強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能及施工離析控制技術(shù)

【摘 要】為了提高水泥穩(wěn)定碎石的路用性能，提出了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石，并驗(yàn)證了其路用性能。結(jié)果表明：強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配具有9.5mm以上的粗集料用量多、4.75mm以下的細(xì)集料用量多、0.075mm以下的集料用量多、4.75mm～9.5mm中間的粒徑的集料用量少等組成特點(diǎn)；強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石比規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配的強(qiáng)度平均提高10%以上。最后，結(jié)合強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石組特點(diǎn)，從原材、堆料、配比、拌合、攤鋪和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制等方面提出一整套離析控制措施。成果可供工程施工時(shí)參考應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】公路工程；水泥穩(wěn)定碎石；強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配；力學(xué)性能；混合料離析控制

引言

理論研究與工程實(shí)踐表明，骨架密實(shí)級(jí)配碎石水泥穩(wěn)定碎石具有優(yōu)良的路用性能，近年來(lái)在我國(guó)公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高其路用性能，論文在分析骨架密實(shí)級(jí)配強(qiáng)度形成機(jī)理基礎(chǔ)上，提出強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)原理和方法，并對(duì)其路用性能進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配組成特點(diǎn)，從原材、堆料、配比、拌合、攤鋪和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制等方面對(duì)離析控制措施進(jìn)行了研究。

1、強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配及其水泥穩(wěn)定碎石性能

1.1 強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配

（1）強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)原理

強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的粗集料形成空間骨架結(jié)構(gòu)，適量的細(xì)集料以最緊密的狀態(tài)填充在粗集料所形成的骨架空隙之間、使其能夠使混合料最大限度的發(fā)揮其強(qiáng)度效應(yīng)，達(dá)到提高水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能的目的。

（2）強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)確定方法

基于上述原理，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配可采用逐級(jí)填充方法確定。具體如下：

①粗集料級(jí)配的確定：所用粗骨料的三種規(guī)格為分別為19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm。粒徑為9.5～19mm的集料填充而不破壞19～31.5mm所形成的骨架，粒徑為4.75～9.5mm的集料填充而不破壞19～31.5mm、9.5～19mm所形成的骨架，以此方法確定各規(guī)格粗集料；

②細(xì)集料級(jí)配的確定：細(xì)集料是指粒徑小于4.75mm的集料，其在混合料中主要的功能為填充粗集料空隙，從而影響著混合料成型后的強(qiáng)度和收縮性。工程上通常采用I法確定細(xì)集料的級(jí)配，即通過(guò)變化I值來(lái)研究不同級(jí)配細(xì)集料的強(qiáng)度、CBR、干燥收縮和溫度收縮等性能

③粗細(xì)集料比例的確定：研究不同粗、細(xì)集料比例的水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度，以力學(xué)性能最優(yōu)為原則，并結(jié)合成型試件斷面情況和工程實(shí)踐施工情況，確定粗細(xì)集料比例，即最終礦料級(jí)配。

1.2 強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配組成特點(diǎn)

根據(jù)上述方法，確定強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配（GM）見(jiàn)表1。表中還給出了《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD50-2006中的骨架密實(shí)級(jí)配（GF），以資對(duì)比。

表1 水泥穩(wěn)定碎石兩種骨架密實(shí)級(jí)配

級(jí)配類型通過(guò)下列篩孔（mm）質(zhì)量百分率（%）

31.519.09.54.752.360.60.075

GM級(jí)配100～9070～6046～3836～2828～1818～106～2

GF

級(jí)配10086～6858～3832～3328～1615～83～0

表1數(shù)據(jù)表明，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)型級(jí)配具有“三多一少”的特點(diǎn)，即9.5mm以上的粗集料用量多，4.75mm以下的細(xì)集料用量多，0.075mm以下的集料用量多，4.75mm～9.5mm中間的粒徑的集料用量少。9.5mm通過(guò)率決定了骨架嵌擠狀況和抗離析性能，過(guò)少難以形成骨架結(jié)構(gòu)，過(guò)多容易離析；4.75mm通過(guò)率決定了混合料密實(shí)程度和影響骨架結(jié)構(gòu)，過(guò)少難以對(duì)粗集料骨架空隙充分填充而形成骨架孔隙結(jié)構(gòu)，過(guò)多則容易撐開(kāi)粗集料骨架而形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)；0.075mm通過(guò)率影響壓實(shí)基層毛細(xì)孔和施工性能，過(guò)少則粗集料表面水泥砂漿不足而導(dǎo)致水泥漿-集料界面存在薄弱面影響強(qiáng)度和抗裂性能，同時(shí)因?yàn)榇旨媳砻嫔皾{少、吸附力小而容易導(dǎo)致施工離析，過(guò)多則也會(huì)增加收縮裂縫和壓實(shí)基層表面鏡面現(xiàn)象。

1.3 物理力學(xué)性能

強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定

碎石力學(xué)性能

性能 項(xiàng)目強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配D50規(guī)范級(jí)配強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)/D50規(guī)范級(jí)配

