填充式大粒径水泥稳定碎石基层施工控制研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的

填充式大粒径水泥稳定碎石基层是用大粒径碎石形成骨架，将集料最大粒径较小的水泥稳定碎石填充料填充骨架空隙，经充分压实后形成路面结构层。填充式大粒径水泥稳定碎石基层的强度主要来源为大粒径碎石骨架间的嵌锁作用，填充料起到胶结稳固大粒径碎石骨架的作用。

在实际工程应用情况中，传统水泥稳定碎石材料是半刚性材料，虽然有强度较高、承载力强的优点，但是容易产生收缩裂缝，使基层结构稳定性大幅降低，并且会影响到沥青路面，使路面的质量和安全性存在问题，缩短道路使用寿命。级配碎石是柔性材料，具有无收缩裂缝的有点，但同时也有强度低、易变形、易网裂下沉的缺点。

填充式大粒径水泥稳定碎石材料将上述两种材料的优点进行结合，克服两者缺点，体现刚柔并济的特性，具有良好的力学特性。

与传统材料相比较，填充式大粒径水泥稳定碎石材料具有以下优点：

（1）由于填充式大粒径水泥稳定碎石材料具有柔性特性，所以不会出现半刚性材料的收缩裂缝，克服收缩裂缝的问题。

（2）填充式大粒径水泥稳定碎石材料的回弹模量一般为900MPa~1000MPa，级配碎石等柔性基层材料的回弹模量一般为300MPa左右，传统水泥碎石稳定碎石等半刚性材料的抗压回弹模量一般在1800MPa左右。填充式大粒径水泥稳定碎石材料的回弹模量介于两者之间，所以不仅具有良好的抗裂性能，同时也有良好的力学性能^[8]。

（3）填充式大粒径水泥稳定碎石材料的骨架内填充材料由水泥胶结而成，具有较好的刚度，并且和框架骨料完全契合，使骨架的嵌锁作用更加稳定，阻止了骨架位移，保证了道路基层具有较强的抗变形能力。

（4）填充式大粒径水泥稳定碎石材料的主骨料为31.5mm~53mm、37.5mm~63mm、53mm~73mm的大粒径碎石材料，材料粒径较大，具有良好的嵌锁作用，并且刚度大，力学性能也很好。水泥稳定材料与大粒径碎石颗粒胶结，材料完全契合，嵌锁作用更稳定，使骨架固定效果更好，避免骨架发生位移，保证了水稳碎石基层具有良好的抗变形能力。

虽然填充式大粒径水泥稳定碎石基层与传统水泥稳定碎石基层相比，具有上述许多有点，但是在实际施工中，填充式大粒径水泥稳定碎石基层施工工序较为繁琐，工艺相对复杂，并且需配合较多的人工，人工成本高、劳动强度高、效率低，施工速度慢等问题很是突出。为了将填充式大粒径水泥稳定碎石基层技术广泛应用于高速公路，通过收集检索相关研究资料和施工技术规范，撰写本毕业论文研究采用填充式大粒径水泥稳定碎石材料进行机械化施工的难点及其解决方案，通过设计和优化填充式大粒径水泥稳定碎石基层机械化施工的机具组合，着力解决施工过程中施工效率低、施工进度缓慢等问题，优化施工工艺，对材料组成设计控制，对施工过程中大粒径碎石材料摊铺工艺优化，对填充料的拌和摊铺以及混合料的整体路拌工艺进行优化组合，在保证工程质量的前提下，对碾压工艺进行优化，对接缝处理过程进行机械及人工的优化。同时，针对不同的施工机具组合进行可靠性分析，并根据可靠性分析的结果确定机械化施工的机具组合。

1.2 研究意义

填充式大粒径水泥稳定碎石新型路面基层结构，有效的克服了半刚性基层的收缩裂缝和柔性基层的网裂、变形等道路病害，有效的提高了路面的耐久性，延长道路的使用寿命，减少道路的建设和维护成本^[13]。大粒径水稳施工工序较为繁琐，工艺相对复杂，且需配合较多的人工，劳动强度高、效率低，施工速度慢^[10]。解决施工过程中存在的难点，扫除大范围应用填充式大粒径水稳碎石基层技术的阻碍，将填充式大粒径水泥稳定碎石基层广泛应用于高速公路，可以取得显著的经济及社会效益。仅以施工成本进行分析，填充式大粒径水泥稳定碎石基层与传统水泥稳定碎石基层的施工成本包括:材料费用(石料与水泥费用)、机械费用、人工费用和其他费用。通过收集整理其施工成本资料，传统水泥稳定碎石基层与填充式大粒径水泥稳定碎石基层施工1000㎡分别所需的成本进行比照，具体施工成本如下表所示^[7]。

