掺玄武岩纤维水稳基层在公路工程中的应用

2022-03-08苑艳飞

工程建设与设计 2022年1期

苑艳飞

（张家口市路桥工程监理咨询有限责任公司，河北张家口 075000）

1 引言

半刚性基层相比沥青稳定碎石基层有着造价低、强度高、刚度大等优势特点，但在我国大规模普及应用时却遭遇十分严重的困境。水稳碎石通车早期的开裂要比沥青稳定碎石基层严重得多，在北方冬季温度低的地区，开裂现象更为严重。玄武岩纤维作为4 种高性能材料之一，从玄武岩碎石中熔融制得，其抗拉伸强度高、化学性质稳定性等特性十分适合应用于水泥稳定碎石基层中[1]。

2 掺玄武岩纤维碎石基层的优点

我国采用水稳基层主要是由于其强度高、造价低，适合我国当前发展状态的特点。但水稳碎石的干温缩特性容易导致道路病害频发，掺加玄武岩纤维后能够通过其吸附、聚集的效应对水稳碎石的抗拉伸性能进行提升，提高了道路基层抵抗干温缩开裂的能力，从根本上提高了道路的使用寿命，节约了养护成本。

3 工程概况

某高速公路为全线长350 km，全线车道数以双向8 车道为主，部分地区由于地形限制为双向6 车道。其中三标段由于路面破损严重，通过落锤式弯沉仪对道路进行承载性能检验，报告显示路段整体弯沉偏大，均在45.0 mm 以上。通过对典型部位钻芯结果显示道路基层开裂严重，考虑到目前道路承载性能已经严重不满足当前通行要求，决定对其进行大修处理。针对路面沥青层进行整体铣刨，基层开裂严重部位进行挖掘机挖掘处理，同时为了防止水稳基层病害的再次复发，决定采用掺加玄武岩纤维的水稳基层作为新建基层。

4 施工材料

4.1 集料

水稳碎石混合料中集料根据粒径是否超过4.75 mm 分为粗集料与细集料，粗细集料在混合料中分别扮演不同作用。粗集料应选择坚硬、强度高、颗粒形状好的碎石，主要是考虑到粗集料作为水泥稳定碎石基层的骨架决定了其强度的大小，良好的颗粒形状使得粗集料相互嵌挤形成稳定的强度结构，坚硬的碎石则使得碎石在碾压时不被压碎。细集料应选择洁净、含泥量低和有机物含量低的碎石，主要是考虑到细集料粒径小，在其中掺入其他成分后将会对碾压成型的基层强度造成一定影响。考虑到当地筑路主要以石灰岩碎石为原材料，本项目根据道路工程特征相似性原则选用石灰岩碎石作为工程集料，其性能与级配见表1 和表2。

表1 集料的物理性能检测结果

表2 骨架密室型碎石级配表

4.2 纤维

随着施工技术水平的提高，掺加纤维已经成为工程中常用来提高材料性能手段之一。目前，用于道路工程中的纤维十分广泛，但大多数对于道路性能的提升略显不足，或性能提升明显的却成本较高。玄武岩纤维是从玄武岩碎石中提炼出来的纤维，该纤维中含有丰富的矿质元素，其中氧化硅、氧化铝和氧化铁占比最高，多种矿物成分决定了其性能的优越性。将其掺入水稳碎石基层后，基层整体抗拉伸性能明显提升。此外，玄武岩纤维良好的化学稳定性，在水稳碎石中能够充分保证其稳定性。本项目选择6 mm、12 mm 多种长度纤维进行掺入，对玄武岩纤维拉伸强度、弹性模量等指标进行检测，各方面性能均满足要求。

4.3 水泥

水泥是一种常用于工程建筑的粉状材料，其在加水搅拌后能够通过胶结作用将碎石黏结成整体，是水稳基层的强度形成的重要材料，其含量越高，水稳基层的强度越高，但过高的水泥掺入量十分容易造成基层的开裂。因此，在进行水稳基层施工时，控制水泥的剂量是保证工程质量的重要因素。本项目采用的水泥为42.5 标号的普通硅酸盐水泥，对凝结时间、强度进行测试后，各方面性能均满足工程使用要求。

5 施工工艺

5.1 施工准备

水稳碎石运送至施工作业场地前需要对挖掘机开挖过后的路基表面进行清理。路基存在沉陷的区域应进行填筑与压实操作，使得路基压实度达到规范要求，同时对摊铺机、压路机等施工设备进行保养调试，保证设备的正常运行。

5.2 混合料拌和

常规水稳碎石的拌和可以采用厂拌和路拌2 种形式。由于该工程为高速公路项目，路线长、工程量大、施工技术水平高，需要采用工厂拌和。拌和站要选择水稳碎石混合料产量在500t/h 以上的工厂。混合料拌和时，由于掺入纤维提升混合料的性能，需要选择合适的工艺进行纤维的添加，可采用人工抛撒纤维和履带投送纤维方式，当工厂具有履带投送装置时应选择履带投送纤维，主要是由于人工抛撒频率与数量的不确定性容易造成掺入的不均匀性[2]。

5.3 混合料运输与摊铺

混合料离开拌和站后要及时运送至施工作业场地，若运输时间过长，可能会导致混合料水分蒸发过多，使得混合料不处于最佳含水量状态。运送至施工现场后，卸料车应挂空挡停驻于摊铺机前，由摊铺机推动前进。摊铺施工开始前，要对路基表面进行水泥浆喷洒处理，该操作的主要目的是提高路基与基层的黏结能力。摊铺开始后应适时调整布料器位置与转速，避免发生混合料的离析[3]。

5.4 混合料碾压与养护

沥青面层的碾压需要控制施工温度，而水稳碎石的碾压需要控制碾压时间，确保碾压施工在水稳基层终凝之前完成。碾压整个过程分3 个阶段。第一阶段的初压应不开振动，采用静压；第二阶段的复压应振动碾压4 遍直至满足压实度要求；第三阶段终压是消除初压、复压产生的轮迹带，碾压过程中要控制每次碾压轮迹带重合30 cm 左右，保证连接处的压实度。此外，对于路幅边缘的压实要格外注意压路机的侧翻。经检验满足压实度要求后，及时铺设土工布洒水养护，水稳碎石强度形成需要一定时间，养护过程中应避免曝晒，及时对基层补水，防止道路开裂。

6 试验路段性能检测

6.1 强度试验

本项目由于工程量大，在进行全线施工前，进行试验路段铺设对掺加玄武岩纤维基层性能进行检测，满足要求后再全线施工。项目根据规范要对养护不同龄期的水稳碎石芯样进行抗压、抗弯拉和劈裂强度试验。试验检测结果见表3。

表3 水稳碎石芯样强度性能试验结果

对比纤维碎石基层与普通碎石基层强度试验结果，纤维碎石基层3 种强度值在不同龄期下均大于普通碎石基层。在水稳碎石种掺入玄武岩纤维后，养护龄期达到7 d 时，纤维碎石基层的抗压强度、抗弯拉强度和劈裂强度比普通碎石基层3种强度分别高出1.021 MPa、0.047 MPa、0.13 MPa，提升幅度分别为19.11%、16.49%、38.81%，说明掺入纤维后基层的强度与抗裂性能显著提升。