骨架密实型二灰碎石基层修筑技术研究

骨架密实型二灰碎石基层修筑技术研究摘要：采用无侧限抗压强度实验、干缩温缩实验、水稳定性实验以及抗冲涮实验，系统地研究了骨架密实型二灰稳定碎石的路用性能。骨架密实型二灰稳定碎石具有优良的力学性质，干温缩性能，水稳定性以及抗冲刷性。通过试验路三年的验证，也说明了骨架密实型二灰稳定碎石比现行规范规定的级配具有良好的路用性。关键词：骨架密实型；二灰碎石基层；修筑；路用性能一、问题的提出随着国民经济的高速发展,作为经济发展的基础建设项目,高等级公路的建设也有了飞速的发展,特别是近几年取得了可喜的成绩。截止1999年底,我国高速公路通车总里程达到1万公里,而这些公路均为半刚性基层路面。与此同时,也有一些公路在运行的早期由于路面的设计、施工等不尽合理,造成了路面的早期破损。路面的早期破损虽然与面层类型、荷载大小、雨水等有关,但它与路面的主要承重层基层也有很大关系。据调查,相当部分的路面破坏均缘于基层,因此要提高高等级公路的路面修筑质量,首先要解决好基层的问题。在我国常用的半刚性基层主要有:水泥稳定粒料类、石灰稳定粒料类和石灰粉煤灰稳定粒料类。这些基层具有强度高、耐久性好、造价低等许多优点,因而它的出现受到工程界的普遍欢迎。二灰碎石基层由于其具有较高的后期强度、板体性能,比其它混合料具有更好的抗裂性能和抗冻性能,在高等级公路的修筑中得到了越来越普遍的使用。尽管如此,也并非所有采用二灰碎石基层修筑的路面都获得了预期的效果。采用现行施工规范的二灰碎石结构层所暴露出来的粒料偏细、收缩性大、反射裂缝严重等问题也日益突出。究其原因主要为二灰碎石混合料的配合比不当,碎石骨料级配不合理。现行《公路路面基层施工技术规范》中对二灰集料类混合料应用于高等级公路的唯一指标是:混合料7天、浸水抗压强度不应小于0.5MPa。就其作为基层的受力特性来说是必要的,而且是必须的,但设计时仅仅只考虑强度要求,有时甚至是单纯的追求强度,而忽视诸如抗温缩及干缩性能方面的要求,在温度条件变化、干燥失水以及行车荷载等外部因素的单独或综合作用下,势必造成混合料的温缩、干缩裂缝和混合料的松散,从而破坏了二灰碎石的板体性能,大大降低了其承重能力。有时裂缝反射到路面面层,形成反射裂缝,加剧了路面破坏。因此二灰碎石混合料的设计应在满足行车荷载对其强度要求的前提下,尽量减少其缩裂,达到充分发挥二灰碎石板体性能的目的,而二灰碎石混合料的强度、1温缩、干缩以及抗冲刷性能与混合料的配合比、骨料的级配组成、气候变化,施工条件等均有直接关系,其中混合料的配合比是其最主要的内在因素。随着重型振动压路机在道路施工中的应用,哈尔滨建筑工业大学王哲人教授提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。他认为以前的二灰碎石结构模型概括为“松排骨架,紧密填充”,而当时基层施工都是采用静态碾压,在室内一律采用击实或加压成型。因而在二灰碎石中集料的用量,在一实方混合料中最多为一松方,压实后的混合料,集料刚刚靠扰而不密实,剩余空隙才有可能全为结合料所填充,使结合料的胶结和骨架作用共同发挥,然而这种二灰碎石在实践中的使用并未取得令人满意的效果,它虽然解决了半刚性基层稳定性的问题,但其往往伴随着压密性差、早期强度低、耐疲劳性能差。实际使用中,尤其在北方,容易造成路面基层低温缩裂、路面面层反射裂缝,进而使路面破坏。由于目前在基层施工过程中普遍采用重型振动压路机,因而二灰碎石的组成符合紧密嵌挤骨架密实结构,突破松排骨架中集料的用量极限,减少收缩系数以提高混合料的耐裂性,再以具有振动状态下最大干密度的结合料来填充集料间的空隙,以最少量的填隙获得最大的填隙率,得到混合料的最大密实度,从而达到混合料最好的力学性能,提高半刚性基层各方面的性能指标。以上列出的各种组成结构观点代表了二灰碎石从出现到逐渐走向成熟生产工艺的发展过程,也说明了在使用过程中,人们对二灰碎石的组成结构和性能的认识在不断地深入。并且随着路面结构要求的提高和生产工艺的改进,二灰碎石的路面结构使用性能也得到了改善。