基于水泥稳定碎石的路面基层振动成型法设计

(湖南省高速公路开发总公司， 湖南 长沙 410011)

基于水泥稳定碎石的路面基层振动成型法设计

刘军

(湖南省高速公路开发总公司， 湖南 长沙 410011)

对基于振动成型法的工艺进行深入研究，通过设计室内振动试验和模拟现场试验，对试验结果进行分析，确定了振动成型施工过程中，振动碾压遍数选择5～6遍为宜。通过采用不同含水量进行振动试验，确定振动成型施工中，最佳的含水量约为5.5%。从而减少基层反射裂缝以及病害，有效提高基层的路面使用寿命。

路面基层； 水泥稳定碎石； 振动成型； 施工技术

0 引言

随着我国高速公路的不断发展，相应的高速公路施工技术也取得了很大的提高。近年来，为适应重载车辆不断增加的趋势，减少高速公路修补和维护的工作量，基于振动成型的工法被提出，并被广泛应用于实际的工程项目中[1,2]。基于振动成型公路施工工艺通过振动压实来增加半刚性基层的强度，减少裂缝，从而提高工程的质量[3,4]。另外，在相同的设计强度要求下，该工法还可以减少水泥的使用量，施工过程更加环保。工程实践表明，与传统的工法相比，基于振动成型的工法具有更好的综合效益[5]。因此，对基于振动成型施工工艺进行深入的研究具有重要的工程意义。振动成型碾压是振动成型施工工艺的关键，因此，本文考虑通过实际的施工案例，并结合试验设计分析，找出室内振动击实干密度与试验段现场干密度之间的关系，从而确定施工现场的碾压方法和碾压遍数。

1 工程概况

某高速公路地处浙江冲击平原，原路面设计为传统重型击实设计，J12合同用此方法共完成了底基层113299 m2，下基层114920 m2，上基层130708 m2，合计358927 m2， 单幅单层累计长度22115 m。 各项质量、降耗优于传统施工，社会效益明显。从施工短期来看，碎石材料振动成型基层法与传统施工方法对比，施工成本略增点。从长期角度对提升路面使用寿命，减少高速公路的运作养护成本，其效果明显，在路面设计使用年限内，在实例上双向6车道高速公路产生经济效益144.5万元/km，双向4车道高速公路产生经济效益为94.5万元/km。从采取本法施工的水泥稳定碎石基层，在常规基层裂缝问题上得到解决，由原来裂缝平均间距7～8 m变为1000 m左右，基层无侧限的强度、最大干密度等质量指标提高。另外施工时，使用大吨位的压路机，碾压遍数由原来1遍提到2遍，因此材料级配优化，节约水泥用量18 kg/m3，减少运营期间大中修一次，综合各种因素，具有节能降耗作用。基层振动成型法设计施工能够有效减少反射裂缝及提高路面使用寿命，推迟2 a大中修，将显著提高道路通行能力和服务水平，提高公路使用者的满意度，并在一定程度上提高交通行业在人民群众中威信和地位，社会效益显著。

2 振动成型法施工工艺流程

振动成型工法的原理是通过振动压路机的高强度振动，使得按骨架密实型集料级配比的粗集料相互嵌齐稳定，提高基层压实度，从而提高基层的强度，减少裂缝[6]。该工法的具体施工工艺流程如图1所示。

图1 振动成型法施工流程

在整个振动成型工艺流程中，当原料的配合比设计好后，含水量的控制和碾压遍数的控制可能对工程质量有较大的影响。本文考虑通过采集施工样本进行分析，研究不同含水量和碾压遍数对施工质量的影响，从而确定最终施工的碾压遍数和含水量控制。

3 振动成型法检验标准

在振动成型施工过程中，要求要严格遵循《基层施工技术规范》和《公路工程质量检验评定标准》的要求。严格控制施工配合比，在施工前必须对料场原材料进行含水量、筛分试验的检测，根据试验结果，调整施工配合比，并严格按照施工配合比进行配料拌和。水泥用量除用滴定法检测水泥剂量要求外，还必须进行总量控制，要求记录每天的实际水泥用量、集料用量和实际工程量，计算对比水泥剂量的一致性，成型后的水泥稳定碎石基层的表面应平整密实，略显粗糙。此外，干密度是评价施工质量的重要指标，文献[7,8]等众多研究都以最大干密度为目标来对振动成型工艺方法和流程进行优化研究。

