二灰碎石配合研究論文
時間：2022-07-09 06:40:00
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摘要：本文通過對半剛性基層二灰碎石的反射裂縫的分析，提出對二灰碎石配合比的設(shè)計思路，以減少反射裂縫的數(shù)量，保證路面的路用性能。
關(guān)鍵詞：二灰碎石配合比設(shè)計探討
鑒于目前二灰碎石基層設(shè)計采用《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-93)存在著干縮裂縫較多，施工中石屑用量過大、來源困難、造價過高等問題，我所對一些發(fā)生基層裂縫的瀝青路面進行了現(xiàn)場取樣調(diào)查，并對滬嘉高速公路、濟青高速公路進行了實地調(diào)查。同時，我們根據(jù)江蘇實際情況采用多種配合比及集料進行配合比設(shè)計和無側(cè)限抗壓強度試驗。現(xiàn)將我們對二灰碎石配合比設(shè)計的初步研究結(jié)果介紹如下，與大家共同探討。
1橫向裂縫是高等級公路瀝青路面的主要缺陷之一
瀝青路面裂縫尤其是橫向裂縫，近年來已成為瀝青路面的主要病害之一。不論其面層是國產(chǎn)瀝青還是進口瀝青，都會不同程度地出現(xiàn)橫向裂縫。滬嘉高速公路1988年竣工通車后，1992年橫向裂縫達300多條，1993年每隔12～20m一條，1994年每隔12～15m一條，全線已有1000余條橫向裂縫，莘松高速公路1990年12月峻工通車，經(jīng)過三年的通車使用，也出現(xiàn)了橫向裂縫，200條，其共同特點是所有裂縫有些橫向裂縫間距在12～15m之間，1994年裂縫約有都是上寬下窄，橫向裂縫大都貫穿路面全寬。濟青高速公路1993年底通車，在濟南段(Ⅰ標(biāo)段)也有橫向裂縫。以上公路路面結(jié)構(gòu)見表1。
表1
滬嘉高速公路
莘松高速公路
濟青高速公路
4cm細粒式瀝青混凝土
4cm細粒式瀝青混凝土
4cm細粒式瀝青混凝土
6cm粗粒式瀝青混凝土
6cm粗粒式瀝青混凝土
5cm粗粒式瀝青混凝土
7cm瀝青碎石
8cm瀝青碎石
6cm粗粒式瀝青混凝土
46cm二灰碎石
44cm二灰碎石
24cm二灰碎石
20cm砂礫
15cm砂礫
42二灰碎土
滬寧高速公路所做的試驗路也出現(xiàn)了橫向裂縫。這些裂縫的最終結(jié)果導(dǎo)致路面雨雪水不斷下滲，行車后造成路面唧泥，最終導(dǎo)致路面損壞。
國外的觀點是，半剛性基層在鋪筑瀝青路層之前或之后必然要產(chǎn)生裂縫，并造成反射裂縫，需經(jīng)常采用加厚瀝青面層來減輕反射裂縫。美、加、英、法、日、澳等國不少學(xué)者認為，要求瀝青路面不裂是不可能的。由此可見，橫向裂縫已成為瀝青路面的主要問題之一，其發(fā)生是不可避免的，但盡可能減少并推遲其發(fā)生的時間則是可能的。
通過我們的初步研究分析來看，除施工質(zhì)量外，二灰碎石中集料級配偏細是造成二灰碎石裂縫的重要原因。
2現(xiàn)有路面裂縫情況及原因分析
從我們對一個試驗段瀝青路面裂縫調(diào)查情況來看，裂縫大多為橫向貫通裂縫，也有個別地方有縱向裂縫，大約5～10m一道，在全段分布，表面裂縫間隙大小不等，在0.1～2mm之間，且不論路堤高低均有裂縫存在，這就排除了沉降對裂縫產(chǎn)生的影響。在對鉆孔所得芯樣來看，無論二灰碎石厚度多少(20～33cm)其裂縫均從上到下全部貫通，且裂縫寬度較大，在1～2mm左右。大粒徑集料在芯樣中呈懸浮狀，無嵌擠，屬懸浮式二灰碎石。該試驗段二灰碎石組成設(shè)計為石灰:粉煤灰:粒料-8:17:75，混合料中集料的顆粒組成采用交通部《公路路面基層施工規(guī)范》(JTJ034-85)規(guī)定(見表2)。
表2
通過下列圓孔篩(mm)
的重量百分率(%)
40
20
10
5
2
1
0.5
0.074
100
60~85
50~70
40~60
27~47
20~40
10~30
0~15
集料由3～4種不同規(guī)格組成，其施工集料篩分結(jié)果見表3。
