水泥穩(wěn)定碎石施工延時試驗模擬分析

任雙宏，牛麗坤

（1.西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安710068；2.中鐵一局集團有限公司技術(shù)研發(fā)中心，陜西 西安710068)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石作為一種常用的半剛性基層、底基層類型，具有強度較高、承載力大、水穩(wěn)定性好等特點。近年來，水泥穩(wěn)定碎石基層不僅成為高速公路路面基層、底基層的主要結(jié)構(gòu)形式，更是被越來越廣泛地應用于市政道路建設中。水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層作為路面主要承重層，其施工質(zhì)量對路面的使用性能和使用壽命都有十分重要的影響。對于水泥穩(wěn)定碎石材料，由于水泥與集料遇水會產(chǎn)生凝結(jié)硬化作用，使得從加水拌和到碾壓終了的延遲時間對水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度和所能達到的干密度產(chǎn)生明顯的影響，從而直接影響到水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層的施工質(zhì)量。因此，延遲時間成為影響水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層施工質(zhì)量的關(guān)鍵控制要素。如果能模擬現(xiàn)場的實際情況進行室內(nèi)試驗，確定其含水量、強度的變化規(guī)律，便可以減少試驗結(jié)果與實際的偏差，對施工質(zhì)量管理更具有意義。本文對水泥穩(wěn)定碎石作為西安地區(qū)某市政主干路底基層的受曬施工延時進行了試驗模擬分析。

1 試驗原材料

1.1 水泥

根據(jù)規(guī)范要求，用于水泥穩(wěn)定類基層的水泥應選用初凝時間大于3h、終凝時間不小于6h 的42.5級普通硅酸鹽水泥。本次試驗選用商洛堯柏龍橋水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，各項技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求，見表1。

表1 水泥的各項技術(shù)指標

1.2 集料及級配

試驗用集料為藍田河馬道石料場的花崗巖，采用四種規(guī)格：19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、石屑。各項技術(shù)指標如表2所示。

表2 集料的各項技術(shù)指標

混合料級配采用符合《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》（CJJ 1—2008）中關(guān)于級配碎石作為城市主干路底基層的級配范圍要求?；旌狭霞壟浣M成具體見表3，級配曲線見圖1。

表3 混合料級配組成

表2（續(xù)）

圖1 水泥穩(wěn)定碎石的級配曲線

2 試驗方法

考慮到施工時氣溫、空氣濕度等對施工質(zhì)量會有較大的影響，根據(jù)西安地區(qū)的氣象資料，7月、8月是西安最熱的時候，白天室外氣溫在33～38℃，7月底的10多天會達到40℃左右，此段時間地表溫度在42～50℃。本次試驗即選在西安地區(qū)的最不利季節(jié)7月中旬以后進行。時間段選取在12：00—16：00之間，該段時間氣溫較高，光照強烈。

具體的試驗方案如下：根據(jù)以往西安地區(qū)采用水泥穩(wěn)定碎石作為城市道路基層、底基層的經(jīng)驗，本次試驗選定水泥劑量為3.5%，采用選定級配；按照《公路無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）進行擊實試驗，計算確定最佳含水量以及最大干密度，然后計算混合料的碎石、水泥以及水的用量；采用實驗室專用攪拌機進行拌和，將拌和好的混合料堆放攤鋪在室外硬塑料板上，用溫度計以及測溫槍分別測出室外氣溫以及室外地表溫度；攤鋪厚度按照本次設計道路底基層的厚度30cm 考慮；然后在混合料受曬1h、受曬2h、受曬3h后分別測量其含水量以及最大干密度。

根據(jù)以上試驗設計，按照標準成型、受曬1h、受曬1h 加水1%、受曬1h 加水2%、受曬2h、受曬2h加水1%、受曬2h加水2%、受曬3h、受曬3h 時加水1%、受曬3h 加水2%等9 種情況，以最大干密度、最佳含水量在壓實度為97%的條件下成型試件（每種情況平行試件9 個），試件為Φ 150mm×150mm 圓柱體試件，將成型好的試件放在標準養(yǎng)護室養(yǎng)生7d，養(yǎng)護溫度為20℃±2℃，相對濕度為95%，在養(yǎng)生的最后1d（第7d）將試件泡水，水的深度應使水面在試件頂上約2.5cm，浸水的水溫與養(yǎng)護溫度相同。最后測出以上9種情況下試件的7d 無側(cè)限抗壓強度。本次設計水泥穩(wěn)定碎石作為主干路底基層，其7d 浸水無側(cè)限抗壓強度不小于2.5MPa。

3 試驗結(jié)果

3.1 最佳含水量及最大干密度

本次選定水泥劑量為3.5%，采用選定級配后按照含水率為3.5%、4.6%、5.2%、6.2%分別進行擊實試驗，得到的最大干密度如表4所示。

表4 不同含水量擊實所得最大干密度

擊實曲線經(jīng)二次多項式擬合，計算得到最佳含水量為5.38%，最大干密度為2.340g/cm3，如圖2所示。

圖2 水泥劑量為3.5%的標準擊實試驗

3.2 受曬延時后的含水量以及最大干密度

按標準擊實試驗所得最佳含水量及最大干密度計算每組9 個試件的碎石、水泥用量及用水量，然后將拌和好的混合料放在陽光下，混合料的受曬按照之前設計試驗要求在12：00—16：00 之間進行，該時間段溫度為33～37℃。然后采用酒精燃燒法分別測量混合料受曬1h、受曬2h、受曬3h 后的含水量以及最大干密度，見表5。

