如何保证水泥稳定多孔玄武岩碎石基层的压实效果

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水泥稳定碎石由于整体性好，承载能力大，抗冻能力强，早期强度高、投资少等特性，在我国高等级路面特别是高速公路建设中得到了普遍应用。但由于原材料品种和物理性质的不同，水泥稳定碎石的施工又呈现出多样性与复杂性。这就要求对于各种新材料应善于观察，在工程施工过程中应善于分析研讨、找出存在问题的原因，通过施工实践不断完善，总结经验，提高自身的工作能力。
    水泥稳定碎石多采用石灰岩碎石，而我淮盐HY-HA21标段项目经理部水泥稳定基层粗细集料均采用多孔玄武岩机制碎石，在工程施工前期，就因为琢磨不透其材料性质，致使压实质量不符合要求，两度陷入困境。针对这一情况，我们组织现场主要施工技术骨干，先后3次对兄弟单位组织观摩学习，同时积极组织开展技术研讨会，通过努力于2005年7月1日，水泥稳定碎石基层首件工程施工获得全面成功。
　　现就我项目对水泥稳定多孔玄武岩碎石基层首件工程施工过程中，采取多种方法解决难于压实的问题，所采用的一些改进措施做一阐述，希望能对大家以后进行同类工程施工有所帮助。

1、工程概况

    我项目工程位于江苏省淮安市楚州区，路线全长30.9KM，底基层为二灰稳定土，面层为沥青砼，基层为38㎝水泥稳定碎石，分两层施工，每层厚度按19㎝控制，粗细集料均采用多孔玄武岩碎石，水泥采用江苏“狼山”P.O32.5散装水泥。规范要求的压实度不小于98%，设计要求水泥剂量5%，7天浸水无侧限抗压强度代表值大于3.5MPa，下基层设计宽度12.8m；试铺段落位于主线K11+162-K11+462右幅，试铺长度300m。采用两台摊铺机半幅全宽梯队式联合作业。

2、首件施工遇到的问题

    我项目部于2005年6月25日组织了第一次试验段的施工，由于压实度不满足要求，未能获得成功；第二次与6月28日组织施工，同样由于压实效果不理想，未获通过。

3、原因分析和采取的措施

    为了找出失败的原因，我们组织全体技术骨干和相关管理人员以及全部机械操作人员，结合到附近兄弟标段学习到的经验，就如何确保基层的压实效果进行了多次技术研讨，提出了如下改进方法，并不断认识，不断完善，使我们顺利完成试验段的施工，最终彻底解决了存在的压实问题。

3.1 充分认识多孔玄武岩碎石的材料特性，并根据其特性进行配合比设计的优化

    多孔玄武岩是一种表面多孔的火山沉积类岩石，具有质地坚硬，色泽暗淡，孔径（孔径多在0~3mm之间）大小、孔形没有规则，孔数不等，含水量不便于肉眼观测，表面粗糙，棱角不分明等特点。
    我项目基层用集料均采用江苏盱眙鹏胜采石厂生产的多孔玄武岩碎石，粗集料分为两种：1#料（粒径15-31.5㎜）和2#料（粒径5-15㎜）；细集料两种：3料（粒径3-5㎜）和4#料（粒径0-3㎜）。
    由于多孔玄武岩碎石的多孔性，表现出集料越粗，单个石料表面和内部孔隙所占有的体积比就越大，表现在石料毛体积密度上就越小。这样，在相同筛孔剩余质量条件下，较大的粗集料所应占有的体积的比较大的，反之亦然。在另一方面，粗集料颗粒形状又多界于砾石和普通碎石之间，没有普通碎石所具有的嵌挤特性。从这两点考虑， 1#料与部分2#料就需要相对较多数量的细集料和水泥来裹覆和填充粗集料之间的空隙和部分粗集料表面的开口孔隙。综合以上原因，以正常的级配比例去进行配比设计显然是不合理的。
    同时由于多孔性结构的不规则性和不稳定性，又表现出多孔玄武岩碎石含水量的不便于检测的特性，因为有相当数量的水分渗入碎石内部，或大量潜藏于开口空隙中，或以毛细水的形式藏在孔隙中，如果烘干时间过短，很容易造成含水量偏少的假象。虽然检测了含水量，但没有起到指导施工的作用。也正是由于多孔玄武岩的这一特性，表现出的多孔玄武岩碎石混合料的应比其它类型的水泥稳定碎石混合料有较高的最佳含水量。
    鉴于以上两点分析，我们将1#料适当加大， 2#料与3#料减少，同时增加4#料，通过这样的比例从理论上讲应该是比较便于压实的。集料配比由原1#料：2#料：3#料：4#料=36：28：13：23调整为38：22：11：29。同时作了多次击实试验，以便于最大干密度和最佳含水量能准确代表混合料特性，真正有效的指导现场施工生产，最终确定的最大干密度由原来的2.27调整到2.28，水泥保持5%不变，最佳含水量由7.5%调整到9.2%。