表1 施工成本表

项目	传统水稳基层 （700m/天）	水稳填充大粒径碎石基层 （400m/天）	节超金额（元）	备注
数量	单价	金额	数量	单价	金额
石料	4-6碎石
2-3碎石	115.3	23	2615.9
1-2碎石	82.4	23	1895.2
瓜子片	90.64	23	2084.72	76.3	23	1754.9
米子			0	32.8	23	754.4
石粉	123.6	23	2842.8	72.9	23	1676.7
小计			24773.36			26423.8	1650.4	增加
水泥		20.7	252	5216.4	15.56	252	3921.12	-1295.28	减少
机械	小挖机				1	236	236
小宝马机 （二次路拌）				1	118	118
摊铺机	1	302	302	1	528	528
震动压路机	1	119	119	1	208	208
三轮压路机	1	68	68	1	118	118
洒水车	1	63	63	1	111	111
小计			1861			3338	1477	增加
人工		5人	120	600	18人	120	2160	1560	增加
其他	后场拌合	432	9.6	4147.2	198	9.6	1900.8	-2246.4	减少
二次运输	432	7.5	3240	198	7.5	1485	-1755	减少
养生（土工布）	1000m2	0.5	500				-500	减少
合计	26653.82	23724.6	-2929.22

由上表可知，水稳填充大粒径碎石基层在机械及人工方面的成本有所增加，但在材料成本、后场拌合及二次运输等方面的成本大大降低，平均每施工1000m²可节约成本约3000元。按路基宽度21.5米计算，每公里可节省投资6.45万元。此外，若改进施工机具，减少机械台班费和人工费,则造价还可进一步降低。同时，从安徽滁州的经验来看，使用该技术可大大延长路面的使用寿命。由此可见，水稳填充大粒径碎石基层的经济效益很显著。

同时，设置水稳填充大粒径碎石基层的路面技术状况明显提升，有效降低了施工期间对车辆通行的影响，行车时更加安全舒适。设置该新型基层结构可以大大降低养护量，同时减少了有关材料的用量，在施工时产生的垃圾也很少，其环境效益明显。填充式大粒径水泥稳定碎石基层较好的解决了施工中养生与交通通行之间的矛盾问题，避免了大交通、大荷载集中作用于半幅路面的情况，对交通繁忙、难以完全封闭交通的旧路改造具有特别重要的意义。水稳填充大粒径碎石基层有效解决了半刚性基层开裂的顽疾,也为我国研究非全厚式长寿命沥青路面提供了新的技术路径，对提升我国道路行业的技术水平意义显著。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 填充式大粒径水稳碎石基层施工工艺研究现状

填充式大粒径水稳碎石基层工艺原理是通过采用大粒径的碎石材料，减少级配混合材料的干缩系数和温度系数，以提高水稳碎石基层的抗裂性能^[15]。同时，大粒径的碎石材料存在众多微裂纹，这样就避免了产生集中的裂纹，避免了路面的反射裂缝的产生。在我国，填充式大粒径水稳碎石基层施工工艺一般如下图^[3]：

图1 填充式大粒径水稳碎石基层施工工艺图

同时，《填充式大粒径水泥稳定碎石基层施工技术规程》（T/CECS G:K23-01-2019）中规定，正式开工之前，应铺筑不小于200m的试验段，确定施工工艺和质量控制要求。填充式大粒径水泥稳定碎石基层施工时，填充料采用厂拌法生产，混合料整体采用路拌法施工。摊铺试验段时，根据填充式大粒径水泥稳定碎石基层的设计厚度、大粒径碎石空隙率以及填充料的最大干密度，确定摊铺段所需的大粒径碎石与填充料的比例和质量，并在试验段内均匀分层摊铺，分别确定大粒径碎石和填充料的松铺厚度系数。应采用流水作业法施工，使各工序紧密衔接，尽量缩短从拌和到碾压终了之间的延迟时间^[14]。延迟时间不应超过水泥初凝时间，否则混合料应予以废弃。

