厚层水稳碎石压实评价方法研究

第33卷 第6期 2011年6月 武汉理工大学学报  JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY  Vol.33 No.6   Jun.2011

DOI:10.3963/j.issn.1671-4431.2011.06.014

收稿日期:2011-04-29.

基金项目:国家自然科学基金(50978031);中央高校基本科研业务费专项资金(CHD2009JCJ151);交通部西部交通建设科技项目(2009318812069)和浙江交通科技项目(2007H21).作者简介:田耀刚(1978-),男,博士,副教授.E-mail:tianguang78@126.com

厚层水稳碎石压实评价方法研究

田耀刚1,2,肖世品3,项柳福4,李炜光1,2

(1.长安大学材料科学与工程学院,西安710064;2.交通铺面材料教育部工程中心,西安710064;

3.浙江省衢州市交通局,衢州324000;4.浙江省公路局,杭州310009)

摘 要: 厚层水泥稳定碎石结构因具有刚度大、分散荷载能力强等特点应用前景广泛,然而其压实度没有统一的测试与评价方法。基于此,该文在3种压实试验基础上,提出一种厚层水稳碎石压实度检测评价方法,并将其用于试验路压实质量控制,通过试验路铺设与跟踪调查研究,证实该方法简便、有效,能够满足厚层水稳碎石施工现场压实度检测需要。

关键词: 厚层水泥稳定碎石; 试槽试验; 压实; 评价方法

中图分类号: U 416.1文献标识码: A文章编号:1671-4431(2011)06-0059-05

整体性水泥稳定碎石基层结构因为具有刚度大、分散荷载能力强等优点[1-5],被广泛使用在广东、浙江等缺乏粉煤灰的地区。实际使用时受技术规范的限制,单层铺筑厚度多为15~18 cm,多层铺筑的施工方式,使结构从设计时的整体受力变成了实际的多薄层受力,影响了整体性基层使用效果。近年来,诸如DT220、英格索兰SD175、中大YZ32等[6]大激振力碾压设备的推广应用,使单层铺筑厚度增加成为了现实。国内也对此进行了探索,如2004年的广西北流-宝圩二级公路改建工程项目[7],单层铺筑压实厚度27~32 cm。2006年以后,在河南、江西、山西等省进行了大面积尝试[8-10],实践证明,增加单层铺筑厚度是可行的。然而目前规范常用的灌砂法、环刀法及核子密实度仪法等压实度检测方法不能有效评价厚层水泥稳定碎石结构的压实程度[11-12],厚层水泥稳定碎石结构压实度没有统一的标准测试方法,现场如何测试成为了一个技术瓶颈。因此,研究厚层水泥稳定碎石的压实检测与评价方法对推动此项工作就显得尤为必要。作者通过大激振力试验装置在室内采用试槽法成型厚层水泥稳定碎石结构层,利用3种方式对不同层位的压实度进行了检测,并结合浙江的实体工程,研究并提出了厚度增加条件下水稳碎石的压实检测与评价方法,研究成果具有较好的推广应用价值。

1 试 验

1.1 级配、水泥剂量和含水量

在原材料技术性能满足要求的前提下,为了使试验更具代表性,水泥稳定碎石的级配选用5公路路面基层施工技术规范6(JTJ034)2000)中值(级配曲线见图1);水泥剂量根据试验路铺筑时的室内试验结果增加0.5%;采用室内重型击实试验测试含水量为4.8%,实际拌和时适当增加0.5%,以满足蒸发的需求(该试验中采用为5.3%)。

1.2 方法

1)试槽试验压实参数

参照现有研究成果,以现有大激振力压路机为原型,反算出室内试验所需的激振力[1],相当于现场80 kN激振力的压实效果。

2)试槽试验试件尺寸

(1)平面尺寸 考虑到高速公路水稳碎石集料的最大粒径不大于37.5 mm,灌砂法试验仪器基板尺寸以及每次检测的数量,同时使碾压试验尽可能模拟路面结构的边界条件。根据预先确定的试验数量和拌合机械的功效,结合碾压时边界对碾压效果的影响,考虑到灌砂法筒测直径20 cm,检测位置呈四边形分布,为保证灌砂挖孔边界距边界至少有3倍最大粒径的距离(4 cm@3),边长至少为20 cm@2+4 cm@3=52 cm;而检测用基板边长为40 cm,试坑边长至少为40 cm@2=80 cm,此外检测位置之间和检测位置与边界之间留有一定的富余空间,故边长选定最大值为80 cm+10 cm@3=110 cm。即开挖面积确定为110 cm@110 cm,检测位置布置图见图2。

(2)开挖深度 这类结构的现场铺筑最大压实厚度为30 cm,施工时松铺系数为1.3,室内适当放宽至1.5,故试槽有效深度取45 cm。

3)测试方法

摊铺过程中重要保证均匀,减少离析现象。文中试验是利用混凝土搅拌机拌料,出料时分别从试槽的两端和中间装料,将其粗平后用平板夯整平表面。使用大激振力振动成型设备对整平后的表面进行振动碾压,首次成型时,在碾压2遍后进行表面15 cm压实度检测,直至压实度达到设计的起始压实度99%、100%、101%、102%,记录下碾压遍数作为下次试验的碾压遍数。

检测方式:

方案1:分为上15 cm和下15 cm两部分分别检测。首先检测上部压实度,检测方法同普通水泥稳定碎石。下部压实度检测时,把上面孔挖大,做出一个平面,保证能放下压实度检测基板,然后再按照同样的方法进行检测。以减少砂落距的不同对检测结果的影响。

