水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度控制分析

摘要:高速公路基層主要是公路主要的承重層，用于抵抗和減緩荷載，因此，基層強(qiáng)度將對(duì)公路強(qiáng)度和路面損害產(chǎn)生直接影響。本文就高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度形成原理、級(jí)配組成及基層含水量與回彈模量間的關(guān)系進(jìn)行了闡述和分析，并提出了基層含水量的控制應(yīng)在最優(yōu)含水量以下15 %的范圍內(nèi)，才能保證基層強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:水泥穩(wěn)定碎石;承載板試驗(yàn);篩分曲線;回彈模量

中圖分類號(hào):U416.214文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-8136(2010)03-0007-03

1前言

隨著公路建設(shè)大力發(fā)展，公路病害也越來(lái)越突出，湖南省位于北緯24°39′～30°08′之間，大部分地區(qū)屬中亞熱帶東部濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，湘南、湘東北分別兼有向南亞熱帶和北亞熱帶過(guò)渡的特征。境內(nèi)多年平均降水量在1 200 mm～1 700 mm之間，是全國(guó)多雨地區(qū)之一，各地降水量大于1 000 mm的保證率在90 %以上;大于1 200 mm的保證率有70 %～80 %，且雨水集中于春夏兩季，占全年降雨總量的70 %。氣候的主要特征為氣候溫暖，四季分明;熱量充足，雨水集中;春溫多變，夏秋多旱;嚴(yán)寒期短，暑熱期長(zhǎng)。由此，公路路面水損害尤為嚴(yán)重，同時(shí)也是影響公路使用壽命的重要因素之一。[1]

降雨期間通過(guò)路面孔隙、裂縫、接縫、中央分隔帶滲入的水或高地下水位路段的地下水滯留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，給公路路面的使用帶來(lái)非常不利的影響。對(duì)柔性路面而言，其水損壞形式主要包括:卿漿、松散、掉粒、坑槽等，剛性路面水損壞的形式主要為:沖刷、唧泥、斷板、斷角和碎裂等。防治公路路面水損害必須從基層和排水層開始，當(dāng)然材料的選擇也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。[2]

本文以湖南常吉高速公路為依托工程，廣泛調(diào)查其基層水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配組成、承載力及與含水量變化關(guān)系等，總結(jié)得出高速公路基層施工的含水量控制規(guī)律。

2水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度形成原理

水泥穩(wěn)定碎石根據(jù)粗集料和細(xì)集料在混合料中的分布狀態(tài)可以劃分為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)和均勻密實(shí)型結(jié)構(gòu)。通過(guò)機(jī)械碾壓作用水泥穩(wěn)定碎石能緊密的嵌擠在一起，并依靠顆粒之間的嵌擠和摩阻作用而形成的內(nèi)摩阻力使其具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。再次，水泥加入集料中并加入一定量的水加以拌和后，水泥中的各個(gè)組分與土中的水分發(fā)生強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng)，同時(shí)從溶液中分解出氫氧化鈣，并形成具有膠結(jié)能力的水化物，這是水泥穩(wěn)定類混合物的強(qiáng)度主要來(lái)源。水泥水化后的主要產(chǎn)物是堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和氫氧化鈣，其中前兩種產(chǎn)物是主要的膠結(jié)成分，黏結(jié)、形成強(qiáng)度和體積變化主要由它們來(lái)控制，各種水化產(chǎn)物可繼續(xù)硬化并在土中形成水泥石骨架。水泥水化生成的產(chǎn)物，在集料的空隙中相互交織搭接，將集料顆粒包裹連接起來(lái)，使其逐漸喪失了原有的塑性等性質(zhì)，并且隨著水化產(chǎn)物的增加，混合料也逐漸堅(jiān)固起來(lái)，在這一過(guò)程中主要包

括3種作用形式:離子交換作用、化學(xué)激發(fā)作用、碳酸化作用。由此，增大了水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

3水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)

水泥、碎石材料的選擇。

根據(jù)供料情況確定4種規(guī)格石料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，分別為10 mm～30 mm碎石、10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石和石屑，水泥采用強(qiáng)度為32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，集料的壓碎值、吸水率等參數(shù)均滿足技術(shù)規(guī)范的要求。礦料篩分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示，級(jí)配曲線如圖1所示。