1.3.2 填充式大粒径水稳碎石基层混合料组成设计研究现状

填充式大粒径水稳碎石基层混合料组成设计包括大粒径碎石空隙率的测定、Ⅰ型填充料和Ⅱ型嵌缝料的配合比设计、大粒径碎石和填充料的重量比例设计。大粒径碎石主骨料的级配设计国内外都进行了研究，其中美国及加拿大等国采用的大粒径碎石的最大粒径为75mm,且40mm这一档的通过率为90%~100%，其级配设计理论有富勒、泰波级配理论及k法。富勒根据试验提出了一种比较理想的级配，其曲线越接近抛物线，则密度就越大，并提出了计算公式 。其中对任一粒径d的筛分通过量为；泰波则认为，富勒提出的级配曲线是一种比较理想化的，实际中的矿料是有一定的波动变化的,并给出了计算公式。一般情况下，在进行矿料级配设计时，n通常取0.3~0.7,而日本的研究学者则认为n取0.35~0.45,这样可以使混合料达到比较理想的密实度，美国则按照n=0.45进行取值;前苏联的伊万诺夫等人提出了k法进行级配设计，通过百分率。在进行级配设计时主要采用k法，k取值范围为0.55~0.75。

我国公路施工技术规范的规定，底基层碎石的最大粒径为50mm，基层的最大粒径为40mm，而对于最大粒径在37.5mm以上的，不能按照规范来确定。我国同济大学在参照n法和k法的基础上，提出了i法，第x级筛的通过率。根据实际工程经验，得出i取0.65~0.75时可以得到合适的密实度和质量效果，作为基层的大粒径碎石材料一般取i=0.65。

1.3.3 填充式大粒径水稳碎石基层材料研究现状

抛开反射裂缝问题，水泥稳定碎石本身仍是一种质优价廉的基层材料, 研宄者们对如何提高其抗裂能力做了大量研究工作^[12]。《填充式大粒径水泥稳定碎石基层施工技术规程》规定，大粒径碎石宜采用各种硬质岩石反击破碎工艺加工成的碎石，应表面清洁、无风化、富有棱角、质地坚硬。石料富有棱角，有利于使骨料处于嵌锁状态。坚硬的石料形成稳定骨架结构可保证基层具有足够的承载力和抵抗变形的能力^[13]。对大粒径碎石技术要求要满足下表的规定^[6]：

表2 大粒径碎石技术要求

指标	单位	技术要求	试验方法
压碎值	%	≤22	JTG E42 T 0316
表观密度	g/cm3	≥2.50	JTG E42 T 0304
针片状颗粒含量	%	≤18	JTG E42 T 0312
0.075mm以下粉尘含量	%	≤1.2	JTG E42 T 0310
软石含量	%	≤3	JTG E42 T 0320

大粒径碎石是31.5~53mm、37.5~63mm、53~73mm单一粒径的规格碎石。交通量越大、荷载越重的公路，应该尽可能使用粒径较大规格的碎石。对大粒径碎石的选用应满足规范规定^[6]：

表3 大粒径碎石规格要求

同时，为了保证稳定的孔隙率，应该尽量采用规格单一的大粒径骨料，也有利于骨料和填充料的比例控制。

我国现行技术规程中规定，填充料中粗集料应表面清洁、干糙、无风化、无杂质，其技术要求应满足^[6]：

表4 粗集料技术要求

指标	单位	技术要求	试验方法
压碎值	%	≤26	JTG E42 T 0316
表观密度	g/cm3	≥2.50	JTG E42 T 0304
针片状颗粒含量	%	≤18	JTG E42 T 0312
小于0.075mm 颗粒含量	%	≤1.2	JTG E42 T 0310
软石含量	%	≤3	JTG E42 T 0320

填充料中的细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配。细集料质量技术要求应满足^[6]：

表5 细集料技术要求

填充式大粒径水泥稳定碎石材料中填充料中的集料的最大粒径应与骨料粒径形成较大的断档，在最大程度上的减少对大粒径碎石骨架的干涉，能够使骨料很好地嵌锁。因此，若大粒径碎石选用53～73mm 碎石，则填料中的集料的最大粒径宜选用19.0mm；若大粒径碎石选用 31.5～53 或 37.5～63mm 碎石，则填料中的集料的最大粒径宜选用13.2mm；若大粒径碎石选用 26.5～37.5mm 碎石，则填料中的集料的最大粒径宜选用9.5mm。

表6 填充料级配范围

类 型	通过筛孔（mm）的质量百分率（%）
19.0	16.0	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
填充料	100	86~100	73~90	57~77	30~50	19~36	12~26	8~19	5~14	3~10	2~7
		100	75~100	42~71	27~51	18~36	10~24	6~18	4~13	2~7
嵌缝料				100	43~73	25~52	17~39	12~29	8~21	5~15	2~7
			100	43~73	25~52	17~39	10~24	6~16	4~10	0~5