表3
通過下列圓孔篩(mm)
的重量百分率(%)
40
20
10
5
2
1
0.5
0.074
99.6
73.0
51.9
41.2
29.6
27.1
20.3
9.1
其二灰碎石混合料篩分結(jié)果見表4。
表4
通過下列圓孔篩(mm)
的重量百分率(%)
30
25
20
15
10
5
2.5
1
0.5
94.94
91.44
83.34
73.34
62.84
50.14
39.74
36.04
27.54
監(jiān)理及施工報告表明，二灰碎石基層、二灰土底基層和路基壓實度、強度及彎沉均達到設(shè)計要求，且通車時間很短，荷載性裂縫可能性小，因此有必要對裂縫產(chǎn)生的原因進行深入的分析。
瀝青路面開裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的，影響裂縫輕重程度的主要因素有瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)、基層材料的性質(zhì)、氣候條件(特別是冬季氣溫及其變化)、交通量和車輛類型以及施工因素等。但就瀝青路面開裂的主要原因而論，可以分為兩大類：一類是荷載型裂縫，一類是非荷載型裂縫。試驗段的裂縫屬非荷載型裂縫，其縫上端開口寬、沿深度向下很快變窄即證明這一點。由下層裂縫促成面層由底到頂產(chǎn)生的裂縫稱為反射裂縫。在新建公路中，半剛性基層溫縮開裂和干縮開裂是引起反射裂縫的主要原因。
由于半剛性瀝青路面具有很多的優(yōu)點和明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益，國外高等級公路越來越多地采用半剛性基層瀝青路面。長期以來，國外認為采用半剛性基層可避免瀝青面層產(chǎn)生疲勞破壞的同時，普遍認為這種結(jié)構(gòu)中瀝青面層的裂縫是由半剛性基層引起的反射裂縫。殼牌瀝青路面設(shè)計方法在概括各國的觀點和使用經(jīng)驗時指出，水泥穩(wěn)定基層上瀝青路面的厚度取決于允許產(chǎn)生裂縫的程度，常在15～25cm之間變化。在第43屆世界道路會議半剛性路面的綜合報告中關(guān)于裂縫的論述仍是反射裂縫的概念。
國外在高等級公路上采用半剛性基層材料主要是水泥處治材料，它包括貧混凝土和水泥穩(wěn)定粒料土，也有采用石灰粉煤灰集料或石灰、水泥、粉煤灰集料做瀝青路面基層的，但規(guī)模要小得多。而我國滬嘉、西臨、滬寧、莘松等高速公路都采用了含粉煤灰集料的半剛性基層瀝青路面，因此反射裂縫是半剛性基層的一個主要特征。
從機理分析，半剛性基層材料的縮裂分為因溫度變化而造成的溫縮與因含水量變化而造成的干縮兩種。水是影響此類材料溫縮的主要因素，特別是在非飽水狀態(tài)時影響較大。試驗結(jié)果表明，當(dāng)溫度在0°～10°C時，在最佳含水量附近總出現(xiàn)最大的溫縮系數(shù)。干縮的基本原理是由于水的蒸發(fā)而發(fā)生的毛細管作用、吸附作用、分子間作用、材料礦物晶體或凝膠體間水的作用、碳化收縮作用等引起的整體宏觀體積變化，結(jié)合料的礦物成分和分散度影響最大，集料可使干縮降低。可見初期養(yǎng)生不良或含增加對水的作用減少，齡期增加、強度提高水量太大必將導(dǎo)致很大干縮，特別是二灰碎石7d后干縮才趨于穩(wěn)定。
3現(xiàn)行規(guī)范在二灰碎石集料級配設(shè)計中的問題
半剛性基層的一個核心問題是水的問題而水的多少與控制又直接與二灰碎石中石灰、粉煤灰和細料的含水量有直接關(guān)系。
交通部1985年頒布了《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-85)并在1993年進行了大幅度修訂后頒布了新的《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-93)。其中對二灰碎石材料的要求主要是，二灰碎石材料用作基層時，混合料中集料的重量應(yīng)占80%～85%，集料的最大粒徑不超過30mm(方孔篩)，如為圓孔篩，則最大粒徑可為表列數(shù)值的1.2～1.5倍，其顆粒組成應(yīng)符合2號級配范圍(見表5)。如將其換算為圓孔篩則與JTJ034-85規(guī)范基本一致，因此不存在新老規(guī)范不一致的問題，而主要是過去我省在二灰碎石施工中未真正按規(guī)范要求施工而已。