施工性能最佳含水量（%）4.94.7104.3

最大干密度（g/ cm3）2.42.35102.1

不同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

（MPa）14d10.89.8109.7

28d13.310.5126.8

60d15.410.9141.0

90d16.111.0146.2

180d17.011.2152.1

不同齡期劈裂強(qiáng)度 （MPa）14d0.770.63122.2

28d0.960.84114.3

60d0.980.88111.4

表2中數(shù)據(jù)表明：與JTGD50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的骨架密實(shí)級(jí)配相比，強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)，都有不同程度的提高。90d后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較骨架密實(shí)級(jí)配提高了約46.2%，180d后提高了約52.1%。而28d后的劈裂強(qiáng)度較骨架密實(shí)級(jí)配提高了約14.3%，60d后提高了約11.4%，顯示出了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配良好的力學(xué)性能。

2、強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石離析控制

2.1 原材料變異性控制

在現(xiàn)行公路路面材料中，路用不同規(guī)格的碎石都是從多個(gè)中小型碎石場(chǎng)采購(gòu)而來(lái)，不同碎石場(chǎng)所采用的碎石機(jī)和篩分機(jī)的型號(hào)和規(guī)格不一致，使用也沒(méi)有具體規(guī)范，即使是同一碎石場(chǎng)生產(chǎn)的名義上規(guī)格相同的碎石，其實(shí)際顆粒組成的變異性常有顯著差異；而且，不同碎石場(chǎng)采購(gòu)來(lái)混合在一起的名義上同規(guī)格的碎石，其顆粒組成的變異性也很大。針對(duì)以上原材料顆粒組成變異性大的問(wèn)題，可采用以下措施。

（1）集料二次篩分

首先，材料使用者與碎石供應(yīng)商應(yīng)該根據(jù)路用性能的要求，選擇幾個(gè)固定的采石供應(yīng)廠。同時(shí)對(duì)碎石篩分過(guò)程做固定化模式的確定。確定相同型號(hào)和規(guī)格的碎石機(jī)和篩分機(jī)，制定統(tǒng)一的機(jī)械使用規(guī)范，提供規(guī)范化的人員操作培訓(xùn)，以各種途徑盡量減少在出廠時(shí)的原材料差異。其次，當(dāng)碎石到達(dá)拌合廠堆料場(chǎng)時(shí)，我們需要將名義上同規(guī)格的原材料按照從大到小分別混合后，通過(guò)使用正確的篩分機(jī)理以及合理的篩孔尺寸來(lái)重新進(jìn)行二次篩分。

（2）完善集料管理

對(duì)于路面通常所用的粗、細(xì)集料，若其質(zhì)量不滿足要求，路面性能便得不到保證。因此，所用集料必須滿足顆粒形狀、顆粒組成和各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)的要求；對(duì)于購(gòu)料，嚴(yán)格購(gòu)料合同，控制進(jìn)料變異性，拒收不符合規(guī)定的材料。除對(duì)供應(yīng)商的破碎機(jī)械、篩分機(jī)械有統(tǒng)一的型號(hào)、規(guī)格、使用規(guī)范的要求外，對(duì)某種規(guī)格的集料的某個(gè)篩孔的通過(guò)百分率做具體的規(guī)定；對(duì)于拌和場(chǎng)的堆料，為保持集料的清潔，尤其可以避免雨天場(chǎng)地泥濘，將泥土帶入集料中，場(chǎng)地需做硬化處理，這也是道路基層材料質(zhì)量的重要措施之一。

（3）隨時(shí)調(diào)整配合比

改變以往的這種只要混合料類型不變，生產(chǎn)配合比就不改變的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式?？筛鶕?jù)料倉(cāng)或拌和傳輸帶上混合料的篩分結(jié)果隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)配合比，減少實(shí)際生產(chǎn)時(shí)原材料增加的變異。通常情況下，采用前一天的配合比向拌和控制室輸料，進(jìn)行干拌后取樣篩分。如其顆粒組成符合規(guī)定級(jí)配范圍，即可投產(chǎn)，否則應(yīng)在調(diào)整后再進(jìn)行生產(chǎn)。

2.2 施工過(guò)程中的離析控制

2.2.1 堆料控制

當(dāng)向中心站集中拌和廠供料時(shí)，為保證材料均勻，應(yīng)用合理的堆料技術(shù)。圖1中，由于使用輸送帶系統(tǒng)進(jìn)行堆料，導(dǎo)致大顆粒滾到料堆外側(cè)，集料產(chǎn)生離析，若將離析的材料供給拌和機(jī)，原材料顆粒組成的變異性就會(huì)增加，從而影響了施工質(zhì)量。通常采取的措施是分別堆放供給拌和機(jī)的不同尺寸的材料，這是由于每一料堆的材料尺寸比較均勻，可以減少離析現(xiàn)象。然而，如果原材料顆粒組成的變異性很大，較細(xì)的集料中仍可能產(chǎn)生離析。因此，應(yīng)采用圖2和圖3所示的堆料技術(shù)，它即能保證材料均勻，并能顯著減少堆料產(chǎn)生的離析。此外，拌和廠對(duì)于不同規(guī)格的集料應(yīng)該分別堆放，應(yīng)有可靠的隔離措施（如圖4），避免不同規(guī)格的集料堆交錯(cuò)，從而人為造成集料的變異性的增大。

