CN115893936B - 灌注式大厚度水稳碎石基层及其铺装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种灌注式大厚度水稳碎石基层及其铺装方法，属于道路工程领域。所述灌注式大厚度水稳碎石基层由大厚度碎石骨架结构和灌浆材料组成，所述大厚度碎石骨架结构采用两层式设计，下层为超大粒径骨料层，上层为中等粒径骨料层，采用水泥胶结料，所述灌浆材料一次性灌注于大厚度碎石骨架结构中，且灌浆材料的粉料中回收粉的质量百分比含量不低于50％。与现有技术相比，本发明的灌注式大厚度水稳碎石基层能够改善了水稳碎石基层的干缩和温缩性能，减少半刚性基层的横向裂缝，提高路面结构的使用寿命，且路面成型和养生时间短，相较于两层分别养生施工，可以大大缩短道路养护的工期，具有很高的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程领域，具体提供一种灌注式大厚度水稳碎石基层及其铺装方法。
背景技术
目前，绝大部分道路都采用沥青路面配合半刚性基层。
一方面，半刚性基层虽然整体性强，但在重载反复作用下容易出现开裂严重问题，易造成路面结构出现损坏，维护成本极高。当由于层高要求需要对半刚性基层进行双层铺装时，更是容易出现层间粘结不连续，不牢固的情况。
另一方面，在道路修筑过程中，由于细集料中含有过多的粉料，导致拌和站会产生大量回收粉。现有技术主要采用以下方式处理回收粉：(一)简单的填埋、倾倒或者花钱进行处理，随着环保意识的提高，该方式已被逐渐被取代；(二)固化处理，难以达到理想的性能，主要原因是回收粉不稳定，每批次材料的回收粉性质都不同，且回收粉中颗粒和成分组成，比较接近粉土或砂性土，其材料的颗粒极细，对于回收粉的高质量、稳定固化方法尚处于空白；(三)国内部分学者也尝试将回收粉用于水泥稳定土或者水泥混凝土中，然而，用于水泥稳定土中属于低值利用，附加值低，用于水泥混凝土中对其性能影响较大，并且，可掺加量极低，一直也未大规模推广。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种灌注式大厚度水稳碎石基层，以解决传统半刚性基层开裂严重、养生时间长、层与层之间缺少有效粘结、拌和站回收粉无法高质化利用等技术难题。
本发明进一步的技术任务是提供由上述灌注式大厚度水稳碎石基层的铺装方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：灌注式大厚度水稳碎石基层，其特点是由大厚度碎石骨架结构和灌浆材料组成，所述大厚度碎石骨架结构采用两层式设计，下层为超大粒径骨料层，骨料粒径范围为26.5-63mm，上层为中等粒径骨料层，骨料粒径范围为9.5-26.5mm，大厚度碎石骨架结构的空隙率为30％-35％；所述灌浆材料一次性灌注于大厚度碎石骨架结构中，且灌浆材料的粉料中回收粉的质量百分比含量不低于50％。
大厚度碎石骨架结构的空隙率为超大粒径骨料层和中等粒径骨料层的平均空隙率。
作为优选，超大粒径骨料层材料的级配满足以下的级配范围：
63mm筛孔通过率为100％；53mm筛孔通过率范围为80-100％；31.5mm筛孔通过率范围为0-15％；26.5mm筛孔通过率范围为0-5％。
作为优选，超大粒径骨料层材料加水压实，得到厚度为27cm～34cm超大粒径骨料层。其厚度特别优选为30cm～33cm。
作为优选，中等粒径骨料层材料的级配满足以下的级配范围：
26.5mm筛孔通过率为100％；19mm筛孔通过率范围为80-100％；16mm筛孔通过率范围为30-55％；13.2mm筛孔通过率范围为0-15％；9.5mm筛孔通过率范围为0-5％。
作为优选，中等粒径骨料层材料掺加一定量的水泥胶结材料，与水拌和后压实养生，得到厚度为6cm～10cm中等粒径骨料层。其厚度特别优选为8cm～10cm。
作为优选，灌浆材料主要由粉料、水组成，其流动度为14-20s，灌浆材料胶砂试验7d抗压强度不小于10MPa，抗折强度不小于2.5MPa。
作为优选，外加水的用量为粉料质量的0.3％～0.45％。
