CN112211054A - 一种基于火山灰的稳定基层及其施工工艺 - Google Patents

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Abstract

一种基于火山灰的稳定基层，其特征在于：以重量百分数计，由以下原料掺配而成：2～3％水泥、6～10％石灰、38～50％火山灰、40～54％碎石，各原料所占重量百分数之和为100％。其优点是：通过添加火山灰，激活石灰、水泥等材料与火山灰中的活性组分进行火山灰反应，即Ca(OH)2对火山灰材料中的玻璃体所含的硅氧、铝氧微晶格作用，使其崩解、溶解，与Ca2+生成难溶于水的二次水化物水化硅酸钙、水化铝酸钙等；同时在稳定基层的混合料中掺加一定尺寸和数量的碎石，以提高基层强度、抗压回弹模量、弯拉性能和稳定性；可充分利用火山灰等自然资源，减少水泥、粉煤灰等传统材料的使用，降低工程造价，减少环境污染。

Description

一种基于火山灰的稳定基层及其施工工艺
技术领域
本发明涉及道路基层技术领域，具体地说是一种基于火山灰的稳定基层及其施工工艺。
背景技术
基层是路面结构的主要承重层，基层的强度和稳定性直接影响路面结构的使用性能。火山灰稳定基层应具有足够的强度和稳定性、较小的收缩(温缩及干缩)变形、较强的抗冲刷能力、良好的抗疲劳性能才能用于实际工程。
因火山灰接近基层材料要求，硬度较高，可用作石灰、水泥稳定类基层集料；火山灰的活性较大，能够用作板体性基层材料的结合料；然而已有的一些火山灰基层试验表明工程使用性能有好有坏，说明火山灰可以应用于道路基层，
但如何控制其材料组成及配比以使得指标的道路基层复合各项技术指标的要求，是目前亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明提供一种基于火山灰的稳定基层及其施工工艺，目的是克服上述技术缺陷，以降低现有道路基层的工程造价、减少污染。
为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明第一方面保护一种基于火山灰的稳定基层，以重量百分数计，由以下原料掺配而成：
2～3％水泥、6～10％石灰、38～50％火山灰、40～54％碎石，各原料所占重量百分数之和为100％。
本发明第二方面保护一种基于火山灰的稳定基层的施工工艺，其操作步骤
如下：
S1、配料：按照各原料配比选取水泥、石灰、火山灰、碎石后搅拌均匀，以获得火山灰稳定基层混合料，备用；
S2、拌和：对步骤S1获得的混合料进行厂拌；
S3、摊铺：采用推土机和平地机结合的方式对步骤S2厂拌后的混合料进行摊铺；
S4、碾压：使用压路机对步骤S3摊铺后的混合料依次进行稳压、振压、稳压；
S5、压实度的控制：采用灌沙法测定步骤S4制备基层的压实度；
S6、养生：采用土工布或薄膜覆盖方法养生。
进一步地，步骤S1中，以重量百分数计，各原料配比为2～3％水泥、6～10％石灰、38～50％火山灰、40～54％碎石。
进一步地，步骤S3中，先将步骤S2厂拌后的混合料运输至施工基地后，先用推土机推平，而道路边缘则由人工铲料来填平；再由平地机进行找平。
进一步地，步骤S4中包括以下步骤：
S41、选用不低于14t级的压路机，先用静压压路机机以不高于10km/h的速度稳定碾压至少两遍；
S42、用振频45～50HZ、振幅0.4～0.8mm的振动压路机以不高于10km/h的速度至少碾压一遍；
S43、以不高于5km/h的速度、振频45～50HZ、振幅0.4～0.8mm的振动压路机，轮宽1/3-1/2轨迹重叠碾压3～5遍；
S44、最后用静压压路机稳压1～2遍即可。
进一步地，步骤S6中，采用土工布覆盖养生时要及时洒水，并在整个养生期间保持湿润状态；养生期间外部环境湿度大于等于50％，养护湿度大于等于80％；养生时间大于等于7d，平均气温大于等于25℃。
进一步地，火山灰粒径小于等于6mm。
进一步地，碎石粒径大于等于4.75mm。
本发明的一种基于火山灰的稳定基层及其施工工艺，其优点是：通过添加火山灰，激活石灰、水泥等材料与火山灰中的活性组分进行火山灰反应，即Ca(OH)2对火山灰材料中的玻璃体所含的硅氧、铝氧微晶格作用，使其崩解、溶解，与Ca2+生成难溶于水的二次水化物水化硅酸钙、水化铝酸钙等；同时在稳定基层的混合料中掺加特定尺寸和数量的碎石，以提高基层强度、抗压回弹模量、弯拉性能和稳定性；
可充分利用火山灰等自然资源，减少水泥、粉煤灰等传统材料的使用，降低工程造价，减少环境污染。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一实施例是：一种基于火山灰的稳定基层，以重量百分数计，由以下原料掺配而成：
