1振动成型法施工技术成果及报告1解析.docx
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1振动成型法施工技术成果及报告1解析
水泥稳定碎石基层振动成型法施工技术
成果及报告
黄衢南高速B10合同段
2010年10月
水泥稳定碎石基层振动成型法施工技术成果及报告
董鸠飞
一、现状
半刚性基层材料的应用和研究在近几年的应用和研究取得了丰硕的成果，但是依然没有达到完善的程度。
半刚性基层沥青路面在工程施工中出现的主要问题表现为存在收缩裂缝，渗水后唧浆现象，尤其在结构组合设计不合理或者半刚性基层自身存在质量问题的时候，会发生结构性破坏。
1.室内成型方式与现场碾压方式不匹配
室内试验要准确有效的预测和控制现场施工质量需要成型方式尽可能的模拟基层施工条件，才能使得室内成果与实际施工效果有可比性。
如今施工现场大量使用震动压路机和轮胎压路机，而室内却采用重型击实法确定最佳含水量以及最大干密度，用静压法试件强度作为设计标准控制水泥剂量。
2.质量控制指标单一
规范对混和料路用性能要求相对简单。
除原材料性质以外，对混和料只要求7天龄期的饱水无侧限抗压强度达到即可，对混和料抗裂能力没有标准试验方法和评价指标，进而使得设计或者施工的时候只注重提高强度，造成片面的强度过大而抗裂能力差等负面影响。
3.压实度标准偏低
压实度达到较高的标准对水泥稳定碎石混和料强度、抗裂能力以及抗疲劳能力的提高有显著的作用。
压实度的增加可以大幅度提高半刚性材料强度，与此对应的在较低胶结料剂量下即可满足强度要求并且可以显著提高混和料的抗裂能力，另一方面，压实度的提高可以大大减少水泥碎石混和料中的微裂隙，从而提高混和料的抗疲劳能力。
如今施工压实设备在性能和压实功能上比20年前已经有了质的飞跃，老的标准已经阻碍了科技的进步以及生产的发展，使得承包商对使用新工艺、新设备没有积极性。
4.规范规定的级配范围太宽，难以保证工程质量
规范规定的混和料级配范围太宽，在此范围内，不同级配的混和料其力学性能有很大差异，因此不同级配的水泥碎石混和料各种力学指标即使全部满足规范要求，也很难说明这些混和料具有良好的抗裂性能。
由于以上原因，导致对半刚性基层认识上有了一些偏差，比如，工程技术人员对半刚性基层上出现大量裂缝（不正常）司空见惯，水泥稳定碎石混和料中水泥剂量高达5～6％（过高），施工后的水泥碎石表面密实、光滑（级配不良）。
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最常用的手段。
现场芯样无侧限强度远大于室内静压法成型试件的强度的原因主要是室内成型方法与现场不匹配，但是却很少被考虑。
在现有压实设备下，无需对施工工艺严格控制就能达到较高的压实度，超百的现象更是普遍存在。
正是在压实度容易达到的情况下，基层压实反而被忽视，出现了水泥剂量高达6％，基层一个月后仍无法取出完整芯样，实测压实度只有92％的的情况。
如上所述，水泥稳定碎石混和料出现早期破坏与室内成型方式的不合理及标准单一导致水泥剂量过高、压实度标准偏低、级配不良等有密切关系。
最佳级配范围如何确定，水泥剂量降低多少，压实度标准提高到什么程度，都需要用科学的方法去开发才能够模拟现场压实工况的室内试件成型方式并提出切实可行的施工控制标准。
二、原则
先采用室内振动压实法获得不同压实时间下的最大干密度，再使用主流压实设备，用试验路法取得最佳压实效果下的实际干密度，然后将多组匹配试验进行分析，最终确定室内振动压实机符合现实要求的最佳压实时间和方法，原则是室内成型方法与现场碾压方式尽可能匹配。
三、报告及成果
A．设计依据
1《公路路面基层施工技术规范》JTJ034－2000
2《公路工程集料试验规程》JTGE42－2005
3《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTJ057－94