4 试验方案设计

4.1 试验配合比设计

施工混合料主要由集料、碎石和水泥3种原料组成，各种原料的规格和配比对工程质量有重大影响，因此，对于每种原料应严格要求。对于集料，需要严格控制其含泥量和压碎值，具体的规格要求见表1。为控制集料的颗粒形状和粉尘含量，可以考虑采用有整形、吸尘装置的设备进行加工。对于碎石，通过使用振动压实机试验对比分析[9,10]，可以得到最大干密度和最佳含水量的配比设计如表2所示。

表1 集料规格及要求表规格/mm含泥量(不大于)/%压碎值(不大于)/%13．2～31．514．75～13．21252．36～4．752 0～2．3610

表2 骨架密实型水泥稳定碎石级配设计范围表筛孔/mm中值/%建议级配范围/%筛孔/mm中值/%建议级配范围/%31．51001002．362216～28197768～860．612 8～159．54838～580．0752 0～3 4．752722～32

对于水泥的选择，需要满足初凝时间应大于4 h，终凝时间应大于6 h，且符合国家技术标准要求，符合设计强度要求。实际施工中，可以使用振动压实机制作无侧限抗压强度试件，确定是否符合设计强度，采用实际使用水泥温度和实际施工温度，约定水泥交货条件应有温度和凝结时间要求。

4.2 施工设备选型

在进行现场施工过程中，为确保施工过程顺利进行，在进行施工之前，需要配备相应的施工设备。振动成型法施工工艺操作过程中，需要的主要施工设备选型及数量清单如表3所示。

表3 现场施工主要机械设备清单表设备名称型号数量拌和楼WBS-5001摊铺机LTU9252单钢轮压路机徐工2203胶轮压路机XP2611自卸车20t东风20装载机ZL502洒水车1

在对采样样本进行振动试验过程中，需要用到的主要试验设备选型及数量清单如表4所示。

4.3 碾压速度控制

公路碾压施工一般采用组合方式进行碾压，分为初压、复压和终压[5]。根据层厚选择合适的吨位的压路机，当层厚小于15 cm时，选择吨位大于18 t的压路机；当层厚大于15 cm时，选择吨位大于20 t的压路机，且对于不同阶段的碾压，应该选择不同的压路机。本次施工及试验过程中，考虑压路机应以均匀的速度碾压，初压、复压和终压的碾压速度和压路机类型选择如表 5所示。在实际的施工过程中，初压和终压的遍数都为1遍，复压的遍数一般为多次，可以考虑通过试验来确定合适的复压遍数。

表4 室内振动试验主要试验设备清单表设备名称型号规格数量振动压实试验机SYE-20001数显压力试验机YEW-300B1电热鼓风干燥箱101-3A2混凝土钻孔取芯机HZ-201水泥试验仪器全套1标准养护室1

表5 碾压速度控制表类别碾压速度/(km·h-1)压路机类型初压1．5～1．7振动压路机复压1．8～2．2振动压路机终压1．8～2．2轮胎压路机

4.4 施工试验方案设计

分别于2011年12月26日和2011年12月27日施工了试验段(桩号：K113+050～K112+860)，具体试验方案设计如下：

1) 2011年12月26日试验段。

按不同的压实遍数分成4段，碾压遍数不计算第1遍静压和最后双钢轮及胶轮压路机的2遍光面，碾压时压路机重叠1/2。检测不同压实遍数下的混合料密度；在试验段范围内现场取样，进行重型击实试验和室内振动成型试验，测其最大干密度。

2) 2011年12月27日试验段。

试验段选择在同一桩号、同一车混合料的段落，碾压遍数同样不计算第1遍静压和最后2遍光面，根据不同的振动遍数分别检测密度，振动遍数为1～6遍。在试验段范围内取样，进行室内振动成型试验，测其最大干密度。

3) 确定振动成型所需的最佳含水量。

按设计级配室内合成混合料，以击实试验的最佳含水量为依据，用不同的含水量进行振动成型试验，测其最佳含水量(含水量根据振动成型后试件的含水量测定)。

5 施工效果分析

5.1 干密度随碾压遍数的变化关系

根据2011年12月26日和2011年12月27日的实际的施工试验，得到干密度与碾压遍数之间的相关数据分别如表6和表7所示。

表6 碾压遍数与干密度关系表(12月26日)碾压遍数干密度/(g·cm-3)碾压遍数干密度/(g·cm-3)42．29562．38552．38472．329

表7 碾压遍数与干密度关系表(12月27日)碾压遍数干密度(g·cm-3)碾压遍数干密度(g·cm-3)12．22342．38922．29152．39732．34962．378