3.2　通过数据比较调整碾压机具组合

    大家多知道，确保任何结构形式路面结构压实效果的另一决定因素就是击实功的大小，击实功主要又两方面的原因决定，第一：压实设备的自重和有效激振力；第二：压实机械在同一区域的碾压遍数。
    然而，多孔玄武岩碎石由于其材质的特殊性，缺乏像石灰岩碎石棱角性的嵌挤特性，因此，极难压实。
    在第一次试铺过程中，我们配置了4台压路机（1台英格索兰DD110双钢轮振动压路机，1台徐工XSM220单钢轮振动压路机，1台洛阳LT220B振动压路机和1台XP261胶轮压路机），选定了三种碾压组合方式。（见下表1）。每一种碾压组合段落长度均为100M，分3个作业段。并对施工过程中每一作业段混合料开始拌和到碾压结束的时间和实测压实度进行统计（见表2）：

表1

 

组合形式

碾压次序

压路机型号

数量（台）

碾压遍数

碾压速度

（km/h）

碾压段落长度（m）

1

初压

SD-12双钢轮

1

静压1遍

1.5-1.7

100

复压

XSM220振动、LT220B振动

各1

先由LT220B低频振动1遍，再高频振动，各2遍

1.8-2.0

终压

XP261胶轮

1

静压1遍

2-2.2

2

初压

SD-12双钢轮

1

静压前进振动后退1遍

1.5-1.7

100

复压

XSM220振动、LT220B振动

2

高频振动，各2遍

1.8-2.0

终压

XP260胶轮

1

静压1遍

2-2.2

3

初压

LT220B振动

1

静压1遍

1.5-1.7

100

复压

XSM220振动、LT220B振动

各1

先由XSM220低频振动1遍，再高频振动，各1遍

1.8-2.0

终压

SD-12双钢轮、XP260胶轮

各1

静压各1遍

2-2.2

 

表2

 

段落

1

2

3

4

5

6

时段

开始时间

结束时间

开始时间

结束时间

开始时间

结束时间

开始时间

结束时间

开始时间

结束时间

开始时间

结束时间

7：00

10：00

7：42

11：26

8：33

12：20

9：35

13：35

10：20

14：33

11：38

15：44

时间（min）

180

224

227

240

253

246

压实度

（%）

97.8    97.5

96.8    97.2 

94.8    95.9

97.1    95.8

94.3    97.1

96.6   97.2

 

    从表中可以看出，碾压时间普遍过长，虽然没有超过原来的初凝时间要求，但与现场测定的水泥初凝时间相比，除第一段满足要求外，其余五个段落均超过了初凝时间3小时12分的规定值。而且，也不难看出，第一段的压实效果较其它段落的好，较接近要求的98%的压实度。显而易见振动压路机数量偏少，与摊铺及其它碾压设备施工速度不相匹配，是造成碾压不及时的主要原因。
    针对以上原因，配置与碾压遍数数量相等的复压用振动压路机，是解决碾压不及时的主要落脚点。为了满足水泥在有效的凝结时间里完成压实，我们另外又配置了1台徐工YZ18JC振动压路机。
    为证实这一想法，我们参考压路机和摊铺机的行进速度、拌和站的生产速度以及运输车辆的行使速度等，分两种机械组合形式对混合料拌和到碾压结束所用的理论时间进行了计算。调整后的机械组合形式和压路机、摊铺机和运输车辆的的行进速度见表3、表4：                                                         

表3

 

