半刚性基层振动成型法施工技术与质量控制

半刚性基层振动成型法施工技术与质量控制天津市市政工程研究院山西忻保高速公路建设指挥部二零一零年六月半刚性基层材料设计及施工现状振动成型法技术特点及优势振动成型法施工质量关键控制点试验段铺筑注意事项振动成型法基层质量控制体会主体内容第一部分半刚性基层材料设计及施工现状半刚性基层材料特性半刚性材料设计方面的问题半刚性基层施工现状定义：无机结合材料稳定（加固）地方材料分类：水泥稳定类、石灰工业废渣稳定类、石灰稳定类主要特点：强度高、刚性大、抗变形能力较差；以弯拉强度作为结构设计参数；环境温度和湿度对强度的形成及发展有很大影响；强度和刚度均随龄期增长；材料优势：强度和刚度较大，板体性强；水稳定性和抗冻性好；对地方材料的质量要求较低；材料劣势：收缩系数较大，容易开裂；抗变形能力较差，对荷载敏感性较大；抗弯拉强度低，容易发生疲劳断裂；1半刚性基层材料特性半刚性基层沥青路面出现早期损害现象并不表明半刚性基层材料路用性能差，更不能说明半刚性基层不适宜作为高等级路面的结构，工程实践中所出现的一些问题只是反映出目前对于半刚性材料所采用的设计理论、评价指标及试验方法、控制手段等方面需要进一步研究和改进。影响半刚性基层路用性能的因素比较多，一般技术人员难以全面掌握，当在技术关键点的控制方面出现失误时，往往会造成路面的早期损坏现象。1半刚性基层材料特性传统设计方法与现场碾压工况不匹配室内采用重型击实试验确定材料的最大干密度和最佳含水量，采用静压成型试件测定7天无侧限抗压强度，而施工现场大多采用振动压路机和胶轮压路机进行碾压，很明显，传统设计方法与现场碾压工况不匹配，室内试验数据难以准确反映和控制现场施工质量。半刚性材料质量控制指标单一现行规范对半刚性材料路用性能的要求相对简单，除限定原材料性质外，对混合料只要求强度达到要求即可，对其抗裂能力、抗冲刷能力虽有标准试验方法，但没有评价指标，这就使得在设计或施工时只注重提高强度，必然会忽视抗裂、抗冲刷、抗疲劳等路用性能。2半刚性材料设计方面的问题规范确定的级配范围太宽目前规范所确定的级配范围过宽，难以对混合料的综合路用性能进行控制。同样是在规范级配范围内，不同级配混合料的路用性能却差别很大。而且，规范级配范围内的混合料虽能满足力学强度指标，却难以保证具有优良的抗裂性能。现场压实标准过低压实标准的适当提高依赖于碾压设备的升级，如今的碾压设备在性能及压实功能上可以说有质的飞跃，若仍然沿用规范对于压实度的控制标准显然不太合适。而且，现行《公路路面基层施工技术规范》也明确指出，当采用大能量压路机时，宜将压实度在原有基础上提高1%～2%。传统的半刚性材料设计方法及评价标准已经落后于当前技术发展水平2半刚性材料设计方面的问题正是因为对半刚性材料在设计方面存在的一些认识上的偏差，导致施工过程中存在以下一些被视为正常现象的不正常现象，严重影响着半刚性基层的施工质量，比较典型的现象有：半刚性基层在沥青面层铺筑前大量出现裂缝现象；水泥稳定级配碎石混合料的水泥剂量达到5%～6%以上；施工后的半刚性基层表观密实、而且光滑在事实上已经成为半刚性基层质量控制的重要标准；工程中为达到设计强度指标及保证路面芯样完整，提高水泥剂量几乎成为唯一的最有效的手段；现场芯样无侧限抗压强度往往远远大于室内静压成型试件的强度；在现有碾压设备下，无需对施工工艺进行严格控制也能达到较高的压实度已经被接受（压实度超百现象普遍存在）；正是在压实度容易达到的情况下，基层的压实质量反而被严重忽视。3半刚性基层材料施工现状第二部分振动成型法特点及技术优势振动成型设备介绍振动成型法技术优势振动成型技术核心原理振动成型试件剖面表观特性振动成型法配合比设计内容振动成型法施工难度振动成型仪作为室内试验设备，其压实效果能够与振动压路机的现场压实效果等效，原因在于“振动成型仪－被压材料”的动态响应与“振动压路机－被压材料”的动态响应模型基本一致。