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水泥稳定碎石基层(底基层)施工技术与质量控制1前言水泥稳定碎石(以下简称水稳)作为半刚性材料,其作为路面基层和底基层(以下简称基层)具有良好的力学性能和整体性、稳定性(水稳定性和温度稳定性)、耐久性和抗冻性、承载力高及与面层结合好的技术特点,且料源广泛,可就地取材,便于原材料和混合料的加工,易于机械摊铺操作,在高等级公路路面基层施工中被广泛应用。但若不了解它的特性,施工控制不好,如表面松散或底面压实度不足等,就无法保证其半刚性和板体特性,也就发挥不了长处,尤其像基层开裂还会留下工程的隐患,造成不可预想的后果水稳路面基层技术是针对我国高等级公路建设中的实际问题,通过对已建设的主要公路进行咨询调查,在全面总结沥青路面使用成功经验和失败的教训的基础上,对轴载换算、不同荷载模式下的路面应力状态进行了分析、基层及面层混合料设计方法等方面进行了系统的研究,对比分析了常用的不同类型混合料的性能特点,通过综合经济比较,提出的改进的混合料类型。2、水稳路面基层施工技术2.1强度形成原理在水稳中,由于水泥用量很少,水泥的水化完全是在混合料中进行的,凝结速度比在水泥混凝土中进行得缓慢。水泥与集料掺水拌和后,水泥矿物与水分发生强烈的水解和水化反应,同时从溶液中分解出Ca(OH)2并形成其它水化物。当水泥的各种水化物生成后,有的自身继续硬化形成水泥石骨架,有的则同有活性的细集料、矿粉进行反应。归纳起来有如下几种形式:2.1.1离子交换及团粒化作用在水泥水化后的胶体中,Ca(OH)2和Ca2+、共存,而构成集料的矿物是以CaCO3、SiO2为骨架合成的板状、针状、块状的结晶,通常其表面会有Na+和K+等离子进行当量吸附交换,结果使大量的细集料、矿粉颗粒形成较大的颗粒。由于水泥水化生成物Ca(OH)2具有强烈的吸附活性,使这些较大的颗粒进一步与粗集料结合起来,形成水泥碎石的链条状结构,并封闭各细集料之间的空隙,形成坚固的联结,这是水稳具有一定强度的主要原因。2.1.2硬凝反应作用随着水泥水化反应的深入,溶液中析出大量Ca2+,当Ca2+的数量超过上述离子交换的需要量后,则在碱性的环境中使组成矿物的SiO2和Al2O3的一部分同Ca2+进行化学反应,生成不溶于水的稳定的结晶矿物,从而增大了混合料的强度。这种反应称为硬凝反应。2.1.3碳酸化作用水泥水化物中的游离Ca(OH)2不断地吸收水中的HCO和空气中的CO2,生成CaCO3。这种反应也能使集料固结,提高集料的强度,但比硬凝反应的作用差一些。2.2影响水稳强度的因素2.2.1集料对水稳强度的影响集料的类别和性质是影响水泥碎石强度的重要因素之一。粒径:尽量减小细料的用量,减少干缩;级配:级配的优劣影响混合料的均匀性、稳定性和耐久性。优良的级配能保证混合料的拌合质量,合理降低水泥剂量,施工过程中不宜离析。控制关键筛孔的级配强度,主要少压碎值指标;控制石料含水量,否则将会影响水泥剂量的水稳的强度。控制石料的含泥量(砂当量),在水泥剂量一定的情况下,含泥量越大,强度越低。表2-2-1水稳的特性表2-2-1中简列了级配碎石水泥稳定后的一些特性。表2-2-1水稳的特性无侧限抗压强度(7d)(MPa)弯拉弹性模量(MPa)CBR*水泥用量(集料的%)2.8-10.5以上(7-21)×103≥600≤52.2.2水泥的成分和剂量对水稳强度的影响各种类型的水泥都可以用于稳定碎石。对于同一种集料,水泥矿物成分是决定水稳强度的主导因素。在通常的情况下,普通硅酸盐水泥或道路硅酸盐水泥的稳定效果较好,而铝酸盐水泥则较差。当水泥的矿物成分相同时,水稳的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。在硬化条件相似的情况下,当水泥的矿物成分相同时,随着水泥分散度的增大,其化学活性程度和硬化能力也有所增长,从而水泥稳定碎石的强度也大大提高。