4《公路土工试验规程》JTJ051－93
5《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTGE30－2005
6《施工设计图纸说明》
7《衢南高速公路浙江段沥青路面工程施工要点》
8《浙江省交通厅文件》浙交函【2007】36号
B．设计技术要求
水泥剂量不大于5.0%，压实度≥98%，7天无侧限抗压强度≥4.0MP
C．原材料试验
1水泥：
采用浙江江山红火水泥厂生产的虎球牌普通硅酸盐水泥（P.O32.5）经检验，各项指标均满足规范要求。
检验结果见表一
水泥技术指标表一
项目
单位
要求
测定结果
细度
％
≤10
1.6
凝结时间
初凝
min
>180
266
终凝
min
>360
376
安定性
合格
合格
抗折强度
3天
MP
4.4
28天
MP
7.5
抗压强度
3天
MP
22.2
28天
MP
41.0
2集料：
按照0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～13.2mm、13.2～31.5mm四种规格按比例掺配使用，筛分检测结果见表二。
集料技术检测指标符合技术要求，见表三。
集料筛分检测结果表二
材料规格（mm）
通过下列筛孔（mm）的质量百分比（％）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
13.2～31.5
100
97.4
45.2
1.2
0.7
0.5
0.4
0.4
4.75～13.2
100
100
100
60.4
5.4
1.0
1.0
0.8
2.36～4.75
100
100
100
100
50.0
14.2
7.2
3.9
0～2.36
100
100
100
100
99.2
76.2
33.0
4.8
集料技术指标检测结果表三
技术指标
针片状（％）
压碎值（％）
液限（％）
塑性指数
要求
<19≤25
≤28
28
9
13.2～31.5mm
8.1
/
/
/
4.75～13.2mm
9.6
15.6
/
/
2.36～4.75mm
/
/
/
/
0～2.36mm
/
/
17.1
1.3
D．振动成型法的水泥稳定碎石配合比优化设计
1振动成型设备基本原理及振动参数
1.1振动成型压实机械的数学模型
振动压实机械作为室内试验设备，不可能在机械组成上完全模拟振动压路机，但必须使其压实效果能与现场压路机的现场压实效果等效。
为了使振动成型压实机能模拟施工现场振动压实效果，振动成型压实机的“振动成型压实机－被压材料”的动态响应必须和“振动压路机－被压材料”的动态响应模型基本相同。
压实过程是压路机和被压材料发生复杂的相互动态作用的过程，因而对压路机的特性研究不能脱离被压实材料，应将振动压路机和被压材料作为一个闭环系统来考虑。
对振动压路机的具体数学模型，1977年，美国学者E.T.seling和T.Syoo进行了较系统的研究，在完全弹性理论的基础上建立了“振动压路机－被压材料”系统两个自由度的动力学模型。
对振动压路机的压实机理及影响因素做了较为详细的分析，模型运动方程如下：
式中：
m2：
振动轮质量；
m1：
振动轮框架质量；
k1：
减震器刚度；
c1：
振动器阻尼；
k2：
被压实材料刚度；
c2：
被压实材料阻尼；
F0：
偏心轴旋转产生的离心力；
Fs：
振动轮对被压实材料的作用力；
E.T.seling和T.Syoo用振动压路机试验结果验证了此模型，大量的现场测试数据和研究工作都证实此模型的理论分析结果和实测结果是基本吻合的，可以真实反映“振动压路机－被压材料”系统的实际动态响应。
1.2振动成型压实机结构
所用的振动成型压实机由两个在垂直平面上对称布置的振动器施加振动力。
振动器用两个自位轴承把偏心块支撑在振动轴的轴承上，通过偏心块的高速旋转对被压材料施加呈正弦规律变化的激振力。