设备型号

计算行进速度

用途

C25振动压路机

40m/min

初压

XSM220振动压路机

30 m/min

复压

LT220B振动压路机

30 m/min

YZ18JC振动压路机

33 m/min

XP261胶轮压路机

50 m/min

终压

摊铺机

1.1m/min

摊铺

20T自卸车

5Km/h

运输

 

 

表4

 

组合形式

碾压次序

压路机型号

数量（台）

碾压遍数

错轮

碾压段落长度（m）

1

初压

C25振动压路机

1

静压前进振动后退1遍

1/2

80

复压

XSM220振动、LT220B振动

YZ18JC振动

各1

先由YZ18JC低频振动1遍，再由3台压路机

高频振动，各1遍

1/2

终压

XP261胶轮

1

静压1遍

1/3

2

初压

C25振动压路机

1

静压前进振动后退1遍

1/2

80

复压

XSM220振动、LT220B振动

YZ18JC振动

各1

高频振动，各1遍

1/2

终压

XP261胶轮

1

静压1遍

1/3

 

    按照单幅12.8m的宽度，碾压一遍，单幅来回碾压12次（平均轮宽为2.2m）。计算从料和开始到结束的时间为：

T=A+B+C

    T ：从拌和开始到40m段落碾压结束的时间；
    A：运料开始到摊铺开始时间（约计20min）；
    B ：摊铺开始到摊铺40m结束的时间（摊铺机行进速度为1.2/min，40m约需33min）；
    C ：初压开始到终压结束的时间；

其中：

C =a+b+c

    a=（8*50m）/40m/min≈10min（50m是以40m 基础上加压路机转向的长度，“8”指C25振动压路机在静压开始到可以避让其它压路机的最小来回碾压次数的和）；
    b：第一台振动压路机开始复压到复压结束的时间；
    c：复压结束到终压结束的时间。
    根据以上计算公式和机械行驶速度，经计算，四个作业段从混合料拌和到碾压终了的时间分别为：135min、152min、159min和163min。完全可以满足初凝时间4小时46分的要求，并有1个小时以上的富余度。

3.3　注重现场施工温度对水泥凝结速度的影响，适当延长水泥的初凝时间

    正常水泥初、终凝时间是以水泥在控温20℃±1℃条件下测得的。而试验段施工时的现场的温度为33-38℃，地表实际温度测得为42-48℃，远远大于了试验温度。从理论上讲，水泥的凝结时间与温度是成正比关系的，即温度越高，凝结越快。如果以试验室所测的水泥初凝时间来指挥现场施工显然存在不合理性。
    经现场测试，测定的初凝时间为3小时12分（原检测初凝时间为4小时18分）。为了有效预防在施工过程中不因为碾压速度过慢或其它原因，而造成碾压不及时，我们还与水泥厂家进行了联系，要求适当延长水泥的初凝时间，将水泥的凝结时间由现场测得的3小时12分，延长到4小时46分。

3.4　根据现场施工气温，适当增加混合料的含水量

    经过第一次试验段的施工证明，含水量过低，小于最佳含水量1个百分点时，由于有拌和、运输、摊铺过程中的水分蒸发，混合料难以成型，压实度很不容易达到，且取样效果与板结性较差，其强度也不理想；如果含水量过大，在气温30-34℃的情况下，超过最佳含水量2.5个百分点时，碾压粘轮，并将部分混合料带起，当超过3.5个百分点时，碾压有明显的轮迹，且有局部弹簧现象出现，成型3d后可以看出有明显的干缩裂缝（当气温在35-38℃的条件下，其施工含水量的增加值应比30-34℃的条件略增加0.5个百分点，与其施工效果基本相同）。
    鉴于这种考虑，我们将混合料的含水量进行两地检测，即拌和好的混合料的检测、施工现场碾压前的检测，并以现场检测结果为主，同时由工区现场负责人将现场的检测结果随时向拌和站试验检测人员反映，损失多少补多少，这样混合料的含水量得到了有效的控制。
    我们项目在施工时的控制情况基本如下（现场检测数据）：
温度10-20℃：增加0-1个百分点；温度20-30℃：增加0.5-1.0个百分点；温度30-34℃：增加1.5-2.0个百分点；温度35-40℃：增加2-2.5个百分点。

