PFWD快速检测评价半刚性基层压实质量的应用研究

冯叶斌

(广东省交通运输建设工程质量检测中心,广东 广州 510080)

截至2021年,我国高速公路通车里程已超过14万千米,其中95%以上采用半刚性基层沥青路面结构型式。随着这种路面结构型式持续和广泛应用,由施工过程压实不足引起的路面结构早期病害问题频发,经实地调查和分析,半刚性基层压实度未严格控制是一个重要的原因[1-2]。

针对上述问题,刘俊锋等[3]利用PFWD评价路基模量的均匀性和施工质量,结果表明PFWD能够有效反映路基施工质量的均匀性。应荣华等[4]针对改扩建新旧路基变形协调问题,通过PFWD对新旧路基进行了检测,得到了新旧路基回弹模量值及其差异,表明PFWD在新旧路基测试中可取得良好的测试效果。孙兆林等[5]采用PFWD法研究了改性处理后的拜耳法赤泥路基填料动态和静态模量特性。吴琛等[6]开展了PFWD在高速公路柔性基层离析和施工控制方法方面的应用研究,利用PFWD检测了级配碎石柔性基层的回弹模量分布情况,结果表明级配碎石柔性基层回弹模量可有效反映柔性基层离析问题。

然而,目前的研究均集中于PFWD在路基和级配碎石基层质量检测和评价应用,未见PFWD在半刚性基层压制质量检测和评价方面的研究。因此,本文依托开阳高速公路月山连接线半刚性基层试验段对此开展了研究。

1 试验设计

1.1 水泥稳定碎石混合料配合比

1)原材料。矿料:集料为井坑石场生普通石灰岩碎石,粗集料共分为19～26.5mm,9.5～19 mm,4.75～9.5mm,细集料为0～4.75mm,级配见表1。水泥:广东广信青洲水泥有限公司生产的P.O42.5水泥。水:自来水。原材料质量均满足规范[7]要求。

表1 各种矿料和合成级配的筛分结果

2)级配设计。按照规范[7]要求设计水泥稳定碎石的级配,其各级筛孔(方孔筛)通过率见表1。

3)配合比。按照规范[7]要求进行配合比设计,得到各粒径碎石比例、水泥剂量和最佳含水率见表2。

表2 月山连接线水泥稳定碎石基层施工配合比

1.2 试验方案

根据目标压实度为99%、98%和96%设计了三种碾压方案,试验段施工时以30 m为一个碾压段、10 m为一个间隔距离利用测点检测,每个碾压段内共有9个测点,并编号为压实1～3区、测点1～9,对压实区内每个测点用油漆记录好编号,在水稳基层摊铺完成后立即利用PFWD检测测点处模量,检测时间控制在水稳拌和楼出料后6 h内,然后按规范[8]要求采用挖坑灌砂测试压实度方法利用压实度检测,碾压工艺见表3,施工碾压区域及测点划分见图1。

图1 水泥稳定碎石不同碾压工艺压实区域

表3 水泥稳定碎石碾压工艺

2 PFWD基本原理及模量反算

1)PFWD基本原理。将重量为10 kg的落锤提升到一定高度后释放,使得落锤沿着导向杆方向竖直落下。此时,PFWD上的压力传感器和位移传感器将记录下部承载板和路基路面的竖向位移及承受的压力值,然后通过数据传输系统和计算机处理系统,得到所测试测点的路基路面的动弹性模量。

2)PFWD模量反算。国内外研究[9]表明PFWD的落锤冲击荷载作用仅为25 ms左右,因此测试得到的回弹变形和荷载具有良好线性关系,可以采用线弹性理论进行分析。此外,PFWD虽然属于动载试验,但Brown[10]通过理论分析证明采用弹性层状体系理论分析时,动载和静载得到的结果误差在容许范围内。因此,PFWD模量可采用式(1)计算:

(1)