为了使激振力有级可调，把激振器的偏心块设计成由固定偏心块和活动偏心块组成，通过花键齿调节活动偏心块和固定偏心块的相对夹角实现激振力的可调。
花键齿分为4隔实现激振力在同一频率下的四级可调。
两个振动器的偏心块转速相等但方向相反，当振动轴带动偏心块高速旋转时，两个偏心块产生的离心力的水平分量相互抵消，垂直分量相互叠加，从而形成垂直方向的正弦激振力。
使振动系统在理论上产生垂直振动，减少横向力的剪切作用，保证压实设备的稳定性。
振动成型压路机基本按照振动压路机的结构模型设计，其压实系统在结构上分为上下两部分，下车系统提供激振力和部分静面压力，上车系统提供另外一部分静面压力，振动成型压实机的上下车重量按照下车：
整车＝0.6设计。
用减震器把上下车系统联结起来，减震器采用振动压实平板夯所用的减震器，使上车系统模拟振动压路机的机架对振动轮的束缚作用，同时通过上车的束缚作用使下车有规律地振动。
由于振幅的影响因素主要是下车系统，而压实的静重是通过上下车的共同重量实现，这种设计还可以减小静面压力和振幅的相关性，实现静面压力和振幅的单因素可调。
通过添加配重块的方法实现上下车重量的调整。
采用变频器实现振动频率的无级可调，根据市场上振动压路机常用的频率和材料固有的频率范围，选择频率范围0～50Hz，同时为减少振动对电机和变频系统的破坏作用及控制压实系统的重量，使系统能够模拟较小静面压力下的振动压实状况，在设计时将电机和变频系统移出，采用软轴和万向节传动。
使用手动葫芦调节压实系统行程。
由于高频振动对设备损伤较大，为保证结构稳定性，设计的较小的13kPa的静面压力不容易实现。
为此设备配有两套加载系统，一套按照振动压路机的数学模型设计，具有两个振动器可以实现较大的静面压力和激振力。
另一套只配有一个激振器，按照无人驾驶的振动压路机设计，没有上车系统约束，可以实现较小的静面压力和激振力。
根据试验目的，该设备配备了用于压密和成型的两套压头，以及用于上下车系统和单系统的各自的压头。
1.3振动参数范围
⑴静压力范围
现有的大多数可用于路面、路基压实的大中型振动压路机的静线压力为300N/cm左右。
用于路基压实的大中型压路机的轮径已趋于一致，一般在1500mm左右，滚轮接地面积可用b＝2Rsinβ计算，由此可计算出接地宽度b为23.04cm。
振动压路机产生的接地压力为140kPa左右。
在《土工试验规程》中通过应用表面振实仪法测粗粒土的最大干密度试验所用的静面压力为13.8kPa，代表性的振动压路机产生的接地静面压力为140kPa，为摸索出与现有振动压路机的压实效果相应的室内试验所用的静面压力，振动成型压实机的静面压力实现在14kPa～400kPa范围可变。
⑵振动频率、振幅、激振力范围
根据振动压实理论，每一种材料都有不同的自振频率，激振频率与自振频率一致时可达到最好的压实效果。
振动压路机设计频率一般比被压材料的自振频率的变化范围大一些。
目前市场上用于压实的大中型振动压路机的振动频率的范围是：
压实路基25～30Hz，压实底基层25～40Hz，对压实粒状材料和结合料的稳定基层为33～55Hz。
而且从常用的振动压路机的参数来看，压路机的常用振动频率为30、35、40Hz等，最大为48Hz。
因此研究用振动设备振动频率实现50Hz以内可调。
振幅直接影响压实深度，同样的振动质量及振动频率时，提高振幅可以增加压实效果的影响深度。
但振幅过高会对减震带来困难。
根据长期试验及施工经验，结合施工要求及压实对象，振动压路机振幅选择如下：
压实路基：
1.4～2.0mm，压实次基层：
0.8mm～2.0mm，对压实粒状料和结合料的稳定基层取振幅为0.4～0.8mm。
振动压路机常用振幅有1.7mm、0.8mm、0.4mm等。
为能够模拟常用振动压路机的振幅，振动成型压实机的振幅设计的可变范围为0mm～2.5mm。
激振力是影响压实效果的主要参数之一。