3.5　控制集料的有效配置比例

    根据施工配比出料是保证水泥稳定基层施工的首要条件，然而，在碎石上料时很容易造成不同的集料混杂，这样导致集料比例不符合要求，为此我们在上料仓之间设置了挡料板，并由拌和站试验检测人员严格多频率的进行配比检测。

3.6　明确岗位职责，发现问题追究当事人责任

    在第一次试验段施工时，由于现场管理较乱，出现管理盲点，同时又有多人交叉管理的现象，这在一定程度上也是造成试验段失败的原因。为此，我们编制了严格的试验段各工序负责人员的岗位职责，提出明确要求，严格按照优化的施工技术方案组织施工现场的管理，对于不按照试验段施工管理办法执行的对其主要当事人予以一定的经济惩罚，严肃了纪律，落实了责任。
    经过以上改进，我项目部于2005年7月1日组织了第三次试验段的施工，获得全面成功，压实度合格率100%。

4　后续大规模施工的改进措施

    在后续的大面积施工中，也发现有压实度不满足要求的情况发生，为此，我们也经过了总结分析，并以QC小组活动的形式进行了多次专项问题活动，通过研讨我们认为，搞好多孔玄武岩碎石基层的压实效果，还应注重和改进以下问题：

4.1 重视原材料的质量管理

    多孔玄武岩碎石由于其多孔性，除了在材料质地上表现出其可变性外，还在材料的孔数、孔径大小上表现出其多变性，但孔数、孔径大小我们由没有办法检测，这样，我们必须要加大检测频率，通过源头取料检测的办法，努力控制集料粒径的基本稳定性和尽最大力量控制集料的含泥量。

4.2 根据现场施工的实际情况，调整或更换不合适的施工设备，改进碾压组合形式

    在后续工程施工中，随着熟练程度的提高，摊铺速度明显加快，在这种情况下，为了保证压实效果，我们将原先的C25振动压路机更换为DD110双钢轮振动压路机，将YZ18JC振动压路机更换为XSM220振动压路机，同时增加了1台瑞典产DANPAC CA602振动压路机，以保证了拌和、摊铺和碾压设备的匹配。

    调整后的碾压组合如下表5：

表5

碾压次序

压路机型号

数量（台）

碾压遍数

错轮

初压

DD110双钢轮振动压路机

1

静压前进振动后退1遍

1/2

复压

XSM218振动、LT220B振动

XSM220振动、CA602振动

各1

根据先后顺序全部强振1遍，最后CA602振动快速弱振1遍

1/2

终压

XP261胶轮

1

静压1遍

1/3

4.3　注重高程控制，确保碾压厚度符合要求

    压实效果的又一控制要点，便时摊铺层厚度，摊铺层过厚，越不便于压实，摊铺层较薄时便很好压实（水泥稳定基层不低于8㎝时）。我项目基层总厚度为38㎝，分两层施工，是较为理想的压实厚度，但为了保证两层的压实效果，应对每一层的压实厚度进行预先控制，为此，测量队加大了对虚铺系数的收集整理工作，并多次进行调整，同时以《水泥稳定基层施工质量控制卡》的形式形成测量队控制钢丝挂线标高、工区测量人员复核、工区摊铺负责人严格控制摊铺精度、试验室压实度检测人员和取芯人员最终对成品厚度进行检验复核的五大控制、复核体系。以求达到最为标准的压实厚度和压实效果，不给后期施工留下隐患。

4.4　坚持碾压速度与摊铺、拌和速度相匹配的原则，合理调整一次碾压段落长度

    虽然在试验段施工过程中确定了以50米为一碾压段落（从试验段的施工来看是比较合理的），但随着施工速度、碾压组合、天气条件、现场组织等因素的变化，一次碾压的合理长度也应进行适当的调整。我项目部的调整原则如下：
    首先，坚持拌和、摊铺与碾压速度相匹配，即拌和、摊铺速度越快，碾压段落越长；拌和、摊铺速度越慢，碾压段落越短，但为了保证表面平整度不得低于30米；其次，气温较高、日照较强适当缩短，气温较低、日照较弱（或夜间施工）适当延长。
    通过以上施工技术的不断改进与完善，我项目部水泥稳定多孔玄武岩碎石的压实效果经江苏省交通质量检测中心的3次现场检验检测均能满足《江苏省沥青路面施工作业指导意见（修订版）》的技术质量要求，评定合格。