全部测点符合要求为止。

2.5养生及交通管制

水稳混合料基层碾压成型后应立即开始养生。采用双层透水无纺土工布保湿养生，用人工覆盖在碾压完成的层面上，2 h后用洒水车洒水，再用塑料薄膜覆盖养生。养生期间应定期洒水，在7 d内应保持水稳结构层处于湿润状态，在28 d内应进行正常养护，以满足强度持续增长的需要。洒水车养生时，其喷头应做成喷雾式，不得采用高压式喷管，以免破坏水稳结构层；每天洒水的次数视温度气候而定，整个养生期间应始终保持水稳结构层表面湿润状态，不应过湿或忽干忽湿。养生期一般应不少于7 d，洒水车在另一侧车道上行驶，工人手持水带洒水养生。不得用湿黏土，塑料编制物覆盖。养生结束后或者进入下一道工序施工时方可移走覆盖物，且必须将其覆盖物清除干净。在养生期间应该封闭交通，以避免车辆荷载对路面水稳结构层产生破坏。

3水稳混合料的质量控制

水泥剂量的测定应在拌和机拌和后取样，并在10 min内进行滴定试验；水泥用量的检测除用滴定法外，还必须进行总量控制校核，每天记录施工实际水泥用量、集料用量及实际工程量，计算校核水泥剂量检测的准确性。水稳混合料的级配筛分除在拌和机皮带上取花白料进行筛分试验外，还可以抽取水稳混合料，配合水泥剂量，采用水洗筛分或燃烧法测定。水稳混合料无侧限抗压强度检验应在拌和场按规定方法取样制备试件。压实度检查应在终压结束后立即进行，对于小于规定值的测点应立即进行处理，直到全部测点符合规定要求为止。

4结束语

本文通过结合施工实践经验，对骨架密实型水稳混合料的配合比组成设计及施工过程作了相关分析论述，从而获得了一整套较为完整的技术方案，以供借鉴和参考。本项目在实施过程中，通过对施工过程中的各个关键环节进行了有效监控，有效地提高路面水稳混合料基层的强度和路面使用性能，取得了良好的效果。

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