表5
通過下列圓孔篩(mm)
的重量百分率(%)
40
30
20
10
5
2
1
0.5
0.07
100
90~100
60~85
50~70
40~60
27~47
20~40
10~30
0~15
規(guī)范在修訂說明中指出，為了減少基層混合料在拌和、運輸和攤鋪過程中粗細集料的離析現(xiàn)象，減少拌和機的磨損以及為使基層具有較高的平整度，將用做高速公路和一級公路的基層集料的最大粒徑縮小到方孔篩30mm。同時指出，當(dāng)石灰粉煤灰與粒徑之比15:85～20:80，并且在混合料中粒料起骨架、石灰粉煤灰起填隙和膠結(jié)作用時，稱為密實式二灰碎石：當(dāng)石灰粉煤灰與粒料之比為50:50左右，并在混合料中形不成骨架，而是懸浮在石灰粉煤灰混合料中時，稱為懸浮式二灰粒料。懸浮式二灰粒料收縮性大，容易產(chǎn)生干縮裂縫，其最大干縮應(yīng)變(827με)約為密實式二灰碎石的3倍(233～273με)。
從我所對12種不同級配的混合料擊實后取樣和現(xiàn)場取芯觀察來看，現(xiàn)行規(guī)范中雖然粒料占80%，但粒料大部分由5mm以下石屑組成(約占50%左右)，而30mm以上粒料很少(約占10%左右)，這樣必然造成粒料形不成骨架，石灰粉煤灰及石屑在起膠凝而不是填隙作用，只能是懸浮式二灰粒料。這種粒料的強度與剛度較大，特性更加接近水泥混凝土，其結(jié)果必然造成大量裂縫特別是后其裂縫的產(chǎn)生。加之由于細料偏多、壓實后表面光滑、無石子外露，與瀝青路面面層聯(lián)結(jié)不利，面層的抗剪性能大大降低。而想通過行車使其石子外露不僅不切合實際，而且會產(chǎn)生基層表面的松散，這與規(guī)范設(shè)計相矛盾。
我省自1978年開始進行二灰碎石施工，迄今已有十幾年了。以往由于公路等級不高，且多為邊通車邊施工，因此往往未按規(guī)范進行粒料級配設(shè)計，且多為2、4、6等單一級配，粗粒料約占二灰碎石70%～75%，從擊實及現(xiàn)場取樣結(jié)果可以看出，這種級配粒料在混合料中形成骨架。石灰粉煤灰起填充作用和膠結(jié)作用，可稱為密實式二灰粒料。根據(jù)以往在滬寧二級公路及其它二級公路施工及使用情況來看，其收縮裂縫幾乎沒有或至少50m以上才會有一道。但按照現(xiàn)行規(guī)范，這種級配的強度難以達到要求，且平整度亦難以控制。
綜上所述，在二灰碎石組成設(shè)計中存在較多的如強度、收縮裂縫、平整度、含水量控制等相互制約和矛盾的問題，如何把幾者有機的統(tǒng)一起來，制訂適合于江蘇省高等級公路特點和要求的二灰碎石最佳組成、集料級配、裂縫防止和處理方法以及施工工藝是一個重要而緊迫的課題。
4對二灰碎石配合比設(shè)計的初步思路
為了解決好以上相互制約的幾個問題，我們在進行二灰碎石配合比設(shè)計時。根據(jù)三個不變、一個控制、一個提高的原則，即保證80%以上粒料比例不變、0.8MPa無側(cè)限抗壓強度不變、集料連續(xù)級配不變，控制5mm以下粒料用量，提高2mm以上粒料用量。這樣設(shè)計以嵌擠型代替膠結(jié)型，減少收縮，增大粗粒料用量，減少對水的敏感程度，減少整體材料的孔隙率、比表面積和含水量，大幅度降低干燥收縮，以適當(dāng)級配代替單一級配，減少碎石單一缺少連接面易造成離析和平整度差的問題。
根據(jù)以上設(shè)計原則，我們對寧連一級公路連云港段二灰碎石級配進行調(diào)整，并通過了交通廳組織的專家評審。其混合料合成級配見表6。
二灰碎石混合料合成級配表6
通過下列圓孔篩的重量
(%)
40
30
20
10
5
2.5
0.5
0.074
中值
100
84.5
73.0
47.5
37.5
30
20
6.0