2～3％水泥、6～10％石灰、38～50％火山灰、40～54％碎石，各原料所占重量百分数之和为100％。。
按照如下步骤制备稳定基层：
S1、配料：以重量百分数计，选取水泥、石灰、火山灰、碎石后搅拌均匀，以获得火山灰稳定基层混合料，备用；(各原料配比为下面表1中所述)
其中，碎石粒径大于等于4.75mm，优选为19.5～31.5mm；因该粒径大小的碎石与其它组分混合时，切断了土路基毛细管通道，具有缓解局部冰晶体冻胀压力，防止路面结构冻胀的作用；
本发明中使用特定尺寸与数量的碎石，还具有如下作用：
①、对基层承载力的改善：加入碎石后，可以明显降低基层顶面压应变、基层表弯沉及层底弯拉应力，基层强度提高后，将显著改善路面结构基层受力特性，延长其疲劳寿命，有利于保证基层结构的整体使用寿命。因此，增加碎石可以非常有效地增大基层承载力；
②、对面层受力状态及长期性能的改善：基层的模量介于面层和与路基之间，基层增加碎石可以明显缓解面层与路基模量相差较大而在路基上产生较大的应力。随着碎石的加入，路床的整体模量得到大幅度的提高，路基顶面压应变、路标弯沉、基层底弯拉应变和拉应力均呈减小的趋势。
③、对路基沉降的改善：基层增加碎石，可以明显提高路基强度、长期承载力及其承载能力的均匀分布。路基不同土质模量下降不均，增加碎石可明显降低路面的差异沉降，保证路面整体强度及路面的平整度。尤其可缓冲与解决新旧路基之间、不同土质变换填筑的差异沉降，消除上部板体性结构层的脱空、波浪及碎板等破坏现象。
④、可起到阻水、排水的作用，防止水分软化、冻胀路基：加入碎石增加了路面底部的排水能力，可排除板体结构层底部自动生成的冷凝水，以防止冷凝水软化路基。
⑤、可隔离振动，保护路基的不均匀沉降：在重车及超重车高速行驶的振动作用下，土路基传递振动能量的过程中，碎石可耗散振动能量，使土路基不会再反复振动作用时产生不均匀沉降。行车道部位的土路基将不会形成或减小路床的下沉，从而确保行车道路面结构的长期完好性。
S2、拌和：由于火山灰材料吸湿性强，因此需对步骤S1获得的混合料进行厂拌，以保证配料比例准确、拌和均匀、含水量容易调整，同时由于火山灰的加入，石灰、水泥等无机结合料可以充分进行水化作用，从而加速混合料的早期成型；
再者，火山灰粒径过大不仅使混合料易产生离析，并且摊铺碾压困难，因此为了准确计量和确保材料级配，不宜采用粒径超过6mm以上的火山灰；
S3、摊铺：先将步骤S2厂拌后的混合料运输至施工基地后，先用推土机推平，而道路边缘则由人工铲料来填平；再由平地机进行找平；
S4、碾压：使用压路机对步骤S3摊铺后的混合料进行如下操作：
S41、选用不低于14t级的压路机，先用静压压路机机以不高于10km/h的速度稳定碾压至少两遍；
S42、用振频45～50HZ、振幅0.4～0.8mm的振动压路机以不高于10km/h的速度至少碾压一遍；
S43、以不高于5km/h的速度、振频45～50HZ、振幅0.4～0.8mm的振动压路机，轮宽1/3～1/2轨迹重叠碾压3～5遍；
S44、最后用静压压路机稳压1～2遍即可；
S5、压实度的控制：采用灌沙法测定步骤S4制备基层的压实度；由于室内试验冲击力的作用，部分火山渣被打碎，造成最大干密度较高，因此实测得到的压实度较其它半刚性基层略低，故建议火山灰混合料基层要求达到的压实度为94％～95％，若采用振动压路机，其压实度应适当提高；
S6、养生：湿度、温度条件对火山灰稳定基层强度形成过程、特别是早期强度影响较大，因此要加强碾压后的早期养生，确保混合料基层强度的增长；采用土工布、薄膜覆盖等方法养生。
若采用土工布覆盖养生时要及时洒水，并在整个养生期间保持湿润状态；养生期间外部环境湿度不宜小于50％，养护湿度不宜小于80％；养生时间不宜低于7d，平均气温不宜低于25℃，若低于此温度应适当延长养生期。由于火山灰稳定基层早期强度较低，所以养生过程中要封闭交通，待基层强度达到要求后才可开放。
最后，还可对制备好的稳定基层的强度和成型情况进行检测。
因无侧限抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度、弯拉疲劳强度、收缩性能是表征半刚性基层材料力学性能的最基本的指标，因此可用这些指标评价火山灰稳定基层的力学性能，并从力学性能角度找出火山灰稳定基层的最佳配合比，具体如下：
选取不同掺配的火山灰稳定基层混合料进行试验，并与二灰碎石、水泥稳定砂砾进行对比，结果如下表1所示
表1火山灰基层抗压强度试验数据汇总(单位：MPa)
Figure BDA0002692021200000061
由上表1可以得出如下结果：