其中，填充料用作填充大粒径碎石内部空隙；嵌缝料用作填充大粒径碎石表面开口空隙。

1.3.4道路抗裂技术研究现状

国内学者对路面结构的抗裂性能做了大量研究。在上世纪九十年代末，学者胡雅琴对半刚性基层沥青路面的开裂机制进行研究，提出边界配置法，用来计算裂缝应力强度^[1]。曾梦澜、罗迪等学者对不同级配类型的水泥稳定碎石路面基层材料进行研究，分析悬浮密实型和骨架密实型材料不开裂的极限降温幅度和极限失水率与水泥用量之间的关系^[11]。侯敬尧、李雷、詹世左等学者从水泥稳定碎石混合料大粒径级配和常规级配、3.0%和4.0%不同水泥用量、震动拌和和普通拌合对混合料的干缩性能进行研究，得出震动拌和技术对水泥稳定碎石材料抵抗干燥收缩的能力有显著的提升效果^[4]。范龙顺研究发现多孔水泥稳定碎石材料的抗压强度更多依赖于级配嵌挤因素，抗压强度随着集料最大粒径的减小而增大；最大粒径的减小使得材料内部的半连通空隙和封闭空隙增加，有效空隙率随最大粒径的减小而降低^[2]。廖晓锋、陈忠达等学者，采用振动法实测施工期间高速公路不同水泥剂量的水泥稳定碎石材料力学参数，采用振动法成型的水泥稳定碎石试件的7d劈裂强度值要大于《公路沥青路面设计规范》( JTG D50—2006)的水泥稳定碎石材料劈裂强度推荐值，并且，在相同水泥剂量条件下，底基层采用二灰土时水泥稳定碎石基层开裂间距比底基层采用级配碎石时大; 随着水泥剂量的增大，水泥稳定碎石材料干缩应变和干缩系数先减小后增大，同时两种底基层形式上的水泥稳定碎石基层开裂间距都呈现先增大后减小的趋势，在水泥剂量为3.5% 时基层材料干缩应变和干缩系数最小，基层开裂间距最大^[9]。白雪^[5]从水泥稳定碎石基层开裂机理、开裂应力模拟分析、抗裂性能评价影响因素以及抗裂性能评价指标等多角度对水泥稳定碎石基层抗裂性能进行综合分析与评价。

国外学者Hills等人依据弹性梁的力学模型，对路面温度应力进行了大量的计算。Hass等对混合料的刚度模量随深度变化的沥青表层温度应力进行了计算根据弹性梁理论的延伸，主要是对沥青路面开裂的温度进行了预判。Monismith等人在一定的加载速度及时间的条件下，对不同温度下混合料的应力及应变进行了一定的研究^[7]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容：

填充式大粒径水泥稳定碎石材料具有克服收缩裂缝、合适的模量、抗变形能力强、耐久性好、对交通影响较小等优点。与传统水泥稳定碎石基层相比，大粒径水稳施工工序较为繁琐，工艺相对复杂，且需配合较多的人工，劳动强度高、效率低，施工速度慢。为了将填充式大粒径水泥稳定碎石基层应用于高速公路，论文主要包含以下基本内容：

1、收集整理传统水稳基层及填充式大粒径水稳基层的高速公路机械化施工的相关各项资料，对相关理论、技术进行全面分析。

2、分析采用大粒径水泥稳定碎石材料进行机械化施工的难点及解决方案；

3. 研究计划与安排

2020年2月底，形成实习任务书及计划分解；

2020年3月初，完成毕业论文开题报告的撰写与英文文献的翻译任务。

2020年3月，收集传统水稳基层和填充式水稳基层机械化施工资料，阅读相关文献，对传统水稳基层和填充式水稳基层机械化施工流程和特点进行分析，提出施工过程中存在的工艺难点、质量控制难点等。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 关笑楠. 大粒径水泥稳定碎石抗裂性能试验研究[d]. 浙江大学, 2006.

[2] 范龙顺. 集料的最大粒径对多孔水泥稳定碎石基层性能的影响[j]. 福建交通科技(2):15-17.

[3] 白雪岭. 抗裂大粒径水泥稳定碎石的施工控制及应用[j]. 公路交通科技(应用技术版),15(03):86-88.