式中:Ep—PFWD模量(MPa);P—承载板最大荷载(kN);μ—泊松系数;δ—承载板半径(cm);l—承载板中心弯沉(μm)。

3 结果分析

3.1 压实度测试结果分析

按照试验方案所示,采用挖坑灌砂测试压实度方法分别对不同压实区进行压实度测试,得到的试验结果见表4。由表4可知,不同碾压工艺下水泥稳定碎石基层压实度存在明显差异,且压实度在预期的压实度目标附近,可用于PFWD模量和压实度的相关关系分析。

表4 不同碾压工艺的压实度测试结果

3.2 PFWD模量与压实度的相关关系分析

按照上述方案进行试验,在碾压完成后立即对每一个测点进行PFWD测试,得到测点的PFWD模量;然后在测点上进行挖坑灌砂测试压实度方法试验,得到测点的压实度,PFWD模量见表5,PFWD模量和压实度的相关关系见图2。

图2 压实度和PFWD模量的相关关系

表5 测点的PFWD模量测试结果

根据图2可知,PFWD模量和压实度的相关关系R2为0.8883,PFWD模量和压实度具有良好的线性关系,随着压实度的增加,PFWD模量逐渐增加。可见,通过建立PFWD模量与压实度的关系,结合水泥稳定碎石基层压实度的设计要求,可得到PFWD模量值的控制标准,从而实现采用PFWD模量进行压实质量控制的目标。

3.3 PFWD模量控制标准

根据图2,建立压实度和PFWD模量的相关关系:

Ep=0.1363e0.0651γ

(2)

式中:Ep—PFWD模量(MPa);γ—压实度(%)。

根据式(2)和设计要求,可采用PFWD对半刚性基层压实质量进行控制,如设计要求水稳基层的压实度应大于等于99%,则根据式(2)可知,PFWD模量应大于等于85.8 MPa,据此可指定PFWD模量标准对半刚性基层压实质量进行快速检测和评价。

4 工程应用

4.1 工程简介

G15沈海高速广东段开阳高速月山连接线起点接正在实施的开平市环城公路北环东延线一期工程并与之形成T形交叉,终点位于月山镇府西侧约0.5 km,与X556形成T形交叉,项目联通月山镇、开阳高速、开平市环城公路网、沙冈工业园、开平市区、对促进月山经济与社会的协调发展有着重要的作用,项目全长4.61 km,共设桥梁3座,全长1056.5 m,其中大桥991 m、2座,中桥65.5 m、1座,路基段长3.55 km,该路段基层设计为上基层(18 cm)+下基层(18 cm)+底基层(20 cm),基层材料为5%的水泥稳定碎石,底基层材料为4%水泥稳定碎石。

4.2 应用效果

在水泥稳定碎石基层摊铺碾压完成后立即采用PFWD方法对开阳高速月山连接线左幅水泥稳定碎石基层进行压实质量控制,连接线LK2+550～LK0+000段各测点结果见图3。

根据上述结果可知,施工过程中共有8个测点的PFWD模量不满足85.8 MPa的控制标准,经分析,主要原因在于该施工段为夜间施工,施工时部分压路机未能完成规定的碾压次数,有部分段落存在漏压,造成施工段的压实度不足。经PFWD及时检测,发现了漏压段落,对压路机操作人员进行技术交底后,及时补压,保证了月山连接线水稳基层的压实质量。

通过上述工程应用证明了PFWD可快速检测和评价半刚性基层的压实质量,并能够及时发现压实过程中存在的压实度不足问题,同时避免了灌砂法压实度检测方法检测时间长、耗费人工多、夜间施工检测困难等问题,取得了良好的压实质量控制效果。

5 结论

本文通过PFWD快速检测和评价半刚性基层压制质量应用研究,得到了以下结论:PFWD模量和水泥稳定碎石基层压实度具有良好的线性关系,可用于水泥稳定碎石基层压实质量控制;根据压实度和PFWD模量的相关关系,基于压实度≥99%的标准,得到PFWD模量的压实控制标准应≥85.8MPa;经开阳高速公路月山连接线工程验证,采用PFWD模量快速检测水泥稳定碎石基层压实度并结合PFWD模量标准值快速评价水泥稳定碎石基层压实质量具有可行性且取得了良好的效果;PFWD在半刚性基层压实质量控制方面具有广阔的应用前景,值得深入研究。