最初只是用于轻交通量的石灰粉煤灰混合料,接着是在二灰中加入一些粗颗粒的集料形成悬浮的二灰碎石,然后随着使用要求的提高,对集料进一步提出要求,有一定级配的颗粒粒径较小的集料取代了原先单粒径粗颗粒集料,形成骨架型的二灰碎石。目前由于大吨位振动压路机的使用,使得集料颗粒在二灰碎石混合料中从以前的松散排列向紧密骨架结构过渡。二、骨架密实结构骨架密实结构应用广泛，骨架密实结构最合理，其密实性、强度和稳定性都较好，是一种较理想的结构类型。通俗的来说，骨架密实结构就是石子紧密堆积，而沙刚好填满石子空隙的状态。例如：沥青混合料按照其矿料级配组成特点，可形成“密实--悬浮”结构、“针架--空隙”和“密实—骨架”结构，分别具有不同强度特征和稳定性。其中悬浮密实型是按照最佳级配原理设计的，密度和强度都较好，但稳定性较差，一般用于沥青砼中。针架空隙型主要以石料的嵌挤和内摩擦阻力形成骨架，属于连续型开级配。热稳定性好、但是沥青与矿料的粘结力差，空隙大，耐久性差。骨架密实型综合了两种的性能，是比较理想的结构类型。沥青混合料组成设计包括选择原材料和配合比设计，沥青混合料组成材料质量规格应满足设计要求，并且根据道路等级、交通特性、气候条件、施工方法等因素进行选择。我国现行热拌沥青的配合比设计方法主要包括：矿质混合料配合比设计和最佳沥青用量的确定。沥青用量采用马歇尔试验方法确定，所设计的沥青混合料还应满足水稳性和抗车辙与抗低温开裂能力的要求。SMA叫沥青码蹄脂碎石，是一种间断级配的沥青混合料。即各档料的用量不是连续的，其特点是粗料多，细料少，用油量高，矿粉多，有时会在混合料内添加纤维以增强其骨架加筋效果，其混合料属于骨架密实型结构，表面的构造深度较好，路面抗滑性能较AC（沥青混凝土）、SUP（全称Superpave，也是一种连续级配，与AC级配比较类似，混合料也属于悬浮密实型，只是在其级配设计时，有一个禁区，级配曲线2是不允许通过的，实验室级配设计时与AC、SMA的设计成型方式不一样，它采用旋转压实，用的是体积设计法。这类级配设计源自美国的AASHTO的SHRP计划研究成果，因为其设计成本较高，目前在我国应用很少，尚处于引用与研究阶段）好。具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定和抗滑性。在SMA混合料中，矿料级配组成应保证集料颗粒能形成‘石一石’骨架结构。沥青玛蹄脂应能密实的填充集料骨架结构的空隙。实验室级配设计时采用马歇尔击实成型。此类设计源自德国。成本较高，这种混合料疲劳性能、高温性能都较好。再如配置混凝土时为什么要选用合理砂率（最优砂率）？合理的砂率才能得到合适的混凝土结构。根据集料的级配和粗细集料的不同，混凝土有三种结构形式：悬浮密实结构、骨架空隙结构、骨架密实结构。三、二灰碎石石灰、粉煤灰稳定碎石结构简称“二灰碎石”。它是通过无机结合料石灰、粉煤灰胶结碎石产生强度的一种半刚性结构。二灰碎石基层的压实度是极为重要的质量检测指标。二灰碎石混合料属于固结（胶结）密实稳定结构。其成型强度主要依赖于二灰，特别是石灰的质量和数量所提供的固结作用，而体积稳定性则主要由结构状态密实程度和空隙率大小决定。现行《公路路面基层施工技术规范》JTJ034－2000修订说明中，有关此类混合料组成设计原理的论述，虽较JTJ034－93有所改进，但涉及其结构状态方面，仍然认定当二灰与粒料之比在15∶85～20∶80时，混合料就是骨架密实式结构。若按原规范推荐的A、B两类级配组成范围，能够形成集料骨架的4．75mm以上颗粒重量，百分比仅为：A类为32～48％至45～51％；B类为32～48至52～55．25％（公式为4．75mm筛余量（80～85％）。当级配最大粒径为30mm,粗集料含量低于55％时，我们认为它应是悬浮密实结构，而形不成集料骨架。由于骨架密实式和悬浮密实两种结构的击实或压实密度形成机理和效果有些不同，其要求也有所区别：前者应使主骨料能相互接触而又不过分嵌挤，骨架间隙尽量填实；后者重在总体密实，减小空隙率，相对于骨架密实式而言压实较难，但较易控制，得到的结构密度可能稍高。