一、引言
公路交通建设工程是原材料用量巨大的行业之一, 西南地区的公路行业蓬勃发展迫切需要寻求同时满足技术可靠、经济合理、环境友好的建设材料, 若存在一种可以直接用于公路工程的技术指标合格的天然石材, 则可减少过度开采对生态环境的破坏、降低工程造价, 对促进公路工程的可持续发展具有重要意义。
事实上, 在贵州, 适用于筑路材料的优质石灰岩分布不均匀, 部分路线周边缺乏优质的石灰岩集料。沿线分布的白云质灰岩及白云岩由于强度较低、且破碎后的集料与沥青的粘附性较差, 并不适用于公路工程, 若无法做到就地取材, 则将显著增加工程造价。但在部分地方的岩石由于强度较低、节理丰富, 开挖后即可得到一定级配的天然砂砾, 研究表明其可用于干线公路底基层中。虽然水泥稳定天然砂砾用于底基层的技术已经很成熟, 并且水泥稳定天然砂砾在我国新疆、东北地区也得到了广泛应用, 但是其在贵州省的路面基层中尚未得到应用, 所以缺乏经验。
基于此, 本文将针对从岩体中开挖且未经机械破碎得到的天然砾石, 从原材料适应性、混合料配合比设计和施工工艺方面介绍低剂量水泥稳定天然砂砾在贵州省干线公路底基层中的应用, 实现就地取材将沿线强度较低的石材用于路面底基层, 达到因地制宜、节约成本的目的, 促进生态公路的建设。
二、工程概况
(一) 依托工程概况
贵州省都匀公路局S306线福泉下洛邦至甘巴哨公路改扩建工程。路线全长20.01公里。起于福泉市与凯里市交界的下洛邦, 沿老路布线, 止于福泉市甘巴哨与G210线相交。在S306沿线缺乏优质的石灰岩、玄武岩等路面材料, 沿线拥有开挖后具有一定级配的天然砂砾, 储量充足。该项目具备试验路开展的条件。
(二) 原材料适应性研究
天然砂砾的级配分布具有不均匀性, 不同地区的砂砾级配一般不相同, 甚至同一地区的砂砾也不尽相同, 导致天然砂砾级配存在一定的波动, 而水泥稳定砂砾底基层作为路面结构系统中的承重层, 在路面系统中扮演着重要的作用, 优质的原材料和稳定的料源是这一功能得以实现的保证, 因此有必要对原材料的级配及性能指标进行试验分析, 论证其适用性。
1、天然砂砾级配分析
合理的级配是底基层强度得以体现的保证, 按照《公路路面基层施工技术细则》 (JTG/T F20-2015) 的要求分别抽取了桩号为K0+800、K1+900、K3+600和K5+200四处的天然砂砾, 并进行原材料筛分试验。结果四处天然砂砾的级配筛分曲线均不满足规范要求, 仅K0+800处的天然砂砾相对接近规范要求的级配范围, 缺少部分细集料, 经研究后决定在开采过程中增加挖掘机翻拌次数, 落实后再取样进行筛分, 筛分结果满足规范级配范围要求, 故根据对多次筛分结果, 最终确定选用该处的天然砂砾作为原材料。
2、天然砂砾性能研究
《公路路面基层施工技术细则》 (JTG/T F20-2015) 中规定二级及二级以下公路粗集料用于基层时, 仅对压碎值作要求, 规范要求压碎值不低于35%, 用于底基层时压碎值不低于40%。另外, 考虑到针片状颗粒为非理想颗粒, 在施工期间和交通状态下有断裂倾向, 从而影响混合料性能, 所以该项目增加检测了针片状颗粒含量和洛杉矶磨耗损失值。同样检测了K0+800、K1+900、K3+600和K5+200四处的天然砂砾性能指标得到如下试验结果
该试验结果进一步说明了天然砂砾经水泥改良后可用于底基层中。
(三) 混合料配合比设计
根据《公路路面基层施工技术细则》 (JTG/T F20-2015) , 低剂量水泥稳定天然砂砾混合料的配合比设计方法可概括如下。
1、对所用的天然砂砾碎石和水泥进行性能试验, 要求达到技术要求。
2、对天然砂砾碎石混合料进行水洗筛分, 确定其天然级配是否满足要求。
3、按不同水泥剂量分组试验, 确定各组混合料的最佳含水率和最大干密度。
4、根据确定的最佳含水率, 拌制水泥稳定碎石混合料, 进行无侧限抗压强度试验。
无侧限抗压强度反映了水泥稳定天然砂砾底基层的强度和整体性, 是水泥稳定天然砂砾混合料设计和施工质量控制的重要指标。因此, 需根据无侧限抗压强度设计要求, 确定水泥用量。建议低剂量水泥稳定天然砂砾以7d无侧限抗压强度为主要设计指标, 强度标准应控制在1.0~3.0MPa之间, 以选择合适水泥剂量用于施工。
根据无侧限抗压强度的试验结果, 水泥稳定天然砂砾碎石混合料的无侧限抗压强度随水泥剂量增加而增加。水泥剂量为1.7%~2.4%时, 水泥稳定天然砂砾碎石的无侧限抗压强度均能满足二级公路作为底基层的强度要求 (1.0MPa~3.0MPa) 。
(四) 工程施工
该项目采用路拌法和厂拌法两种施工方法, 在进行了不同水泥剂量下无侧限抗压强度试验通过室内试验验证得出两种拌和条件下水泥剂量及最佳含水量如表所示。
路拌法施工和厂拌法施工均效果良好, 但路拌法施工仍存在以下问题:
1、用料存在人为误差, 较难准确控制水泥剂量。
2、混合料含水量无法准确控制。
3、砂砾混合料中存在的超粒径颗粒无法有效控制。
(五) 经济与社会效益
1、经济效益:
项目原设计底基层为级配碎石, 因全线缺少优质石灰岩碎石, 需从距离30km外的福泉市外购, 运距远且经济成本较大。相比于级配碎石, 采用低剂量水泥稳定天然砂砾底基层能够有效的节约工程建设成本, 当水泥用量在1.7%~3.0%之间时, 工程可节省15%-48%的成本。
2、社会效益:
因大量天然砂砾可在路基开挖时获得, 因此减少了新开料场和弃方占用土地对环境的不利影响。也减少了运输和再加工过程产生的能耗, 减少了碳排放量。
三、结束语
通过S306福泉下洛邦至甘巴哨公路改扩建工程施工实例, 可知在道路施工时如果沿途存在大量天然砂砾, 可通过对天然砂砾的系统分析、试验、设计, 最后将其运用在公路底基层施工中, 不仅能够节约工程建设成本, 同时降低了再加工过程的生产能耗, 减少了碳排放, 避免了扬尘污染, 减少了植被破坏, 保护了环境, 经济与社会效益俱佳, 对今后类似的工程能提供一定的借鉴作用。
摘要：本文通过实例, 介绍在贵州省干线公路底基层施工中, 采用从岩体中开挖且未经机械破碎得到的天然砾石, 通过试验、分析, 并结合天然砂砾的特性, 在干线公路底基层中应用, 实现就地将沿线强度较低的石材用于路面底基层, 达到因地制宜、节约成本的目的, 促进生态公路的建设。
关键词：天然砂砾,低剂量水泥,干线公路,底基层