根据2次实际的施工试验，结合表6和表7的试验数据进行曲线拟合，可以得到干密度与碾压遍数的关系曲线图如图2所示。

图2 碾压遍数与干密度关系曲线图

由图2可以看出: 2次实际的施工试验中，干密度与碾压遍数之间的变化趋势基本一致。不同的碾压遍数对干密度的变化有较大的影响，随着试验碾压遍数的增加，2次试验的干密度都呈先增加后减小的趋势。当碾压遍数为5～6遍时，路基的干密度达到最大值，因此在实际的施工过程中，碾压遍数选择5～6遍比较适宜。

5.2 干密度随振动时间的变化关系

在研究含水量与干密度之间的关系时，由于不同的振动时间对干密度的变化有较大的影响，因此本文考虑先分析振动时间与干密度之间的关系，确定振动时间，然后再分析含水量与干密度之间关系。考虑分别在12月26日和12月27日的施工段上进行现场取样，对样本进行室内振动压实试验，分别得到2次试验干密度与振动时间之间的相关数据分别如表8和表9所示。

表8 振动时间与干密度关系表(12月26日)振动时间/s干密度/(g·cm-3)1302．2771602．3332002．327

表9 振动时间与干密度关系表(12月27日)振动时间/s干密度/(g·cm-3)振动时间/s干密度/(g·cm-3)702．2571602．3151002．2572002．3421302．303

根据2次室内振动压实，结合表8和表9的试验数据进行曲线拟合，可以得到干密度与振动时间的关系曲线图如图3所示。

图3 振动时间与干密度关系曲线图

由图3可以看出: 2次室内振动压实试验中，干密度与振动时间之间的变化趋势有所区别。对于12月26日的试验，随着振动时间的增加，干密度呈先增加后减小的趋势；对于12月27日的试验，随着振动时间的增加，干密度呈逐渐递增的趋势。当振动时间达到160 s左右时，样品的干密度达到一个较大的值，因此考虑确定振动时间为160 s，对含水量与干密度之间的关系进行分析。

5.3 干密度随实加含水量的变化关系

按设计级配室内合成混合料，采用不同的含水量进行振动成型试验，振动时间为160 s，测定其实际的含水量和干密度，得到实加含水量与实测含水量和干密度之间的相关数据如表10所示。

表10 含水量与干密度关系表实加含水量/%实测含水量/%干密度/(g·cm-3)实加含水量/%实测含水量/%干密度/(g·cm-3)3．53．22．2065．54．882．3134．54．22．2376．54．932．2975．04．742．298

根据表10的试验数据进行拟合，可以得到实加含水量与干密度之间的关系曲线图如图4所示。

图4 实加含水量与干密度关系曲线图

由图4可以看出: 随着实加含水量的增加，干密度呈先增加后减小的趋势，实加含水量对干密度的变化有一定的影响。当实加含水量为5.5%附近时，干密度达到最大值。因此在后续的实际的施工过程中，考虑选择实加含水量控制在5.5%左右。

6 结论

得出以下结论： 本文通过室内振动试验和实际现场试验，分析了室内振动击实干密度与试验段现场干密度之间的关系。根据试验结果，得到了干密度与振动时间和碾压遍数之间的变化曲线，确定了振动成型施工过程中振动碾压遍数选择5～6遍为宜。通过采用不同含水量进行振动试验，得到实加含水量与干密度之间的关系，从而确定振动成型施工中，最佳的含水量约为5.5%。

工程实践表明： 混合料未发生明显的离析现象，现场芯样和振动法成型试件的力学性能基本一致[11]。从长期角度对提升路面使用寿命，减少高速公路的运作养护成本，其效果明显。另外施工时，使用大吨位的压路机，碾压遍数由原来1遍提到2遍，因此材料级配优化，节约水泥用量18 kg/m3，减少运营期间大中修1次，综合各种因素，具有节能降耗作用。本文试验结合了室内试验与实际施工试验，试验结果对具体施工具有一定的指导意义。

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1008-844X(2017)03-0101-05

U 416.1

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2017-02-09

刘 军(1984-)，男，工程硕士，工程师，主要从事高速公路建设工作。