之所以出现密度标准和评定结果方面的困惑，与这些认识差距可能有较大的关系，需要加以探讨。四、骨架密实型二灰稳定碎石基层路用性能二灰碎石作为替代传统筑路材料的新材料，同时也解决了环境问题。早在20世纪50年代中期，已在欧美国家呈稳定增长的趋势。20世纪70年代前半期，它的使用已非常普遍，并且用量非常大。国外于20世纪60~70年代对二灰碎石材料作过大量的研究工作，制定了相应的使用规范，总结了成熟的施工经验，经历了大量实际路面及机场工程的实践。在中国从20世纪60~70年代以来，二灰碎石的应用得到了大力推广，已经成为目前路面工程中使用最广泛的两种半刚性基层材料之一。随着人们对二灰碎石认识的深入，以及施工工艺的不断改进，二灰碎石的组成结构和性能也发生了相应的变。在二灰碎石生产中普遍采用颗粒较粗的低品质粉煤灰和三级消石灰，配合比为1：2~1：4。就目前来看，在这方面变化一直不大，意见比较趋于统一。而变化及争论较多的是集料的粒径、级配、以及在混合料中3的含量和结构型式。最初，上海市由于土源缺乏，就地取材进行了工业废渣的应用研究。开始是什么工业废渣都用，如水淬渣、道渣、煤渣、矿渣、电石渣等等、并都取得了相应的效果。后来经技术上、经济上的比较，优选了三渣，即道渣（碎石）、煤渣（粉煤灰）、电石渣（石灰）作为基层，即现称的二灰碎石，俗称三渣。当时的二灰碎石以单粒径道渣为主骨料，以二灰作粘结料填充。初期施工时是以松方体积比1：2：3控制。如按同的松方密度换算，道渣约占2/3，即67%左右。以后改为质量比，简称为两个3：7，即石灰:粉煤灰=3:7，二灰：集料=3:7。所以，这样组成的二灰碎石在理论上属嵌挤填充范畴。但过去的单粒径为主的三渣，压实后平整度差,因而从有利于摊铺与压实考虑，最大粒径应予以降低。1.力学性能在路面结构中,特别是沥青路面中,基层要承受交通荷载的反复作用,因而基层应具有足够的强度和刚度,以使得其在设计使用年限内不会产生过大的残余变形,不产生剪切和疲劳破坏。在目前的基层施工技术规范中,对于二灰碎石只采用抗压强度指标进行质量控制,而无其它指标。二灰碎石的抗压强度是路面结构分析中一个重要参数,不但要了解其早期的强度,还需要了解其发展规律,掌握其潜能,从而能够充分发挥二灰碎石的特点。为了充分比较不同类型二灰碎石的强度发展规律,本研究选用了《沥青路面设计规范》JTJ014一97中二灰碎石的级配,本文提出的骨架密实级配以及采用新乡电厂粉煤灰掺加1%碳酸钠:骨架密实级配,进行了不同龄期的抗压强度试验,其结果见表4一1和图4一1所示。表4一1不同级配类型二灰碎石的强度变化规律注:石灰:粉煤灰二碎石二5:15二80,《沥规》4图4一1不同级配类型二灰碎石的强度从上述试验结果可以看出,二灰碎石混合料的强度随龄期的增长而增大,不同填充水平对二灰碎石强度影响较大,m级填充水平强度最高,它大于《沥青路面设计规范》中规定级配的强度,因此在后续试验中均采用工11级填充来比较。对新乡粉煤灰不加早强剂时,其强度显得偏低,但掺入1%碳酸钠后其强度增长幅度很大。2.收缩性能处于自然气候条件中的二灰碎石在经历温度和湿度变化时,会产生一定量的收缩。在收缩比较严重的情况下,往往基层表面会出现有规律的横向裂缝,并进一步发展到面层形成反射裂缝,从而危及道路的使用寿命,因此必须重视二灰碎石的千温缩性能。一、引起收缩的原因1.干燥收缩干燥收缩是引起二灰碎石收缩的最主要原因。二灰碎石材料内部充满大大小小各种尺寸的孔隙,这些孔隙通常由水和气体来填充。在干燥过程中,首先发生气孔水和毛细孔水的蒸发。毛细孔水的蒸发,使毛细孔内水向后退,弯月面的曲率变大,在表面张力的作用下,水的内部压力比外部压力小。随着空气湿度的降低,毛细孔中的负压逐渐增大,产生收缩力，使二灰碎石出现收缩,当毛细孔中的水蒸发完后,如继续干燥,则凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发,失去水膜的凝胶体颗粒,由于分子引力的作用,使粒子