作为优选，所述粉料由回收粉、沙、胶凝材料、减水材料、减缩材料组成，回收粉、沙、胶凝材料、减水材料、减缩材料的质量比为(50-70):(10-20):(25-30):(0.5-1.5):(1-3)，特别优选为(50-60):(13-17):(26-28):(0.8-1.2):(1.5-2.5)。
作为优选，所述沙为机制砂或超细河沙，粒径为30-70目。
作为优选，所述胶凝材料优选为水泥。
作为优选，所述减水材料优选为萘系减水剂。
作为优选，减缩材料优选为UEA类膨胀剂。
本发明灌注式大厚度水稳碎石基层的铺装方法，其特点是包括以下步骤：
S1.超大粒径骨料层材料与适量水拌和均匀后铺筑至下承层，整平并压实，得到超大粒径骨料层；
S2.中等粒径骨料层材料与适量水泥、水混合均匀，摊铺至尚未干燥的超大粒径骨料层，整平、压实，保温养生后得到中等粒径骨料层；
S3.将灌浆材料拌和均匀后灌注至中等粒径骨料层和超大粒径骨料层，刮除表面浮浆，保湿养生至全线可以取出完整芯样时养生结束。
作为优选，步骤S1中，水的掺加量以保证材料表面潮湿，不出现干料为宜。
作为优选，步骤S2中，水泥的掺加量为中等粒径骨料层材料质量的1.0％～1.5％，水的掺加量以水泥浆完全裹覆石料且材料不流浆为宜，中等粒径骨料层的养生时间为2～4天，在其无侧限抗压强度0.8～1.2MPa，骨料不移动时，养生结束。
作为优选，步骤S3中，灌浆后养生时间为5-7天。经过7d养生，灌注式大厚度水稳碎石基层的无侧限抗压强度不小于4MPa。
和现有技术相比，本发明的灌注式大厚度水稳碎石基层及其铺装方法具有以下突出的有益效果：
(一)解决了半刚性基层开裂严重的问题。本发明水稳碎石基层采用粗细上下搭配的材料工艺，下层材料粒径大，上层材料粒径较小，两种材料都采用嵌挤式材料结构，在经过压实后，层间和层内颗粒之间均形成嵌挤作用，填料采用灌注的方式，不会破坏颗粒之间的嵌挤效应。相较于已有研究的采用大粒径碎石和细料通过现场翻拌方式铺筑的半刚性基层，其大粒径碎石已经重新分布和富集，原有的骨架结构破坏，局部会出现细料富集和骨料不密实的状况，严重影响半刚性基层的抗裂和耐久性，另外本发明的灌浆材料可以与骨料之间形成充分的浸润效应，使本发明水稳碎石基层骨料的嵌挤效应更加突出，结构的抗裂性和密实耐久性更强。
(二)可有效地缩短半刚性基层养生时间。以铺筑厚度为36cm半刚性基层为例，采用传统的半刚性基层时，需要分两层铺筑，且两层需要分别养生，养生期至少14天，而采用本发明技术时，养生期在8-10天左右，养生期缩短了28.5％以上，可以显著提高施工效率，降低施工成本。
(三)解决了多层半刚性基层层间粘结力弱的问题。传统的半刚性基层铺筑，层间一般采用洒水或者撒布水泥浆的方法进行层间粘结，而往往这样的粘结方式容易出现不连续和不牢固的情况，而不良的层间粘结将严重影响半刚性基层的受力，降低道路的使用寿命。本发明使用灌浆材料将上下两层联通，浆体将上下两层材料结合成一个整体，且两层之间颗粒具有一定嵌挤作用，可大幅度提升基层的使用寿命。
(四)从高质化的角度实现拌和站回收粉的增量应用。在道路工程领域，回收粉作为一种热拌沥青混合料生产过程产生的副产品，属于难以有效利用的固废，传统的拌和站回收粉利用一般采用土的处理方法进行应用，整体的应用层位低，材料无法进行高附加值应用，有部分研究也将回收粉材料用于水稳碎石或者混凝土中，但掺加比例一般为5％左右，应用量严重受限。本发明水稳碎石基层材料中，灌浆材料的粉料中的回收粉超过50％，按照常规石灰岩骨料计算，回收粉约占混合料体系的15％～20％，可以实现回收粉材料的规模化应用，减少其对环境的污染。同时如此规模的回收粉应用，还可以显著减少新石料的应用，减少道路工程对优质砂石材料的依赖，环境效益显著。
(五)本发明的施工方法开创了水稳碎石基层施工的新工艺，分层同步施工与灌注式填充相配合，实现了水稳碎石材料的超嵌挤骨架结构，在工艺上实现创新。
(六)本发明的施工方法可以轻松实现大厚度水稳碎石基层的一次成型，传统的大厚度水稳施工工艺一般只能达到30cm左右(单层)，若厚度继续提升，将严重影响路面的压实。
附图说明
附图1是实施例大厚度碎石骨架结构结构示意图；
附图2是实施例灌注式大厚度水稳碎石基层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例一：