表1水泥穩(wěn)定碎石篩分結(jié)果

篩孔尺寸

/ mm礦料通過(guò)率 / %

10 mm~30 mm10 mm~20 mm5 mm~10 mm天然砂水泥穩(wěn)定碎石

推薦配比 / %31281823100

31.5100100100100100

26.588.810010010096.528

19.027.398.810010077.127

9.501.8020.698.610047.074

4.750.601.5028.395.827.734

2.360.501.406.8083.520.976

0.600.501.203.2036.99.554

0.0750.501.102.301.501.222

圖1水泥穩(wěn)定碎石篩分曲線

一般水泥穩(wěn)定碎石基層從功能上來(lái)看，可以作為排水基層、抵抗和減緩荷載的用途。水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度影響因素一般為礦料級(jí)配和水泥劑量，骨架密實(shí)型級(jí)配和水泥劑量對(duì)提高水泥穩(wěn)定碎石的抗荷載和抗裂性能有顯著效果，而水泥穩(wěn)定碎

本文為湖南省交通廳科技項(xiàng)目(2007-29)

石作為排水基層則應(yīng)考慮骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中細(xì)料的壓實(shí)體積小于粗集料形成的空隙體積，且壓實(shí)后混合料存在一定的孔隙[3]，因此在設(shè)計(jì)和施工中需慎重考慮其影響因素，并參照規(guī)范內(nèi)級(jí)配范圍，如表2。

表2水泥穩(wěn)定碎石規(guī)范要求級(jí)配范圍

通過(guò)下列方篩孔的質(zhì)量百分率 / %

篩孔尺寸 / mm31.519.09.504.752.360.600.075

基層10068~8638~5822~3216~288~150~3

4承載板法測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石基層回彈模量

在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基層的回彈模量是影響結(jié)構(gòu)厚度最敏感的參數(shù)之一，基層回彈模量較小的變化會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度產(chǎn)生較大的影響。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)中，能否選用合乎實(shí)際的基層回彈模量直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)場(chǎng)承載板法是現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范中所推薦的基層回彈模量測(cè)試方法之一，可較為準(zhǔn)確地得出基層的回彈模量，所使用儀器結(jié)構(gòu)及操作比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同含水量基層的回彈模量進(jìn)行測(cè)試，得出含水量與回彈模量的關(guān)系，為路基防排水設(shè)計(jì)與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供直接指導(dǎo)。

4.1承載板法試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本試驗(yàn)通過(guò)彎沉儀測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石在不同含水量情況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈彎沉值，通過(guò)計(jì)算求得水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量值。得出在不同含水量情況下，水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量與含水量的關(guān)系，即水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量隨含水量的變化情況。通過(guò)分析含水量對(duì)回彈模量的影響的程度來(lái)說(shuō)明基層由于路面滲水而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，并提出防水措施要保證基層含水量控制在一定含水量以下。

4.2水泥穩(wěn)定碎石基層回彈模量與含水量的關(guān)系

承載板試驗(yàn)是一種測(cè)試路基土承載能力的經(jīng)典方法。該試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)反力梁下千斤頂?shù)膲毫Γ瑢⒉煌笮〉暮奢d施加到剛性承載板上，承載板下土基的變形則由梁式彎沉儀讀出。試驗(yàn)中通過(guò)逐級(jí)加載、卸載的方式，測(cè)出每級(jí)荷載下相應(yīng)的土基回彈變形值，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得土基回彈模量。

常吉高速公路基層分為上基層18 cm水泥穩(wěn)定碎石(6 MPa)、下基層17 cm水泥穩(wěn)定碎石(5 MPa)和底基層18 cm水泥穩(wěn)定碎石(3 MPa)。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定上基層水泥穩(wěn)定碎石的最優(yōu)含水量為5.2 %，水泥摻量為6 %，且在最優(yōu)含水量情況下的回彈模量值為2 750 MPa，基層填料密實(shí)度大于98 %，填料密度為2.40 g/mm3～2.42 g/mm3。為確定水泥穩(wěn)定碎石基層含水量與其回彈模量之間的關(guān)系，在常德至吉首高速公路進(jìn)行了承載板試驗(yàn)。根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得出水泥穩(wěn)定碎石含水量與回彈模量之間的關(guān)系，見(jiàn)表3和圖2。

由圖2中可以看出，水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量值是隨著含水量的增大而減小的，且在圖中可以發(fā)現(xiàn)曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)拐點(diǎn)分別為最優(yōu)含水量±0.5 %，即含水量為4.7 %和5.7 %，其中4.8 %為低極限含水量，5.6 %為高極限含水量。并從圖2中可以看出在3.4 %～4.7 %和5.7 %～7.2 %兩個(gè)含水量變化區(qū)域中回彈模量變化比較小，同時(shí)水泥穩(wěn)定碎石在含水量為5.7 %～7.2 %之間時(shí)回彈模量的變化率相對(duì)于含水量為3.4 %～4.7 %之間時(shí)更加趨于平緩，這說(shuō)明在高含水量的情況下，回彈模量將趨于定值?？梢?/p>