振动成型参数：偏心块夹角300激振力7612N静面压力140kPa振动频率30Hz振幅1.4mm振动击实时间2min振动成型时间以试件高度为准1振动成型设备介绍振动成型方法能够最大程度模拟现场碾压工况目前，半刚性基层施工现场采用振动压路机和轮胎压路机，室内采用振动法成型试件能够最大程度地模拟现场施工条件，使室内试验成果与实际应用效果具有可比性，能够更加准确、有效地预测和控制现场施工质量。以振动击实密度控制现场压实，提高压实标准采用振动法进行施工质量控制，要求以振动击实密度作为现场压实度的控制标准，而振动击实密度一般为重型击实密度的1.03～1.04倍，这就能够有效地避免了因室内成型方法与施工实际成型方式不符造成的压实度超百现象，同时也提高了压实标准；而压实标准的提高可以大幅度提高半刚性材料的强度，从而显著提高其抗裂能力及抗疲劳性能。2振动成型法技术优势能够有效降低水泥剂量，显著提高材料抗裂性采用我院优化级配范围进行振动法配合比设计，该范围内的混合料为骨架嵌挤结构，矿料间的嵌挤作用更强，跟传统方法相比，能够有效降低水泥剂量1.0～1.5％，强度提高1.5～2.0倍；而且；在相同水泥剂量下，振动成型试件的干缩抗裂系数是静压成型试件的1.5倍，抗裂能力显著提高。优化级配范围较窄，便于对混合料生产质量进行控制基于振动成型方法，以强度满足要求、抗裂性能最佳为判据，对半刚性材料的合成级配形式进行优化，优化级配范围相对于规范级配范围较窄，有利于对混合料的生产质量进行控制。2振动成型法技术优势最大功效：内在：能够显著提高混合料的密实程度（密度、强度、路用性能）；外在：能够有效降低混合料的水泥剂量（延缓甚至阻止开裂）；实现途径：振动成型方式级配优化（嵌挤）增强碾压降低水泥剂量成型方式比较：静压成型基于静荷载对材料施加剪应力使颗粒间相互靠近以达到压实效果；振动成型基于高频振动作用使材料产生液化而相互填充来达到压密效果；振动击实特点：对颗粒性材料施加振动冲击力，使颗粒间的摩擦力由初始的静摩擦状态逐渐转变为动摩擦状态，从而有效降低材料间的摩擦阻力，在共振作用下，当机械振动频率与被压材料固有频率一致时，被压材料的受迫运动最大，材料最易被压实。3振动成型技术核心原理半刚性材料振动成型过程：半刚性材料在振动击实作用下，材料处于振动状态，水分的离析作用使得材料颗粒的外层裹覆一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，减小了材料间的摩擦力和粘结力，颗粒更容易移动到密实状态，颗粒间的相对位置在振动状态下发生变化，出现了相互填充现象，此时，材料内骨架颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力和结合料与骨料间的粘结力都很大，形成骨架密实型嵌挤结构，具有较高的承载能力和稳定性。核心原理：基于振动成型方式，对原有级配形式进行优化，适当增加粗集料含量，提高材料颗粒间的嵌挤性，通过增强碾压来增加骨架颗粒间的内摩阻力，从而适当降低水泥剂量，在保证强度的前提下达到抗裂效果。3振动成型技术核心原理振动成型试件由于振动提浆作用，表面和侧壁均有水泥浆，容易脱模，且表面光滑密实。静压成型试件脱模阻力大，且表面多孔粗糙。从剖面结构来看：振动成型试件剖面结构密实，粗集料分布均匀且紧密排列，粗集料的骨架间隙被细集料及胶结料密实填充，肉眼观察不到大的空隙，混合料形成完整密实的整体结构。而静压成型试件剖面中心的集料颗粒甚至未被细集料及胶浆裹覆且呈松散状态，用手可以剥落，且粗集料分布亦不均匀，肉眼可以看到大大小小的空隙分布于剖面表面上。