【原材料及配比】
(1)下层超大粒径骨料层
采用粒径为26.5-63mm的大粒径集料，集料级配见表1。
表1超大粒径骨料层
(2)上层中等粒径骨料层
采用粒径为9.5-26.5mm的中等粒径集料及水泥，集料级配见表2，水泥为普通硅酸盐水泥。
表2中等粒径骨料层
(3)灌浆材料(粉料，最优)：由回收粉、机制沙、胶凝材料、减水材料、减缩材料组成，各物料配比见表3。
所述机制砂的粒径为50目；
所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥；
所述减水材料采用萘系减水剂；
所述减缩材料采用UEA膨胀剂。
表3回收粉灌浆料粉料用量
| 例1(最优) | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | |
| 回收粉(Kg) | 55 | 60 | 60 | 65 | 65 | 70 |
| 机制砂(Kg) | 15 | 15 | 10 | 10 | 5 | 0 |
| 水泥(Kg) | 27 | 22 | 27 | 22 | 27 | 27 |
| 减水材料(Kg) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 减缩材料(kg) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 合计(kg) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
【性能测试】
1.超大粒径骨料层用材料与中等粒径骨料层用材料
超大粒径骨料用水浸润后，使用重型击实试验验证材料的空隙率，经试验V超大＝35％，将中等粒径骨料层用材料分别于1％的水泥混合，加入一定量的水，在保证材料不流浆不干燥的情况下，使用重型击实试验验证材料的空隙率，经试验V中等＝28％，其中超大粒径骨料层用材料铺筑厚度为32cm，中等粒径骨料层用材料铺筑厚度为8cm，路面结构层加权空隙率为V加权＝(35％×32+28％×8)/40＝33.6％。
2.回收粉灌浆料综合性能
将表3所示的回收粉灌浆料粉料和水拌和，在流动度基本保持不变的情况下，调整水量，试验结果如下：
表4回收粉灌浆料性能
| 例1(最优) | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | |
| 外加水量(质量比，％) | 0.34 | 0.36 | 0.37 | 0.37 | 0.38 | 0.4 |
| 流动度，s | 15 | 15.2 | 15.1 | 15.3 | 15.2 | 15.4 |
| 7d抗压强度，MPa | 13.4 | 11.5 | 12.2 | 11.3 | 12.4 | 10.2 |
| 7d抗折，MPa | 3.2 | 2.3 | 2.9 | 2.4 | 2.7 | 2.1 |
| 浆体密度，kg/L | 1.92 | 1.79 | 1.75 | 1.76 | 1.73 | 1.69 |
从以上数据可以看出，整体而言，随着回收粉的掺量的增加，在达到近似的流动度时，外加水量增加，而对于本体系材料而言，外加水量增加后期强度明显降低。例2较例1的回收粉掺量增加，可以看出随着回收粉的增加需水量增加，强度也有一定的降低，例3较例2减少了砂的用量，增加了水泥的用量，导致体系的流动型有所降低，但是水泥用量的增加，带来了强度的提高。例4和例5进一步增加了回收粉的掺量，导致体系的需水量增加，强度也有一定程度的降低，例6的回收粉含量最高，但是体系需水量最大，强度最低。
从以上的数据分析，回收粉对体系的流动型影响大，需要合理调整各物料的比例，以达到性能最优的目的。
3.回收粉灌浆料与骨架集料的强度
将6种回收粉灌浆料(表3所示)在室内分别灌注入超大粒径骨料层材料和中等粒径骨料层材料后，经过7d养生，其强度变化如下：
表5回收粉复合填料与超大粒径骨料层材料性能
| 例1(最优) | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | |
| 无侧限抗压强度，MPa | 5.3 | 3.8 | 4.6 | 3.5 | 4.2 | 3.6 |
| 技术要求，MPa | ≥4 | ≥4 | ≥4 | ≥4 | ≥4 | ≥4 |
| 判定 | 满足 | 不满足 | 满足 | 不满足 | 满足 | 不满足 |
表6回收粉复合填料与中等粒径骨料层材料性能
| 例1(最优) | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | |
| 无侧限抗压强度，MPa | 5.9 | 4.1 | 4.9 | 3.9 | 3.5 | 3.2 |
| 技术要求，MPa | ≥4 | ≥4 | ≥4 | ≥4 | ≥4 | ≥4 |
| 判定 | 满足 | 满足 | 满足 | 不满足 | 不满足 | 不满足 |
从以上数据看出，回收粉灌浆料灌注入骨架材料中，强度的变化规律与回收粉灌浆材料的强度变化规律基本一致，对于例1的材料无侧限抗压强度最高，各项指标性能最佳。
【灌注式大厚度水稳碎石基层及其铺装】
1.如附图所示，本实施例碎石基层由超大粒径骨料层1、中等粒径骨料层2及灌浆材料3组成。超大粒径骨料层1、中等粒径骨料层2构成大厚度碎石骨架结构，灌浆材料3一次性灌注于大厚度碎石骨架结构中。灌浆材料3采用上述最优物料配比(例1)。
2.铺装工艺
2.1将超大粒径骨料层材料(级配见表1)与占其质量2％的水拌和。将超大粒径骨料层材料运至现场，使用运料车和铲车摊铺至下承层4上，用平地机完成整平，并用单钢轮压路机压实，保证结构层表面可以行驶运料车。
2.2中等粒径骨料层材料(级配见表2)与1.0的水泥拌和，再在其中加入一定量的水，水的用量以水泥浆完全裹覆石料且材料不流浆为宜。在超大粒径骨料层铺筑完还未干燥情况下，将中等粒径骨料使用运料车和铲车在超大粒径骨料层上完成摊铺，用平地机完成整平，并用单钢轮压路机压实。
2.3在中等粒径骨料层材料铺筑压实完成后，在其上覆盖非防水土工布，在土工布上面定期洒水，保证湿润，超大粒径骨料层材料保湿养生3天，在中等粒径骨料层具有一定的强度，现场实测其无侧限抗压强度为1.1MPa，骨料不移动时，养生结束，得到大厚度碎石骨架结构。
2.4使用砂浆拌和设备实现基于回收粉材料的灌浆材料的拌和，可以使用水泥混凝土运输车实现本材料的运输，使用混凝土泵车将混凝土运输车中的浆体排注至骨料层表面，而后用小型双钢轮压路机在浆体表面振捣，使浆体完全灌注至骨料层内部，灌注完成后刮除表面浮浆，路表覆盖非防水土工布，保湿养生7天，待全线可以取出完整芯样时养生结束，得到灌注式大厚度水稳碎石基层。
2.5以取芯试验后的无侧限抗压强度方法对养生结束后的灌注式大厚度水稳碎石基层进行检测，取芯后芯样整体长度为41cm，芯样完整无断裂，经七天养生后的现场无侧限抗压强度为4.5MPa，大于4MPa的强度要求。
2.6按照本试验路段使用的浆体密度1.92kg/L，每平米综合空隙V加权＝＝33.6％，则40cm铺筑厚度的每平米的浆体灌注数量为0.4×1×0.336×1.92×1000＝258kg，回收粉的用量＝258/(1+0.34)×0.55＝105.9kg，按照修筑12m宽的道路，每公里总共可以消耗回收粉12×1000×105.9＝1216800kg＝1216.8吨，反观采用传统的添加5％回收粉的水稳类材料(密度一般为2.04kg/L)，铺筑40cm厚、12m宽的一公里道路的回收粉消耗量为2.04×1000×0.4×1000×0.05×12＝490吨，本发明技术的回收粉使用量是传统工艺的2倍，效果显著。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.灌注式大厚度水稳碎石基层，其特征在于：由大厚度碎石骨架结构和灌浆材料组成，
所述大厚度碎石骨架结构采用两层式设计，下层为超大粒径骨料层，骨料粒径范围为26.5-63mm，上层为中等粒径骨料层，骨料粒径范围为9.5-26.5mm，大厚度碎石骨架结构的空隙率为30%-35%，
超大粒径骨料层材料的级配满足以下的级配范围：
63mm筛孔通过率为100%；
53mm筛孔通过率范围为80-100%；
31.5mm筛孔通过率范围为0-15%；