根据确定的静面压力和振幅范围及频率范围可根据公式确定激振力范围。
激振力公式如下：
其中m：
下车系统质量；ω：
角频率；A：
振幅。
⑶振动压实时间范围
振动压实过程中，被压材料颗粒由静止的初压状态变化为运动状态要有一个过程，过渡过程持续的时间与被压材料颗粒的粘聚力和吸附力有关，也与振动压路机的振动轮的线荷载有关，线荷载越大所需时间越短。
如果振动压实时间过长必然会导致混合料内部分层，因此振动压实存在一最佳压实时间。
振动压实时，材料相邻颗粒的质量差别越大，它们之间的粘结力越弱则其相对位移将越大。
当用振动法压实无机结合料稳定粒料时，在颇大程度上将出现混合料的触变性质，在振动开始时，混合料稀释，其性质近似于液体或半干状材料，振动终了时，各颗粒间的粘结力被恢复。
这样，具有较大质量的颗粒在振动时得到较大的惯性力，首先脱离相邻的粒料向下运动。
如果含有不同大小颗粒的材料进行长时间的振动，则有可能出现分层现象。
因此振动时间应确定在材料具有最大密度和大颗粒之间的空隙由小颗粒填满时结束。
研究所用振动压实成型机械时间范围确定为0～15min。
D.1.4水泥稳定碎石混合料振动压实参数的确定
根据天津市政工程研究院周卫峰博士《半刚性基层抗裂技术研究》的研究成果，本项目确定水泥稳定碎石混合料振动成型参数为：
振动频率30Hz，偏心块夹角300，激振力7612N，静面压力140kPa，振幅1.4mm，振动总时间2min。
参照JTJ034－2000《公路路面基层施工技术规范》、《公路沥青路面设计规范》JTGD50－2006和《浙江省高速公路沥青路面规范化施工与质量管理指导意见》关于水泥稳定碎石的矿料级配范围要求及申嘉湖嘉兴段水稳基层振动成型法阶段总结和天津市市政工程研究院对水泥稳定碎石混合料级配的优化设计研究成果进行试配，确定各档料比例0～2.36mm：
2.36～4.75mm：
4.75～13.2mm：
13.2～31.5mm＝23：
10：
27：
40
用3.5％、4.0％、4.5％三个水泥用量、不同的含水量进行振动成型法和击实试验，确定两种混合料的最佳含水量及最大干密度。
按规定压实度分别计算不同水泥剂量的试件干密度，按最佳含水量和计算得到的干密度制备试件，进行强度试验。
试件在标准条件下保湿养生6D，浸水24小时，测得3.5％、4.0％、4.5％不同水泥剂量平均抗压强度。
试验结果见表四。
抗压强度表四
水泥剂量
试验类型
3.5:
100
4.0:
100
4.5:
100
静压法
平均抗压强度（MP）
4.4
4.9
5.3
偏差系数Cv（%）
4.09
7.35
12.26
Rc0.95（MP）
4.1
4.3
4.2
振动成型法
平均抗压强度（MP）
6.4
6.9
7.4
偏差系数Cv（%）
10.16
8.99
5.14
Rc0.95（MP）
5.3
5.9
6.8
根据以上试验结果，水泥剂量3.5％、4.0％、4.5％的平均强度大于Rd/（1-ZaCv）,符合设计要求。
E．结论及生产配比
比例0～2.36mm：
2.36～4.75mm：
4.75～13.2mm：
13.2～31.5mm＝23：
10：
27：
40
，水泥剂量采用4.0％。
根据施工现场情况，对配比进行调整，由于是集中厂拌法水泥剂量增加0.5%,含水量增加0.5%，最大干密度为2.44g/cm3，施工中压实度按98％控制。
施工时混合料从搅拌到碾压控制在2小时之内。
四、试验段成果报告
A试验段概况
（1）工程概况
我项目部承建了黄衢南高速公路浙江段B1、B2、B3、B4、B5合同段的路面工程，主线施工桩号为K0+000~K38+000，长38公里。
主线沥青混凝土路面结构为：
16cm水泥稳定碎石底基层＋34cm水泥稳定碎石基层＋8cmAC-25C型沥青混凝土＋6cmsuper-20C型SBS改性沥青混凝土＋4cmSBS改性沥青AC-13C型混凝土。
