低掺量水泥稳定级配碎石在路网工程中的应用

刘 珍,邱 华,黄小华

(1.广西交科工程咨询有限公司,广西 南宁 530007;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004;3.广西公路检测有限公司,广西 南宁 530001)

0 引言

低掺量水泥稳定级配碎石的回弹模量介于级配碎石与水泥稳定碎石之间[1-2],在宏观力学性能上低掺量水泥稳定碎石抵抗局部荷载的作用能力优于级配碎石,但小于普通水泥稳定碎石[3]。付志国等[4]对比不同剂量的水泥稳定碎石发现,低掺量和水泥稳定碎石干燥收缩性能优于普通水泥稳定碎石,即其在力学性能上优于级配碎石,在收缩性能上优于水泥稳定碎石。级配碎石是良好的柔性结构材料,但其水稳定性较差,易发生水毁破坏,一定掺量的水泥能起到粘结作用[5],水稳性能优于级配碎石。因此低掺量水泥稳定级配碎石适用于因重载交通而采用大粒径级配碎石路面柔性结构,但环境较为潮湿且易发生水毁病害的地区。

截至2020年年底,广西公路总里程达到13.16×104km,全区普通国省道二级及以上公路比例达72%[6]。普通国省干道路网为连接西南(云南、贵州)、北上湖南、南下广东提供了陆路运输通道。随着西部陆海新通道的不断建设,广西普通路网预计交通特征主要是过境交通(货运),重载交通特征明显;同时广西地区高温多雨,沥青路面极易出现早期病害。因此,考虑上述背景和低掺量水泥稳定级配碎石的应用条件,其应用于广西的路网项目是可行的。本文依托路网大修实体工程,引入低掺量水泥稳定级配碎石柔性结构加铺层,各项检测结果及通车后使用性能均达到了预期效果,可为以后类似路网大修项目提供参考。

1 工程概况

1.1 概况

省道S210线k96+000～k110+700段位于百色靖西县,2004年11月建成营运以来,随着区域经济的迅速发展,截止项目实施前日交通量达到12 000车次,同时车辆载重量远远大于公路设计荷载,路面已经没有足够强度承受车辆荷载。此外,靖西地区矿产资源丰富,项目附近运输铝矿的车辆没有盖篷布,使得大量泥团、矿料撒落路面,污染公路及周边环境,水、泥浆共同作用,加剧了路面损坏,大部分路段的交通几乎中断。

在这种重交通量、重载以及高温潮湿的背景下,路网维修工程就必须具备以下几种条件:(1)不能全部中断交通,该项目所在路段是广西百色市通往德保、靖西、那坡等3个边境县及与越南毗邻的国家一类通商口岸——龙邦口岸的便捷通道之一,也是桂西滇东、黔南通往珠三角地区及东南亚各国的便捷陆路通道之一,交通量极大,彻底中断交通影响较大;(2)项目原路面结构破坏较为严重,须充分利用原路面稳定结构层的剩余寿命,合理控制和降低造价;(3)新铺路面结构层须有较强的抗车辙能力以满足重重载交通要求;(4)沥青面层耐久性和密实性要够好,减少刹车水引起的路面潮湿对路面结构内部的影响。

1.2 路面结构层加铺思路

根据上述所需满足的4点条件,应对措施分别为:(1)为了不中断交通,采用单幅封闭施工且使用低掺量水泥稳定级配碎石代替普通水稳基层,因水泥掺量较少无须长时间养护,在铺筑完成后即可开放交通,利用交通荷载的正能量,提高结构的密实性与稳定性;(2)对于原路面破坏较严重路段,应根据不同情况分别采用换填片石、级配碎石等修补坑槽、局部挖补以及水泥路面碎石化等手段降低弯沉;(3)对于抗车辙及防渗水的要求,在旧路面稳定的基础上加铺大粒径级配碎石和低掺量水泥稳定碎石防裂和抵抗变形,且沥青面层在形成良好嵌挤骨架基础上混合料要能压实、不渗水,路面残留空隙率应≤6%。