范圍
100
71~98
58~88
35~60
30~45
25~35
10~30
3~9
為了對比推薦級配和規(guī)范級配以及單一級配的各項性質(zhì)進行了室內(nèi)試驗(擊實、抗
壓強度、模量和干、溫縮)，結(jié)果見表7、表8。
各級配擊實試驗結(jié)果表7
級配含量
(%)
類型
項目
單一級配
規(guī)范級配
推薦級配
集料
組成
(%)
1-3碎石
100
10
37.5
1-2碎石
27.5
37.5
石屑
62.5
2.5
Ydmax(g/cm3)
2.01
1.96
2.01
WO(%)
8.9
9.3
9.4
注：混合料的配合比為8:12:20
強度、模量試驗結(jié)果表表8
指標(biāo)
齡期
級配
抗壓強度
(MPa)
抗壓回彈模量
(MPa)
7d
28d
90d
180d
90d
180d
單一級配
1.07
2.74
4.26
6.14
1240
1480
規(guī)范級配
1.56
3.92
5.82
8.06
2120
2410
推薦級配
1.23
3.12
5.29
7.54
1750
1980
注：以上數(shù)值均為代表值。
通過干縮和溫縮試驗繪制的各種級配圖分別為干縮應(yīng)變與時間變化(圖1)、干縮應(yīng)變與失水率關(guān)系(圖2)、干縮系數(shù)與失水率關(guān)系(圖3)、溫縮應(yīng)變與溫度關(guān)系(圖4)、平均溫縮系數(shù)與溫度關(guān)系(圖5)，圖中1號為推薦級配，2號為規(guī)范級配，3號為單一級配。
室內(nèi)試驗表明各級配的7d無側(cè)限抗壓強度均滿足要求，為進一步研究不同級配在施工中的可操作性和路用性能，我們在寧連一級公路南馬段鋪筑了試驗路，試驗路長度300m，三種不同級配的二灰碎石各100m，施工時間為1995年6月28日～7月9日。混合料的配合比均為8:12:80。施工過程的檢測結(jié)果見表9、表10、表11。
平整度檢測表表9
級配種類
平均值
標(biāo)準(zhǔn)差S
h=h+1.645s
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
單一級配
6.4
3.12
11.48
＜10mm
規(guī)范級配
4.9
2.10
7.95
＜10mm
推薦級配
5.1
2.52
9.24
＜10mm
工地7d無側(cè)限抗壓強度試驗表表10
級配種類
試件個數(shù)n
平均值
標(biāo)準(zhǔn)差
偏差系數(shù)
Rd/(1-ZaCv)
單一級配
26
1.29
0.30
23.3
1.30
規(guī)范級配
13
1.62
0.193
11.9
1.0
推薦級配
26
1.25
0.229
18.3
1.14
彎沉檢測表表11
級配種類
檢測日期
平均值1
標(biāo)準(zhǔn)差S
1r=1+ZaS
備注
單一級配
1995.7.21
19.75
7.94
36
成型日期
1995.7.9
1995.9.24
9.64
4.12
18
1996.4.17
7.71
3.11
12
規(guī)范級配
1995.7.21
14
6.94
28
成型日期
1995.7.2
1995.9.24
7.52
3.09
13
1996.4.17
7.25
3.39
12.8
推薦級配
1995.7.21
17.6
4.50
27
成型日期
1995.6.30
1995.9.24
10.1
4.42
19
1996.4.17
6.86
3.18
12.1
由于條件所限試驗路采用平地機施工，通過檢測，推薦級配和規(guī)范級配的平整度(三米直尺)均能滿足施工規(guī)范的要求，3種級配的7d無側(cè)限抗壓強度均滿足要求，雖然早期彎沉表現(xiàn)各異，但后期彎沉基本相同。
試驗路施工時正值高溫多雨的季節(jié)，混合料的含水量較大，加之成型后未立即筑下封層，基層未做到保溫養(yǎng)生，暴曬時間較長。在鋪設(shè)下封層后2個月即在下封層上發(fā)現(xiàn)裂縫(此時尚未反射到中面層)，經(jīng)過一個冬季，裂縫有所增加，且全部反射到中面層。