路面水泥稳定基层设计厚度为34cm，分两层施工．
（2）试验段目的
在基层正式开工之前，为了确定并检验基层施工所采用的施工设备能否满足拌和、运输、摊铺及碾压等要求，检验水稳基层配合比以及达到规定压实度所需的压实遍数、压实程序等施工工艺，以求得最佳的施工组织方式和必要的过程参数，需要铺筑试验路段。
通过铺筑试验路段，确定以下主要项目：
1、验证用于施工混合料的配合比
1）调试拌和站，分别称出拌缸中不同规格的碎石、水泥、水的重量，测量其计量的准确性；
2）调整拌和时间，保证混合料的均匀性；
3）检查混合料的含水量、集料级配、水泥剂量、7天无侧限抗压强度。
2、确定一次摊铺的合适厚度和松铺系数。
3、确定标准施工方法。
1）集料含水量的增减和控制方法；
2）由于本次试验段配合比按振动成型法设计的，提高了标准密度，因此在试验段施工过程中增加碾实，以达到压实度要求。
需确定：
压实机械的选择和组合，压实的顺序、速度和遍数；
3）拌和、运输、摊铺和碾压机械的协调和配合。
4、确定每一作业段的合适长度。
5、严密组织拌和、运输、碾压等工序，缩短延迟时间。
B试验段总结
1、验证施工混合料的配合比
1.1拌和楼调试
水泥稳定混合料采用一台WBS-500型连续强制式稳定土拌和设备生产，生产能力设定为500T/H。
拌和机设置四个料仓，分别由装载机进行上料。
水泥采用两只100吨水泥灌存放。
通过检测实际称量出料证明各料仓计量准确。
并通过检查混合料的级配、含水量、水泥剂量等指标均均符合要求，进一步确定了拌和楼的计量准确性、拌合均匀性、运行稳定性和生产能力能满足施工生产要求。
1.2拌和时间的确定
经试验员、质检员拌和楼现场多次取样进行试验筛分、水泥含量滴定、目测等，拌和机设计固定的60s拌和时间可以确保混合料均匀性，级配、水泥剂量均达到设计及规范要求。
根据混合料的配合比，拌和后经检测混合料的含水量、集料级配、水泥剂量、7d无侧限抗压强度等均满足设计及规范要求。
2、确定一次铺筑的松铺厚度和松铺系数
施工前根据以往的施工经验松铺系数初定1.3，试验段完成后经测量摊铺前，摊铺后及压实后标高，计算出的松铺系数为1.321，根据基层设计厚度34cm，每层17cm，松铺厚度：
17cm×1.321=22.5cm。
3、确定标准施工方法
3.1混合料配合比的控制方法
3.1.1材料
集料采用四都石矿供应的石料，划分为0.075~2.36mm，2.36~4.75mm，4.75~13.2mm，13.2~31.5mm四档，各档材料分开堆放，各储料仓采用分隔墙分隔，其压碎值、针片状含量、含泥量等指标均符合规范要求。
水泥采用浙江江山红火集团虎球牌普通硅酸盐水泥（32.5#），经检验，初凝时间4小时35分，终凝时间为6小时30分，其它各项技术指标也均符合要求。
3.1.2试验室配合比
集料配比如下：
集料规格
0.075~2.36mm
2.36~4.75
mm
4.75~13.2mmm
13.2~31.5mm
含水量
水泥
（外掺）
所占比例（%）
23
10
27
40
5.0
4.0
3.1.3调整配合比
根据施工当天各档石料的含水量，0.075~2.36mm的含水量为3.9%，2.36~4.75mm的含水量2.6%，其余两档石料的含水量为0%，经计算调整配合比如下：
集料规格
0.075~2.36mm
2.36~4.75
mm
4.75~13.2mmm
13.2~31.5mm
含水量（%）
水泥
（外掺）
所占比例（%）
23.6
10.2
26.7
39.5
3.8+0.5
4.0
根据施工当天的天气情况，在混合料水分蒸发散失后，仍能保证施工过程中的混合料含水量，实际施工含水量比配合比设计中提高0.5％，即含水量达到4.3％，水泥剂量为4.0％（外掺法）。
3.2混合料摊铺方法和适用机具
3.2.1、摊铺机摊铺速度的确定
在主线施工中，一台拌和楼的生产能力为500T/H，所以将摊铺机摊铺速度按1.5m/min控制，通过实际试铺，证明这个速度能够满足要求。