根据上述技术思路,本次路面大修加铺结构层设置如下:路面主要采用4 cm AC-13沥青混凝土面层、8～13 cm AM-25沥青碎石下面层、15 cm水泥改善级配碎石基层、18 cm填隙碎石垫层,其中k101+300～k102+000段没有基层及垫层,k109+300～k109+505段只有4 cm AC-13沥青混凝土面层。

1.3 原材料及配合比设计

该路段的低掺量水泥稳定级配碎石使用的水泥是广西登高(集团)右江水泥有限公司生产的右江牌P.C32.5水泥,检测试验结果如表1所示。考虑到重载交通环境以及较低的水泥掺量,因此低掺量水泥稳定级配碎石所使用的级配应较粗,以增强结构层的抗剪能力及刚度,抵抗重交通荷载作用,取值范围应参考级配碎石,最终合成级配以及重型击实试验结果如表2所示。

表1 水泥主要技术指标表

表2 大粒径级配碎石合成级配以及重型击实试验结果表

2 施工过程质量控制

2.1 材料的拌和及运输

级配碎石混合料由连续式拌和机拌和,拌和前检测现场级配碎石天然含水量,根据试验结果调整配合比为(19.5～37.5 mm)∶(9.5～19.5 mm)∶(4.75～9.5 mm)∶(0～4.75 mm)=40∶20∶12∶28,水泥用量为2.5%。在水稳拌和站拌和均匀后用自卸汽车运输至施工现场,集料在运输前要进行含水量和水泥剂量检测,要求含水量要大于最佳含水量4.5%的0.5%～1%,水泥剂量要求要达到2.5%±0.5%,如果集料有较严重的离析现象应进行拌和后再拉至施工现场。

2.2 混合料摊铺

(1)采用一台摊铺机作业,纵向接缝重叠10 cm。在摊铺机起步的前50 m,采用基准线控制摊铺,调整好铺筑厚度和横坡,并对自动找平梁进行校正,50 m后采用找平梁控制摊铺。摊铺机调整好松铺厚度、横坡。松铺系数按1.3铺装水泥改善级配碎石基层,松铺厚度为19.5 cm。

(2)运料车至少有三辆在摊铺机前按序排列等候,装料后摊铺机开始摊铺,运料车始终保持在摊铺机前20～30 cm处卸料,由摊铺机接住,推向前行。摊铺时,摊铺机停顿和收斗次数不宜太多。

(3)有专人跟踪检测高程、横坡和厚度,及时进行校核与调整。

(4)控制摊铺机的行驶速度为2～3 m/min,保持摊铺过程中摊铺机匀速前进,不得中途变速。

2.3 基层碾压

(1)初压:用20T振动压路机静压1遍,使混合料稳定就位。在直线和不设超高的平曲线上,碾压从两侧路肩开始,逐渐错轮向路中心进行;在超高的平曲线上,碾压从内侧路肩开始,逐渐错轮向外侧路肩进行。错轮时,每次重叠1/3轮宽。在第一遍碾压后,再次找平。初压终了时,初压后检查平整度和路拱横坡,必要时应予修正。

(2)复压:用振动压路机小幅振动碾压2遍,大幅振压3遍,碾压过程必须遵守先慢后快,先两边后中间,有超高的先压低侧后压高侧。错轮时,每次重叠1/3轮宽。严禁压路机在成型的垫层上掉头、急转弯。

(3)表面收光:碾压到规定遍数后,静压一遍消除压路机轮印。

2.4 压实度检测

在压路机碾压终了后,试验检测人员及时按挖坑灌砂法测定压实度试验方法的要求检测压实度,压实度达到98%为合格。检测压实度合格后及时跟进封油;如压实度不合格,需用压路机补压,如填料的实际含水率比最佳含水率低,则用洒水车及时均匀洒水,再用压路机补压,重新检测压实度合格后施工封油层。