  方案2:整体厚度通芯检测,使用直径为20 cm并加高约10 cm的大型灌砂桶(见图3),全厚度一次检测压实度。

方案3:直接测试中间部分的压实度,先将表层约5 cm去除并扩大至能放置基板,然后放置基板使用直径为20 cm的灌砂桶检测结构层中部20 cm的压实度。

以上3种检测方法各有利弊,为了选择合适的压实度检测方法,必须对这3种方案进行试验分析,综合比较后选择一种最适宜厚层体积水泥稳定碎石路面施工的压实度检测方法。

2 测试结果与分析

试槽试验的上15 cm压实度为99%、100%、101%、102%,测试在此前提下上述3种压实度变化规律。

方案1测试结果见表1。

表1 上、下15 cm压实度检测结果汇总  /%

    从上下压实度检测数据情况可以看出,当上部的压实度控制在99%以上时,下部的压实度也不低于98%,均能满足规范的最低压实度要求,而上下压实度差值也基本控制在2%之内。据此可以推断,若上层的压实度达到101%时,下部的压实度一定大于98%,能够满足高速公路的最低压实度要求。

此外,由于下部检测时基板的放置难以做到像上部测试时那样平整,从某种意义上说,该数值较实际有所偏小。上下压实度均值也可以用30 cm检测来检测,所以关于下部压实度数据偏小这一点可以通过对30 cm压实度的检测加以验证。

方案2测试结果见表2。

表2 30 cm压实度检测结果汇总   /%

  30 cm压实度检测避免了上下层分别检测时对下层检测数据的影响,从检测结果来看,数值较上下层分别检测测试的均值略大。30 cm能反映整个结构层压实度的均值,但是对于施工过程中担心出现的下部压实度不足的现象难以体现。同时由于其检测速度慢,对路面结构破坏大[1],所以不能作为大范围使用的检测手段。

方案3检测结果见表3。

表3 20 cm压实度检测结果汇总/%

  中部20 cm检测结果显示,略高于30 cm检测,符合压实度从上至下逐渐降低这一规律,中部20 cm检测较上下分层检测时间短且较30 cm通芯检测对路面破坏小,适宜于厚层水稳碎石压实度检测。

结合表1数据可以发现,当中部20 cm压实度大于99%时便能保证下部15 cm压实度大于98%。

从3种方案特点方面看,方案1采用传统方法测试上层的压实度比较合适,在进行下层检测时由于必须开挖一个能放置基板的面积,并且可能由于基板的放置不平整,会使检测结果偏小。方案2的检测结果仅为整个结构层的平均压实度,不能反应上下结构层的压实度情况。方案1、2除了均对路面造成较大的破坏外,检测花费的时间也较长,不适宜作为厚层水泥稳定碎石压实度检测的方法。方案3的检测结果表征结构层中部20 cm的压实度情况,可以作为补充。

结合以上3种压实度检测方法的优劣,提出一种适合厚层水稳碎石的结合式压实度检测系统,其流程图见图4。

检测流程说明:在同一种施工工艺的一个检测范围内,对压实后的厚层水稳碎石路面首先进行上15 cm压实度检测,如果上15 cm压实度<100%则判定为压实度不合格,需要重新压实。上15 cm压实度>100%则分两种情况对待:当上15 cm压实度>101%时则整个结构层的压实度合格;当上15 cm压实度为100%~101%时需检测中部20 cm压实度数值,若不小于99%则合格,否则为不合格。

3 实体工程验证

课题组于2007年8月31日~9月1日在浙江龙丽丽龙高速莲都段桩号为K5+708~K6+406分别铺筑了28 cm和30 cm厚层水泥稳定碎石试验路。厚层水泥稳定碎石试验路位置结构图见图5。

在试验路现场大激振力压路机进行3遍碾压后进行上15 cm和下15 cm压实度检测,发现上部压实度为99%,而下部压实度检测仅为96%。于是改变压实遍数为4遍,通过4个检测点的检测发现,当上15 cm压实度为101%左右时,下15 cm压实度增为99%以上,满足了压实度要求。之后,便只进行上15 cm压实度检测,利用室内试验所推荐的检测流程检测,完全能够满足要求。检测数据见表4。

表4 厚层水泥稳定碎石压实度检测结果

注:含水量测试值是从碾压现场测试的结果;压实度测试时,标准密度均采用重型击实确定的密度2.30 g/cm3。

现场测试结果显示,通过提高上部结构压实度的措施,可以确保下部结构的压实效果,证明上述流程图4中提出的测试方法是可行的。

图6为厚层水泥稳定碎石取芯试件,取芯件完整无损表明一次铺筑整体性能有较大提高,底部平整无松散证实激振力的增加能够确保底部压实。

为了检验文中提出的厚层水稳碎石结合式压实度控制方法对试验路的铺筑效果影响,课题组先后于2008年5月及2010年7月对莲都段厚层水稳碎石试验段的使用状况进行了跟踪调查和相关检测。从对试验路段的检测结果来看,试验路路面平整,使用状况良好;行车荷载下压力和数据变化不明显,说明厚层水泥稳定碎石路面的板结效果良好,荷载传递到层底的应力

极小;同一桩号左幅水泥稳定碎石沥青路面的行车道出现了4条长度3~5 m的纵向裂缝,而试验段沥青路面未出现纵向裂缝,表明厚层水泥稳定碎石试验路能够满足使用要求,采用文中提出的厚层水稳碎石结合式压实度控制方法切实可行。

4 结 论

a.室内试槽试验结果显示,在单层铺筑厚度30 cm时,在模拟现场大激振力作用的水稳碎石压实度,上15 cm和下15 cm之差在2%以内。

b.首次提出采用两种压实度检测方法组合的方式对压实质量进行控制,通过试验路验证能够满足厚层水稳碎石施工现场压实度检测需要;实体工程验证表明,通过采用提高上部结构压实度的做法可以确保下部结构压实度。

参考文献

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