3.2.2、摊铺机熨平板振动、振捣频率的确定
根据以往摊铺经验以及摊铺机的振动对纵坡仪的影响，此次试铺摊铺机熨平板的振动频率为3级，经外观分析，这个组合是合理的，能够保证摊铺后的混合料初时密实度达到85%以上。
3.2.3、碾压的组合方式及碾压速度
根据初定的碾压方案：
A：
初压：
1台徐工220振动压路机静压2遍。
复压：
2台徐工220振动压路机弱振2遍。
2台徐工220振动压路机强振3遍。
终压：
1台xp261胶轮压路机静压1遍。
B：
初压：
1台徐工220振动压路机静压2遍。
复压：
2台徐工220振动压路机弱振3遍。
2台徐工220振动压路机强振3遍。
终压：
1台xp261胶轮压路机静压1遍。
通过试铺验证，试铺方案中制定的碾压方式是合理的、可行的。
在试验段的压实度检测过程中，对于不同的压实遍数分别进行检测：
碾压6遍时压实度不能满足要求，碾压7遍时多数不能满足要求，碾压遍数达到8遍即可达到压实度要求。
通过对A、B碾压方式的结果对比：
A方式与B方式主要是碾压遍数上的区别，通过压实度试验检测：
A方式的压实度为98.9，B方式的压实度为99.4，B方式压实度没有显著增加，A方式已经能满足压实度要求，所以在以后基层的正式施工中，将采用试铺时的A方式碾压组合，即为：
初压：
1台江麓振动压路机静压2遍（速度1.5～1.7Km/h）。
复压：
2台徐工220振动压路机弱振2遍（速度1.8～2.2Km/h）。
2台徐工220振动压路机强振3遍（速度1.8～2.2Km/h）。
终压：
1台xp261胶轮压路机静压1遍（速度1.5～1.7Km/h）。
碾压后对边线进行人工拍打（洒少量水），使边坡整齐、密实，坡面平整、不松散。
3.3、压路机每一碾压段落长度的确定
根据试铺段施工中摊铺速度1.5m/min，30~40min可铺50~60m，考虑到拌和到压实终了控制在2小时内，那么摊铺到碾压终了应控制在1小时左右，摊铺约40min后则必须碾压。
当然也可提前一些时间，但如果将碾压段落缩的过短，碾压接头会增多不利于平整度的控制和压路机施工安排，造成施工场面混乱。
综合现场的碾压情况及成型后平整度的检测结果，我部决定在正式的施工中，压路机碾压段落长度控制在50-60m左右。
这样,既能保证在水泥初凝前碾压成型，又能提高平整度。
3.4、养生方法及措施的确定
此次试铺段的施工中，养生方法采用覆盖侵湿土工布加洒水的方法。
具体的做法为：
待基层碾压成型并标高、宽度、横坡、压实度检测合格后，立即在基层上覆盖侵湿土工布，并在初凝后将土工布洒透水，使基层表面全部保持湿润，一直这样养生七天，保证基层强度迅速增长至设计强度。
用洒水车洒水养生时，洒水车的喷头要用喷雾式，不得用高压式喷管，以免破坏基层结构，每天洒水次数应视气候而定，整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石层表面湿润。
养生期间除养生车辆外禁止其它施工车辆及社会车辆在成型路段上通行，并设专人进行看护。
3.5、混合料拌和到碾压成型后的总时间确定
在此次试铺段的施工中，运输距离为1公里内，从混合料拌和到碾压成型后的时间在60分钟左右。
根据料场的位置情况，在以后正式的施工时运输距离不会超过10公里，照此计算运输和等待时间也能控制在40分钟内。
最远距离正常施工也能确保从混合料拌和到碾压成型，总用时不超出2小时及水泥初凝时间。
C注意事项
1、应注意原材料质量，特别是水泥的质量。
选择作业段长度应综合考虑水泥初凝和终凝时间，延迟时间对混合料密实度、强度有一定影响。
2、摊铺好的工作面，未经碾压，不宜上人踩踏，以便提高平整度。
对施工人员加强教育。
3、合理布置作业面，尽量减少接
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