圖1 料堆中顆粒離析

Figure 1 grain dissociation in stack material l

圖2 采用許多小料堆

Figure 2 using plenty of small stack material

圖3 分層堆料

Figure 3 stack material in separated levels

圖4 某工地料場(chǎng)堆料情況

Figure 4 stack material situation in a certain construction site

2.2.2 料斗和貯料倉(cāng)的改進(jìn)

為了避免向冷料斗裝料時(shí)進(jìn)入相鄰規(guī)格集料的冷料斗內(nèi)，料斗上口要隔開(kāi)；在安裝冷料斗時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大各冷料斗間距，以保證此間距大于裝載設(shè)備的料斗長(zhǎng)度；此外要在料斗的上口兩個(gè)冷料斗相接處安裝斜擋板，以便進(jìn)一步改善集料顆粒組成的均勻性；同時(shí)為了減少拌和料的落差，宜在貯料倉(cāng)上方增加擋板（如圖5）。

圖5 加擋板的貯料倉(cāng)

Figure 5 storage silo with dam board

2.2.3 卡車(chē)裝料和卸料控制

卡車(chē)在貯料倉(cāng)下面快速裝料時(shí)，由于在整個(gè)裝料過(guò)程司機(jī)常常不愿意移車(chē)，對(duì)離析敏感的混合料，較大碎石將滾到卡車(chē)前部、后部和兩側(cè)，（如圖6）。導(dǎo)致卡車(chē)卸料時(shí)開(kāi)始卸下的料和最后卸下的料都是粗料，從而引起離析。

圖6 向卡車(chē)裝料方法不合適

Figure 6 improper loading method

圖7 正確裝料方法

Figure 7 correct loading method

針對(duì)這種原因產(chǎn)生的離析，應(yīng)分三個(gè)不同位置往卡車(chē)中裝料，第一次裝料靠近車(chē)廂的前部，第二次裝料靠近后部車(chē)廂門(mén)，第三次料裝在中間，見(jiàn)圖7。這樣可以消除卡車(chē)中離析現(xiàn)象。另外，為了進(jìn)一步保證混合料整體卸落，車(chē)廂底板需要處于良好啟閉狀態(tài)，車(chē)廂應(yīng)升高到一個(gè)大而安全的角度，使全部混合料能同時(shí)向后滑，盡力使混合料整體卸落。

2.2.4 混合料攤鋪技術(shù)

混合料成功拌合后將其均勻地裝到卡車(chē)內(nèi)，并整體卸入攤鋪機(jī)受料斗進(jìn)行攤鋪。然而如果混合料的攤鋪過(guò)程不科學(xué)規(guī)范，路面就可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的離析。

在每輛卡車(chē)卸料之間，至少要留少部分混合料在受料斗內(nèi)；并且盡可能減少側(cè)板翻起次數(shù)，僅在需要將受料斗中的混合料弄平時(shí)，才將兩塊側(cè)板翻起；在卸料時(shí)還要將卡車(chē)車(chē)廂翻起后向受料斗卸料，使混合料輸送時(shí)的滾動(dòng)阻力最小。

在混合料攤鋪過(guò)程中應(yīng)盡可能連續(xù)，只有在必要時(shí)才可停頓和重新啟動(dòng)調(diào)整攤鋪機(jī)的速度，以便使攤鋪機(jī)的產(chǎn)量與拌和機(jī)的產(chǎn)量相平衡；還要注意調(diào)整其分料速度，使分料器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使出料連續(xù)而緩慢；同時(shí)應(yīng)該盡量調(diào)整攤鋪機(jī)分料室的伸長(zhǎng)度，使攤鋪機(jī)從受料斗的兩側(cè)攤出相同數(shù)量的混合料。

3、結(jié)語(yǔ)

（1）本文基于強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)原理，提出了強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配的確定方法。其結(jié)果表明：強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配具有9.5mm以上的粗集料用量多、4.75mm以下的細(xì)集料用量多、0.075mm以下的集料用量多、4.75mm～9.5mm中間的粒徑的集料用量少等組成特點(diǎn)。

（2）強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石具有優(yōu)良的路用性能，與規(guī)范中的骨架密實(shí)級(jí)配強(qiáng)度相比ZH至少提高10%以上。

（3）本文結(jié)合強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石的組特點(diǎn)，從原材、堆料、配比、拌合、攤鋪和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制等方面提出一整套離析控制措施。成果可供工程施工時(shí)參考應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

馬永剛（1971-），男，回族，金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站書(shū)記，高工，主要從事交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督工作；方劍（1980-），漢族，金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站科長(zhǎng)，高工，主要從事質(zhì)量監(jiān)督、安全監(jiān)管、檢測(cè)管理等工作。