(1)抗压强度：二灰碎石基层早期强度较低；水泥稳定砂砾基层虽然早期强度较高，但后期强度增长较慢；火山灰稳定基层较二灰碎石、水泥稳定砂砾强度增长均匀，后期强度高。
(2)抗压回弹模量：二灰碎石基层、水泥稳定砂砾基层的抗压回弹模量明显高于火山灰稳定基层。
一方面，提高基层的模量可以有效地减小面层底部的拉应力并减小路面总的弯沉；但另一方面，较高的基层模量会导致面层结构中产生较大的竖向压应力，对于路面的抗车辙性能有不利的影响，对基层底面受力状态不利，当基层模量过大时，会导致基层底面拉应力超过容许拉应力而引起开裂，进而影响到路面结构，降低路面寿命。所以从某种意义上讲，适当降低半刚性基层的模量对增强基层的韧性具有重要意义。
(3)劈裂强度：二灰碎石基层、水泥稳定砂砾基层、火山灰稳定基层的劈裂强度相似。
劈裂强度是反映半刚性基层材料抗弯拉性能的重要指标，基层混合料劈裂强度的大小直接影响着其路用技术性质。当劈裂强度高时，基层裂缝少，当劈裂强度低时，基层裂缝就明显增多，进而造成面层反射裂缝也比较多。
(4)弯拉性能:火山灰稳定基层混合料分布区间为0.7～0.8MPa，略低于二灰碎石基层和水泥稳定砂砾基层的弯拉强度。但从火山灰稳定基层抗压力学特性分析可知，火山灰在超过28d龄期的使用期间，强度水平还有一定的增长空间，原因是水化反应继续进行，同理，其弯拉轻度也会相应增长，最终可达到同一水平。
(5)收缩性能:基层材料的收缩性能是其本身固有的属性，其收缩大体可分为干燥收缩和温度收缩两种。
1)干燥收缩性能：火山灰稳定基层的干收缩系数明显小于二灰碎石基层和水泥稳定砂砾基层的干缩系数，为传统半刚性基层干缩系数的1/3～1/2左右，说明火山灰稳定基层具有良好的抗干缩性能。
2)温度收缩性能：火山灰基层材料的温缩系数明显小于传统半刚性基层材料，约为其温缩系数的1/4～1/2，说明火山灰基层材料具有良好的抗温缩性能；同时可以看出火山灰基层混合料在不同的温度区间收缩系数较均匀。
综合以上火山灰基层材料的干缩和温缩试验可知，由于其干缩系数小，所以在强度形成过程中基体内的干缩微裂纹少，加之温缩系数小，所以可以判断该材料具有良好的抗收缩性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于火山灰的稳定基层，其特征在于：以重量百分数计，由以下原料掺配而成：
2～3％水泥、6～10％石灰、38～50％火山灰、40～54％碎石，各原料所占重量百分数之和为100％。
2.一种基于火山灰的稳定基层的施工工艺，其特征在于：其操作步骤如下：
S1、配料：按照各原料配比选取水泥、石灰、火山灰、碎石后搅拌均匀，以获得火山灰稳定基层混合料，备用；
S2、拌和：对步骤S1获得的混合料进行厂拌；
S3、摊铺：采用推土机和平地机结合的方式对步骤S2厂拌后的混合料进行摊铺；
S4、碾压：使用压路机对步骤S3摊铺后的混合料依次进行稳压、振压、稳压；
S5、压实度的控制：采用灌沙法测定步骤S4制备基层的压实度；
S6、养生：采用土工布或薄膜覆盖方法养生。
3.如权利要求2所述的一种基于火山灰的稳定基层的施工工艺，其特征在于：步骤S1中，以重量百分数计，各原料配比为2～3％水泥、6～10％石灰、38～50％火山灰、40～54％碎石。
4.如权利要求2所述的一种基于火山灰的稳定基层的工工艺，其特征在于：步骤S3中，先将步骤S2厂拌后的混合料运输至施工基地后，先用推土机推平，而道路边缘则由人工铲料来填平；再由平地机进行找平。
5.如权利要求2所述的一种基于火山灰的稳定基层的工工艺，其特征在于：步骤S4中包括以下步骤：
S41、选用不低于14t级的压路机，先用静压压路机机以不高于10km/h的速度稳定碾压至少两遍；
S42、用振频45～50HZ、振幅0.4～0.8mm的振动压路机以不高于10km/h的速度至少碾压一遍；
S43、以不高于5km/h的速度、振频45～50HZ、振幅0.4～0.8mm的振动压路机，轮宽1/3～1/2轨迹重叠碾压3～5遍；
S44、最后用静压压路机稳压1～2遍即可。
6.如权利要求2所述的一种基于火山灰的稳定基层的工工艺，其特征在于：步骤S6中，采用土工布覆盖养生时要及时洒水，并在整个养生期间保持湿润状态；养生期间外部环境湿度大于等于50％，养护湿度大于等于80％；养生时间大于等于7d，平均气温大于等于25℃。
7.如权利要求3所述的一种基于火山灰的稳定基层的工工艺，其特征在于：火山灰粒径小于等于6mm。
8.如权利要求3所述的一种基于火山灰的稳定基层的工工艺，其特征在于：碎石粒径大于等于4.75mm。
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