預(yù)見(jiàn)在低含水量情況下，回彈模量也會(huì)趨于定值。

表3水泥穩(wěn)定碎石(6 MPa)基層含水量與回彈模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

水泥穩(wěn)定碎石含水量 / %3.44.04.84.95.25.66.77.2

基層回彈模量 / MPa3 8403 7303 4103 1802 7502 3602 2002 110

一般情況下，基層的攤鋪是在最優(yōu)含水量情況下施工，因?yàn)橹挥性谧顑?yōu)含水量情況下，基層在碾壓時(shí)才能達(dá)到最大密實(shí)度。然而，此時(shí)基層的回彈模量處于一個(gè)并不是很高的狀態(tài)，隨著水分蒸發(fā)，水泥逐漸硬化，基層的回彈模量逐漸增大，因此回彈模量應(yīng)隨著含水量的變小而逐漸增大。因此，在控制基層的含水量時(shí)，應(yīng)該采取措施，使基層中的含水量(以本試驗(yàn)成果為例)控制在4.7 %以下，這樣才能使基層的強(qiáng)度損失的速度不至于過(guò)快，反之，當(dāng)從面層上滲入到基層的水量使基層的含水量超過(guò)4.7 %時(shí)，基層的模量值將會(huì)損失很快，尤其是當(dāng)含水量超過(guò)碾壓時(shí)的最優(yōu)含水量時(shí)，基層的強(qiáng)度將會(huì)減小很大程度，從而使基層的承重功能不能得到發(fā)揮。如果基層處于過(guò)濕狀態(tài)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在不同的荷載作用下，路面面層受力處于不均勻狀態(tài)，進(jìn)而造成路面面層的水損害，路面受損勢(shì)必使更多的水滲入到基層，這樣會(huì)更進(jìn)一步造成基層的強(qiáng)度損失，會(huì)導(dǎo)致路面的循環(huán)破損以致路面完全破壞。

綜合來(lái)看，基層的強(qiáng)度減小最快的區(qū)域?yàn)樽顑?yōu)含水量附近，路基含水量太高影響路基強(qiáng)度，而路基含水量過(guò)低則影響水泥的水化和水解反應(yīng)過(guò)程，因此保障路基的含水量低于碾壓時(shí)的含水量的15 %左右，可有效保證基層的強(qiáng)度受含水量影響不大。

5 結(jié)論

從上述分析可以得出路面的面層設(shè)計(jì)和路面內(nèi)部的防排水設(shè)施應(yīng)盡量保證少量的水滲入到基層，中央分隔帶的防排水措施及防排水的施工應(yīng)該保證其防水的質(zhì)量。如果在防排水設(shè)施最不利的情況下工作，盡量使少量水存留于基層中，水分的存留量不能使基層的含水量的增量過(guò)大，并且不能高于低極限含水量，基層含水量的控制應(yīng)在最優(yōu)含水量以下15 %的范圍，才能保證基層強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)也對(duì)防排水的設(shè)計(jì)以及路面養(yǎng)護(hù)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

1 苗英豪、王秉綱、李 超、戈普塔. 中國(guó)公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008.28(1):26～31

2 蔣 甫、應(yīng)榮華、秦仁杰. 昌樟高速公路水損害調(diào)查分析與處治措施. 公路，2006.12(12):200～204

3 楊若沖、梁錫三、賴用滿. 瀝青路面水損害典型原因與對(duì)策.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008.36(6):749～753

Analysis that the Intensity at the Basic Level of Broken

Stone of the Cement Stability Controls

Fan Jie

Abstract: The expressway basic unit is mainly main bearing storey of the highway， used for resisting and slowing down and loading， so， the basic unit is strong it produces direct influence that degree will damage the intensity of the highway and road surface. This text takes shape on the intensity at the basic level of broken stone of cement stability of the expressway the principle， grade are worthy of making up and the relation among the water content at the basic level and mould amount of resilience has been explained and analysed， have proposed the basic unit includes the control of the water yield could guarantee the intensity and stability at the basic level in 15% of the ranges under optimum water content .

Key words: the cement stabilizes the broken stone; bear the weight of the board to test; sieve the curve; mould amount of resilience