規(guī)范級配的裂縫率(m/100m2)為15.5%、推薦級配的裂縫率為11.5%、單一級配的裂縫率為5.7%。而推薦級配在大規(guī)模推廣生產(chǎn)時，由于含水量控制較好，因而反射裂縫率在4%左右。
試驗路的裂縫率從另一個側(cè)面也反映了集料級配對反射裂縫的影響程度。
通過室內(nèi)試驗和試驗路的鋪筑可見，以上設(shè)計思路是可行的，對于減少裂縫、減少石屑用量、方便施工是有利的。并且，在采用集中廠拌、攤鋪機攤鋪和加強施工控制前提下，其平整度和強度是能夠達到設(shè)計要求的，而且壓實后表面粗糙、石子外露對于瀝青面層的聯(lián)結(jié)也極為有利。
5試驗路裂縫的處理
針對已出現(xiàn)的裂縫，我們采用具有國際先進水平的自粘式玻纖網(wǎng)進行處理，這在國內(nèi)尚屬首次。玻纖網(wǎng)是以高強度玻璃纖維做材質(zhì)的一種新型加筋格柵，具有較大的抗拉強度及彈性模數(shù)、較低的延伸率，很高的熔點，是處治瀝青混凝土路面反射裂縫的優(yōu)良材料。玻纖網(wǎng)較一般加筋格柵最顯著的特點是具有很高的熔點(1000OC以上)，能夠很好地滿足瀝青砼施工要求。一般的塑料加筋格柵在瀝青的攤鋪溫度(130OC～160OC)下容易產(chǎn)生變形和老化，從而形成格柵與瀝青混凝土的間隙，影響鋪設(shè)效果。而玻纖網(wǎng)由于具有較高熔點，完全不會發(fā)生變形和老化，能夠很好地同混合料結(jié)合，發(fā)揮最佳效應(yīng)。
實踐證明，自粘式玻纖網(wǎng)施工方便、粘附力強，在瀝青砼攤鋪和碾壓過程中不會發(fā)生推擠和老化變形，是處理裂縫的優(yōu)良材料。試驗路反射裂縫于1994年底出現(xiàn)，經(jīng)玻纖網(wǎng)處理后，于1996年10月8日通車。到現(xiàn)在尚未有裂縫反射到上面層，其效果非常理想。
6設(shè)計、施工、養(yǎng)護中半剛性路面荷載裂縫的防止方法
根據(jù)二灰碎石的干縮和溫縮機理，我們在設(shè)計、施工、養(yǎng)護中通過采取以下措施，可使半剛性路面非荷載裂縫減少到最低限度。
6.1設(shè)計方面
(1)在進行半剛性路面的設(shè)計時，首先采用抗沖刷性能好，干縮系數(shù)與溫縮系數(shù)
小，抗拉強度高的半剛性材料做基層。
(2)選用松馳性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做瀝青面層。
(3)在穩(wěn)定度滿足要求的前提下，應(yīng)采用針入度大的瀝青做瀝青面層。
(4)應(yīng)該采用合適的瀝青面層厚度以保護基層不產(chǎn)生干縮裂縫并提供優(yōu)良的行駛性能。
(5)為進一步提高表面層的抗溫度裂縫性能，可以采用橡膠瀝青或聚合物改性瀝青在混凝土表面做一封層。
(6)在難以避免裂縫的地區(qū)，在瀝青表面層碾壓結(jié)束后，每隔一段距離鋸一條橫縫，縫深為深入基層厚度的1/3～1/2。
(7)采用較薄瀝青面層時，用級配碎石中間層(12～15mm)。
(8)采用橡膠瀝青面層(應(yīng)力吸收膜)、玻纖網(wǎng)、土工織物、開級配瀝青混凝土底面層。
(9)每隔8～12m鋸一道深6～10cm假縫或預(yù)留縫。
6.2施工方面
(1)施工中的關(guān)鍵是保證在鋪筑瀝青面層之前，半剛性基層不產(chǎn)生收縮裂縫。
(2)在施工中嚴(yán)格控制碾壓含水量。
(3)在制備瀝青混合料過程中不使瀝青過分老化，施工中加強碾壓，使瀝青混合料達到高的密實度，這些措施均有利于減少反射裂縫。
6.3養(yǎng)護方面
(1)半剛性基層碾壓完成后，要及時養(yǎng)生，保護混合料的含水量不受損失，決不能讓基層曝曬變干開裂。
(2)半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結(jié)束后，應(yīng)立即噴灑瀝青乳液做透明層或下封層。
(3)透層或粘層完成后，盡快鋪筑瀝青面層。