2.2.2水泥的成分和剂量对水稳强度的影响水稳的强度还在很大程度上取决于水泥的数量,即随着水泥剂量的增加,水稳的物理--力学性质也将显著地改善(如图2-2-1),但不存在最佳水泥剂量。过多的水泥用量,虽可获得强度的增长,但经济上是不合理的,因而存在一个经济用量。同时由于收缩性增加,还会使基层的裂缝增多、增宽。所需的水泥用量,按强度和耐久性需要并考虑其经济性,由试验确定,通常随细粒含量而增加。不要盲目追求高强度,加大水泥剂量:水泥剂量越大,收缩作用越大,在满足设计强度的前提下尽量选择最小剂量。水泥含量(%)无侧限抗压强度()图2-2-1水泥含量对强度的影响2.2.3含水量对水泥强度的影响水稳混合料中的含水量对水稳的强度有很大的影响。当混合料中含水不足时,水泥就要与集料争水,若集料对水有更大的亲和力,就不能保证水泥的完全水化和水解作用。水泥正常水化所需要的水量约为水泥重量的20%。含水量过大时,即会影响混合料可能达到的密度和强度,又会明显增大混合料的干缩性,使结构层容易产生干缩裂缝。含水量大则易形成软弹,无法及时碾压,尽管有时不形成弹簧,碾压过程也容易形成波浪而无法保证表面平整度。施工时根据当时的天气、温度情况确定含水量的大小。另外,水稳的含水量不适宜时,也不能保证水泥在混合料中的均匀分布,更不能保证达到最大压实度的要求。2.2.4工艺过程及养生条件对水稳强度形成的影响水泥、集料拌和得愈均匀,水稳的强度和稳定性愈高。拌和不均匀会使水泥剂量少的地方强度不足,而水泥剂量多的地方则裂缝增加。从开始加水拌和到完成压实的延迟时间,对水稳的密实度和强度有很大的影响。间隔过长,水泥会部分结硬,一方面影响到水稳的压实度,而压实度对强度的影响很大;另一方面将破坏已结硬水泥的胶凝作用,使水稳的强度下降。如图2-2-2所示为的强度损失试验曲线。一般水稳宜在加水拌和后2h内压实完毕。图2-2-2强度损失试验曲线图2-2-3龄期对强度的影响关系图2-2-2拌和后到压实的延迟时间对水泥稳定强度损失(%)延迟时间()碎石强度的影响(水泥剂量5%)图2-2-3龄期对水泥稳定碎石强度的影响(水泥剂量5%)无侧限抗压强度()龄期(天)图2-2-2拌和后到压实的延迟时间对水泥稳定强度损失(%)延迟时间()碎石强度的影响(水泥剂量5%)图2-2-3龄期对水泥稳定碎石强度的影响(水泥剂量5%)无侧限抗压强度()龄期(天)图2-2-2拌和后到压实的延迟时间对水泥稳定强度损失(%)延迟时间()碎石强度的影响(水泥剂量5%)图2-2-3龄期对水泥稳定碎石强度的影响(水泥剂量5%)无侧限抗压强度()龄期(天)水稳的强度也随龄期而增长(如上图2-2-3),为保证水泥的水化,在初期养生阶段应洒水保持潮湿,每天洒水的次数和养生天数视当地气候条件而定。水稳路面基层初期强度高并且强度随龄期增长,提高了路面使用品质,延长了使用寿命,可以节约大量的后期养护费用,具有较好的经济效益。2.3水稳路面基层施工工艺水稳路面基层施工工艺可以概括为“一重点、二环节、三区段、八流程”。即:抓住“配合比”这一个重点,对“拌和场和施工现场”的二个环节、施工现场的“摊铺区、压实区和整形区”三个区段和对“施工准备→施工放样→拌和→运输→摊铺整平→碾压→整形封面→洒水养生和交通管制”八个流程流程进行全面有效的控制。关键环节是配料准确、拌和均匀、碾压密实和适时养生。3水稳路面基层质量控制随着水稳在公路路面基层中的广泛应用,同时也暴露出原材料质量不合格、配合比不准确、拌和不均匀、摊铺不平整、粗集料离析、碾压不密实、接缝不平整等质量问题,从而形成强度不足、局部松散破碎、干缩裂缝、起皮、松散、裂缝、弹簧、翻浆等质量缺陷。为了保证路面基层满足设计要求和使用要求,监理必须依据相关规范、标准层层把关,严格控制,重点是控制原材料选择、混合料组成设计和施工工艺过程。