26.5mm筛孔通过率范围为0-5%；
中等粒径骨料层材料的级配满足以下的级配范围：
26.5mm筛孔通过率为100%；
19mm筛孔通过率范围为80-100%；
16mm筛孔通过率范围为30-55%；
13.2mm筛孔通过率范围为0-15%；
9.5mm筛孔通过率范围为0-5%；
所述灌浆材料一次性灌注于大厚度碎石骨架结构中，灌浆材料主要由粉料、外加水组成，所述粉料由回收粉、沙、水泥、减水剂和膨胀剂组成，且粉料中回收粉的质量百分比含量不低于50%，
所述碎石基层的铺装方法包括以下步骤：
S1.超大粒径骨料层材料与适量水拌和均匀后摊铺至下承层，整平并压实，得到超大粒径骨料层；
S2.中等粒径骨料层材料与适量水泥、水混合均匀，摊铺至尚未干燥的超大粒径骨料层，整平、压实，保温养生后得到中等粒径骨料层；
S3.将灌浆材料拌和均匀后灌注至中等粒径骨料层和超大粒径骨料层，刮除表面浮浆，保湿养生至全线可以取出完整芯样时养生结束。
2.根据权利要求1所述的灌注式大厚度水稳碎石基层，其特征在于，超大粒径骨料层材料加水压实，得到厚度为27cm~34cm超大粒径骨料层。
3.根据权利要求1或2所述的灌注式大厚度水稳碎石基层，其特征在于：中等粒径骨料层材料掺加一定量的水泥胶结材料，与水拌和后压实养生，得到厚度为6cm~10cm中等粒径骨料层。
4.根据权利要求3所述的灌注式大厚度水稳碎石基层，其特征在于，灌浆材料的流动度为14-20s，灌浆材料胶砂试验7d抗压强度不小于10MPa，抗折强度不小于2.5 MPa。
5.根据权利要求4所述的灌注式大厚度水稳碎石基层，其特征在于，
外加水的用量为粉料质量的0.3%~0.45%，
粉料中回收粉、沙、水泥、减水剂和膨胀剂的质量比为(50-70):(10-20):(25-30):(0.5-1.5):(1-3)，
所述沙为机制砂或超细河沙，粒径为30-70目；
所述减水剂为萘系减水剂；
所述膨胀剂为UEA类膨胀剂。
6.权利要求1-5任意一项所述灌注式大厚度水稳碎石基层铺装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.超大粒径骨料层材料与适量水拌和均匀后摊铺至下承层，整平并压实，得到超大粒径骨料层；
S2.中等粒径骨料层材料与适量水泥、水混合均匀，摊铺至尚未干燥的超大粒径骨料层，整平、压实，保温养生后得到中等粒径骨料层；
S3.将灌浆材料拌和均匀后灌注至中等粒径骨料层和超大粒径骨料层，刮除表面浮浆，保湿养生至全线可以取出完整芯样时养生结束。
7.根据权利要求6所述的复拌再生水泥稳定碎石基层铺装方法，其特征在于，
步骤S1中，水的掺加量以保证材料表面潮湿，不出现干料为宜；
步骤S2中，水泥的掺加量为中等粒径骨料层材料质量的1.0%~1.5%，水的掺加量以水泥浆完全裹覆石料且材料不流浆为宜。
8.根据权利要求7所述的复拌再生水泥稳定碎石基层铺装方法，其特征在于，
步骤S2中，中等粒径骨料层的养生时间为2~4天；
步骤S3中，灌浆后养生时间为5-7天，经过7d养生，灌注式大厚度水稳碎石基层无侧限抗压强度不小于4MPa。
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| CN108277713A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-07-13 | 梁海平 | 用于公路延伸的路基铺设结构及施工方法 |
| CN111549608A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-08-18 | 山东省交通科学研究院 | 基层、面层可连续摊铺的抗车辙路面铺装方法 |
| CN113863082A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-12-31 | 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 | 一种brt车站重载交通路段铺装结构及施工方法 |
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