4振动成型试件剖面表观特性依据技术规范：JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》JTGE40-2007《公路土工试验规程》JTGD50-2006《公路沥青路面设计规范》GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》主要设计内容：原材料性能检测（集料、水泥、石灰、粉煤灰）混合料组成优化设计混合料最佳含水量及最大干密度的确定成型试件无侧限抗压强度的测定确定最终配合比例、水泥剂量及相应的最佳含水量、最大干密度5振动成型法配合比设计内容主要区别：基于各档集料筛分结果，采用规划求解方法对混合料的组成进行优化设计，并结合料源具体情况（针片状含量、含泥量等）确定最终比例；分别采用重型击实方法和振动击实方法确定混合料的最佳含水量和最大干密度，结合试验数据及现场施工机械配置水平，综合确定振动击实密度与重型击实密度的等效比值，并以振动成型密度作为现场压实标准；分别采用静压成型方式和振动成型方式成型不同胶结料含量下的混合料试件，并测定7天无侧限抗压强度，综合考虑试件强度、工程经济性、现场机械配置水平、现场养护条件等因素，确定最终的胶结料剂量。5振动成型法配合比设计内容振动成型法设计的半刚性材料：密度较大，比重型击实密度提高1.02～1.04倍；水泥剂量比静压成型方法降低1.0%～1.5%左右；整体级配较粗，粗集料含量在80%左右；施工过程中主要面临的三大技术问题：以振动击实密度作为压实标准，如何保证整体压实度；在较低的水泥剂量下，如何保证取芯的完整性及基层整体强度；在较粗的级配下，如何保证成型基层的均匀性，即离析问题；碾压密实是关键，防离析是保障和提高6振动成型法施工难度第三部分振动成型法施工质量控制原材料质量控制混合料级配控制施工机械基本配置施工质量关键控制点质量控制要求集料：压碎值（影响级配的稳定性，压碎后使级配整体变细，降低骨料间嵌挤性）针片状含量（影响骨料间的嵌挤效果，增加碾压难度）含泥量（影响水泥与集料间的胶结强度，降低混合料强度及性能）施工质控经验：（骨架密实结构）集料的规格性（针片状含量）和均匀性（材质、级配）很重要石屑质量很重要（含泥量、级配稳定性）石屑防雨苫盖措施（含水量、级配稳定性）粗集料组成比例对混合料的强度有重要影响，施工过程中通过控制关键筛孔的通过率，能够有效保证粗集料之间形成骨架结构，有较好的嵌挤效果，从而提高整体强度；而且，粗集料往往接近于单粒径材料，变异性较小，能够有效地进行控制；石屑对混合料路用性能的影响最为重要，施工控制难度最大。石屑的含泥量和级配变异性较大，尤其在淋雨后会发生明显的离析现象，直接影响混合料整体级配的稳定性和质量的均匀性；因此，在施工过程中，必须对石屑进行严格管理，抓好源头管理；加大筛分频率，确定整体变异程度；同时，必须对石屑采取苫盖等防雨措施。1原材料质量控制集料：集料管理措施：石料厂家经优选后采用固定的厂家供应固定标段的方法。对于每个石料场，业主派一名石料监理、施工单位派一名专职的石料管理员进驻，每天的产量、规格、质量、出料实行日报，加强动态管理。加大对进场石料的抽检力度，加强对进场石料的管理，不同品种、不同批次的石料应分档堆放，不同规格砂石材料要严格分档、隔离堆放，严禁混堆。各档材料间应设置高于2m的硬分隔墙，2m以上部分可采用软隔离；分隔墙顶面高度应高于料堆坡脚至少50cm以上，料堆形状为梯形。砂石材料堆放时应防止离析。制定专项的石料卸料、堆料、上料的工艺。1原材料质量控制消石灰：至少Ⅱ级有效钙和氧化镁含量（强度形成的主要来源）施工质控经验：消解必须充分有效缩短存放时间，并复检有效钙和氧化镁含量石灰苫盖措施（石灰含水量的均匀性）石灰应分批采购进料，既不影响施工进度，又不过多存放；生石灰在使用前5～7d必须充分消解，若消解不充分，二灰稳定碎石碾压完成之后，在养生过程中，未充分消解的石灰会继续吸水消解而引起局部胀松鼓包，从而影响底基层的整体强度和平整度；消解后的石灰应保持一定湿度（15%～20%），每吨生石灰消解用水量大概500～800kg，不得扬尘，也不可过湿成团；必须采取苫盖措施，同时应尽量缩短从消解过筛到使用的时间；消石灰在每次使用之前，必须复检有效钙和氧化镁含量，不合格的消石灰不得使用；消石灰