表5 不同條件下混合料的含水量及最大干密度（平均）

水泥穩(wěn)定碎石混合料加水拌和后，隨延時時間增加，一部份水參與水泥水化反應，另一部份水蒸發(fā)損失。根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，混合料曬干延時后，混合料的水分損失大概為0.65%/h。另外，受曬延時后最大干密度會有所下降。根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，混合料每延曬1h，最大干密度會下降約0.03g/cm3。從試驗過程可以看出，受曬延時后混凝土的和易性明顯降低。試驗過程中得知，受曬延時1h 后，混合料可塑性就有明顯下降，表現(xiàn)為難以拌和成型，這樣試件強度變異性會增大。

根據(jù)以上試驗得出每種情況下混合料的最大干密度，最佳含水量均取5.38%，然后再分別加入占混合料重量1%、2%的水，以壓實度97%成型試件。

3.3 7d浸水無側(cè)限抗壓強度

按照之前設計的試驗要求，將成型好的試件放在標準養(yǎng)護室養(yǎng)生7d，養(yǎng)護溫度為20℃±2℃，相對濕度為95%，在養(yǎng)生的最后1d（第7d）將試件泡水，水的深度應使水面在試件頂上約2.5cm，浸水的水溫與養(yǎng)護溫度相同。本次設計水泥穩(wěn)碎石作為主干路底基層，其7d 浸水無側(cè)限抗壓強度不小于2.5MPa。試件的7d 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表6。

表6 7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

表6（續(xù)）

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，對水泥穩(wěn)定碎石7d浸水無側(cè)限抗壓強度進行分析。將不同試驗方法所得強度結(jié)果繪制成圖，如圖3所示。

圖3 不同試驗方法的強度分布曲線

從圖3 可以看出，受曬延時2h 以內(nèi)，7d 無側(cè)限抗壓強度均能滿足設計要求，再添加1%、2%的水并不明顯影響混合料強度。受曬延時3h 以后，圖3中設計強度曲線在平均強度曲線上方，說明混合料強度變異增大，平均強度低于設計強度要求。從試驗過程可知，水的加入雖然能增加和易性，但混合料中的水泥漿與細料受曬時形成顆粒并失去大量可塑性，不能很好起到包裹粗集料形成聯(lián)結(jié)強度的作用，相反延時后，靜壓成型試件時，破壞了水泥已經(jīng)形成的膠結(jié)作用，導致強度降低。

再將標準成型試件不受曬時的平均強度及受曬延時1～3h的平均強度值連成曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，由于受曬時溫度高，加快了水泥反應，延時1h、2h 強度會略有提高，但延時超過2h以后，強度明顯下降。

圖4 延時時間和強度的關(guān)系

4 結(jié)論

通過以上的試驗分析，可以得到以下結(jié)論：水泥穩(wěn)定碎石混合料從加水起應在2h 內(nèi)完成攤鋪碾壓成型，超過2h 混合料強度將得不到保證。由于本試驗采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，試驗測得水泥的初凝時間為226s，所以也可以判定由于水泥等膠凝材料，要求水泥穩(wěn)定碎石施工要在水泥初凝前完成；若延遲時間過長，大于水泥的初凝時間，則碾壓時會破壞已形成的水泥膠體，額外耗費壓實功，影響壓實度，而且已形成的水泥膠結(jié)體被破壞后就再不能發(fā)揮其膠凝作用，從而造成強度損失。

為了保證水泥穩(wěn)定碎石施工質(zhì)量，結(jié)合以上試驗結(jié)果，提出如下建議：

（1）施工中要求加強施工組織設計和計劃治理，增加現(xiàn)場施工人員的緊迫感和責任感，加快施工進度，加大機械化施工程度，提高機械效率，一般情況下要保證水泥穩(wěn)定碎石混合料自加水起2h內(nèi)完成攤鋪碾壓成型；

（2）目前水泥穩(wěn)定碎石用于城市道路建設一般均采用集中廠拌，設計時可綜合考慮運輸距離等因素，盡量采用初凝時間相對較長的緩凝水泥或通過試驗加入適當?shù)木從齽?/p>

（3）在一定的水泥種類和級配前提下，影響水泥穩(wěn)定碎石最大延遲控制時間和強度的主要因素是含水量和溫度，實際施工過程中，混合料含水量（失水量）的影響更大，溫度通過影響含水量（失水量）而起作用，在水泥穩(wěn)定碎石實際施工過程中應建議根據(jù)不同的水泥、級配以及施工季節(jié)的溫度等因素進行相應的試驗，以便更好地指導施工。

[1] CJJ 1—2008，城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2] CJJ 169—2012，城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范[S].

[3] JTG E51—2009，公路無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].

[4] 王卓婭，劉煒.水泥穩(wěn)定碎石原材料分析與使用要求[J].遼寧省交通高等?？茖W校學報，2005（4）：18-20.

[5] 胡龍泉，蔣應軍，陳忠達.骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石路用性能[J].交通運輸工程學報，2001（4）：37-40.