底基层和基层混合料的试验项目试验项目目的重型击实试验(振动击实试验)求最佳含水量和最大干密度,以规定工地碾压时的合适含水量和应该达到的最小干密度,确定制备强度试验和耐久性试验的试件所应该用的含水量和干密度;确定制备承载比试件的材料含水量承载比求工地预期干密度下的承载比,确定材料是否适宜做基层或底基层抗压强度进行材料组成设计,选定最适宜于用水泥或石灰稳定的土(包括粒料);规定施工中所用的结合料剂量;为工地提供评定质量的标准延迟时间对已定水泥剂量的混合料,确定延迟时间对混合料密度和抗压强度的影响,并据此确定施工允许的延迟时间混合料级配检验混合料级配是否符合设计要求质量合格标准值工程类别检查项目检查数量标准值极限低值压实度6~10③处96%92%无结合料底基层弯沉值②每车道40~50个测点③按附录A所得的弯沉标准值基层98%94%压实度6~10③处底基层96%92%颗粒组成2~3③规定级配范围级配碎石(或砾石)弯沉值②每车道40~50个测点③按附录A所得的弯沉标准值3.1原材料的质量控制水稳路面基层的原材料主要有水泥、粗集料、细集料、矿粉。为把好原材料质量关,应加强对各类原材料的料源进行提前确定和检查,在使用过程中按规定频率抽样检验,不合格的材料不得用于工程中。3.1.1水泥普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥都可以用于水稳路面基层施工,一般宜使用低强度等级的水泥,禁止使用快硬水泥、早强水泥以及其它受外界影响而变质的水泥。3.1.2集料水稳混合料中碎石压碎值应不大于28%,针片状含量宜不大于15%,集料中小于0.6mm的颗粒必须做液限和塑性指数试验,要求液限小于28%,塑性指数<9。集料的颗粒组成应符合表3-1的规定。且4.75mm、0.075mm的通过量宜接近级配范围的中值。3.1.3水凡可饮用水皆可使用,遇到可疑水源,应化验鉴定。3.2混合料的配合比设计混合料的配合比设计必须做到三个限制:在满足设计强度的基础上限制水泥用量;在减少含泥量的同时,限制细集料、矿粉料用量;根据施工时气候条件限制含水量,以减少水稳混合料的收缩性。3.2.1在满足设计强度的基础上限制水泥用量混合料通常随水泥剂量的增加,强度逐渐增高,收缩性逐渐增大,水泥剂量太大,既不经济、还会使基层的裂缝增多、增宽,从而引起沥青面层相对应的反射裂缝;水泥剂量太小,不能确保水稳的施工质量。一般建议水泥剂量按3%、3.5%、4%、4.5%、5%五种比例进行试验。制备不同比例的混合料,取符合强度要求的最佳配合比作为水稳的生产配合比,用重型击实法确定各组混合料的最佳含水量和最大干密度。水泥剂量一般不宜大于5%。建议目标配合比水泥掺入量为4%。级配颗粒组成范围级配碎石或级配碎砾石用做二级和二级以下公路的基层时,其颗粒组成和塑性指数应满足表3.1中1号级配的规定。级配碎石用做高速公路和一级公路的基层时,其颗粒组成和塑性指数应满足表3.1中2号级配的规定。同时,级配曲线宜为圆滑曲线。表3.1级配碎石或级配碎砾石的颗粒组成范围编号通过质量百分率(%)项目12天津市政37.5100100(31.5mm)31.590~10010090~95(26.5mm)19.073~8885~10072~819.549~6952~7447~574.7529~5429~5429~392.3617~3717~3717~260.68~208~208~15筛孔尺寸(mm)0.0750~7②0~7②0~5液限(%)<28<28塑性指数<6(或9①)<6(或9①)注:①潮湿多雨地区塑性指数宜小于6,其他地区塑性指数宜小于9。②对于无塑性的混合料,小于0.075一的颗粒含量应接近高限。3.2在塑性指数偏大的情况下,塑性指数与0.5mm以下细土含量的乘积应符合下列规定:(1)在年降雨量小于600mm的地区,地下水位对土基没有影响时,乘积不应大于120;(2)在潮湿多雨地区,乘积不应大于100。3.2.2在减少含泥量的同时,限制细集料、粉料用量由于水泥剂量对干缩性的影响随集料平均粒径的增大而减少,混合料中若塑性细土的含量过大,很容易产生干缩裂缝,并且随细料含量的增大和塑性指数的增加而明显增加。监理工程师必须对工程实际使用的集料进行筛分试验,根据各种矿料的颗粒级配
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