2.5 沥青封油层施工

按设计文件要求,该路段使用热沥青封油。考虑该路线车流量很大,如果基层不封油即开放交通,会对基层造成较大的损坏;如用热沥青封油将会影响交通造成交通堵塞,严重的影响基层施工。因此采用1.5 cm厚乳化沥青封层,待乳化沥青破乳、水分蒸发、干燥成型后即可开放交通。

3 低掺量水泥稳定级配碎石基层性能评价

水泥掺量过高或过低都达不到低掺量水泥稳定级配碎石的使用效果,因此现场试验检测人员应实时检测水泥含量,如偏差>0.5%应停止摊铺,及时调整,符合要求后再进行摊铺,检测结果如表3所示;设计文件中对无侧限抗压强度不做要求,但是为了测试混合料的实际强度,按98%的压实度成型无侧限抗压强度试件。14 d无侧限抗压强度试验结果如表4所示;采用灌砂法现场检测粗颗粒断级配水泥稳定级配碎石混合料结构层的压实度,结果如表5所示。

表3 水泥含量现场抽检结果表

表4 低掺量水泥稳定级配碎石基层无侧限抗压强度试验结果表

表5 低掺量水泥稳定级配碎石基层的压实度检测结果表

从表3、表4可知,基层结构所使用的水泥含量符合预期2.5%的低水泥掺量要求。在较低的水泥含量下,其各路段混合料的14 d无侧向抗压强度均较低,基本保持在2 MPa左右,且室内试验有多个试块难以成型。在对现场养生满3 d、7 d、28 d的基层进行转芯抽检时,短龄期芯样基本不成型,12个28 d龄期芯样仅成型2个,其余均为松散碎石状。这也印证了低掺量水泥稳定级配碎石主要靠级配碎石的嵌挤抵抗变形,因此基层必须有足够的压实度使碎石紧密嵌挤形成骨架,从表5可知,各路段压实度均满足规范要求,甚至部分超百,说明摊铺碾压效果良好,碎石骨架结构稳定。

原路表回弹弯沉除个别点外基本在40～70 mm范围内,弯沉偏大说明原路面结构在重交通重载作用下不堪重负,内部损坏严重。为使大修后路面能在重载重交通下保持稳定,各结构层设计弯沉分别为:填隙碎石垫层58 mm,低掺量水泥稳定级配碎石基层47 mm,AM-25沥青下面层37 mm,AC-13沥青上面层32 mm。对各摊铺碾压完成的结构层进行回弹弯沉检测,结果如图4所示。从图4可以看出,新加铺各结构层弯沉均比设计值小很多,且波动较小,填隙碎石垫层弯沉为19～42.4 mm,低掺量水泥稳定级配碎石基层为21.1～33.3 mm,AM-25沥青下面层为17～25.5 mm,AC-13沥青上面层为14.1～23.1 mm,这表明新建路面结构较稳定,抵抗重载能力强。

4 结语

(1)低掺量水泥稳定级配碎石结构层主要依靠碎石的嵌挤作用抵抗变形,水泥浆的水化作用使得骨架结构更加密实,在一定意义上可以认为其属于柔性结构。

(2)柔性的级配碎石层、沥青层、低掺量水泥稳定级配碎石层可在摊铺后较短时间内开放交通,充分利用交通荷载行车压密作用,可以提高路面各结构层的整体稳定性,缩短施工维护交通周期。

(3)根据旧路面的不同路况,采取分段、针对性强的设计方案(18 cm大粒径级配碎石+15 cm水泥改善级配碎石+封层+8 cm～13 cm AM-25+4 cm AC-13),合理利用了原路面的剩余价值,提高了路面结构层的抗车辙和抗裂能力。该项目高温高湿以及重载重交通环境属于广西典型交通特征,低掺量水泥稳定级配碎石在项目中的应用可为后续广西国省干道路网大中修工程提供借鉴。