水泥穩(wěn)定碎石基層的最低劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度研究

田宇飛

（烏蘭察布市金橋公路工程有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度高、整體性好、承載能力大,作為道路的主要承重層,在我國各種道路，特別是高等級(jí)道路中得到了廣泛應(yīng)用,為道路交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展起了很大的作用。

水泥穩(wěn)定碎石具有-一定的抗拉強(qiáng)度,環(huán)境溫度越高、齡期越長(zhǎng),其強(qiáng)度和剛性(回彈模量)也越大.因此其優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)突出的。但是水泥穩(wěn)定碎石混合料經(jīng)拌和壓實(shí)后,因水分蒸發(fā)和混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用而產(chǎn)生體積收縮,以至出現(xiàn)收縮裂縫,引起瀝青面層發(fā)生所謂的反射裂縫之后，一旦有水分進(jìn)人，就將影響瀝青路面的使用性能和使用壽命。所以,其缺點(diǎn)也是相當(dāng)明顯的。大量研究表明:水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度與其收縮量關(guān)系很大，一般規(guī)律是強(qiáng)度升高,收縮量增大。因此，制定水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)該考慮在一定的安全度條件下,與其受力狀況相適應(yīng)。

水泥的類型和用量、細(xì)集料的含量、顆粒含量和混合料的含水量的因素都影響著水泥碎石強(qiáng)度，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了達(dá)到施工要求，收縮裂縫，必須改善水泥的級(jí)配組成，在滿足規(guī)范所規(guī)定的抗壓強(qiáng)度前提下，限制水泥的用量；同時(shí)，還要在減少集料中含泥量的情況下，限制細(xì)集料的用量，尤其是 0.075mm以下顆粒的含量；另外，還需要考慮實(shí)際施工時(shí)的氣候條件來調(diào)節(jié)水泥的含水量等。實(shí)踐證明，這些措施能夠有效的改善水泥裂縫情況，但是對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石的7d抗壓強(qiáng)度的大小卻沒有明確規(guī)定，這一問題仍然困擾著世人。

鑒于以上原因，本文針對(duì)高級(jí)道路瀝青路面中的水泥碎石基層，研究其在施工期間和在設(shè)計(jì)使用壽命期間可以承受的受力狀態(tài)，根據(jù)研究結(jié)果，提出了水泥穩(wěn)定碎石基層在不同交通等級(jí)下的適宜輕度建議標(biāo)準(zhǔn)值。

1 受力狀態(tài)下水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

水泥穩(wěn)定碎石具有良好的強(qiáng)度、剛度和板體性，較好的水穩(wěn)定性和抗沖刷能力,在路面基層底基層中得到了廣泛的應(yīng)用?？箟簭?qiáng)度是當(dāng)前規(guī)范確定水泥穩(wěn)定碎石配合比的唯一指標(biāo)。劈裂強(qiáng)度是確定水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層容許拉應(yīng)力的關(guān)鍵指標(biāo)，是水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)之一。為保證結(jié)構(gòu)承載力,《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50一2006)規(guī)定,水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為2.5-4.5 MPa、不小于1.5 MPa。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并非是以抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)，而是以各層的層底拉應(yīng)力為指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度之間雖然存在著一定的相關(guān)關(guān)系,但并不能直接反映層底拉應(yīng)力的大小，這導(dǎo)致設(shè)計(jì)指標(biāo)和施工指標(biāo)的不一致。

1.1 國內(nèi)外的相關(guān)規(guī)定

我國水泥穩(wěn)定碎石基層作為瀝青路面的結(jié)構(gòu)層次,其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(7d浸水)在我國《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034--2000)中有明確規(guī)定。該規(guī)范還特別注明:設(shè)計(jì)年限內(nèi)每一個(gè)車道上的BBZ-100kN累計(jì)當(dāng)量軸次Ne<1200*104的公路可采用低限值;Ne>1200*104的公路可采用中值;主要行駛重載車輛的公路應(yīng)采用高限值;某一具體公路應(yīng)采用一個(gè)值，而不采用某一范圍。在即將出版的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中,按照不同的交通等級(jí),對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的 7d抗壓強(qiáng)度也有具體規(guī)定。其中規(guī)定:當(dāng)Ne<150*104時(shí)為低交通等級(jí)(A); Ne= 150*104-400*104時(shí)為輕交通等級(jí)(B); Ne=400X104-1200X104時(shí)為中交通等級(jí)(C); Ne=l200* 104-3 000*104時(shí)為重交通等級(jí)(D), Ne> 3000*104時(shí)為特重交通等級(jí)(E)。

日本:在 2001年發(fā)布的“路面結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及解析”中,對(duì)水泥穩(wěn)定碎石用于上基層時(shí)的7d抗壓強(qiáng)度規(guī)定為2. 90 MPa,用于底基層時(shí)則規(guī)定為0.98 MPa。日本的標(biāo)準(zhǔn)軸載為49 kN.

南非:用于其A類道路(主要城市間的高速公路及鄉(xiāng)村道路Ne= 100*104-300*104)和 B類道路(城間千道、鄉(xiāng)村道路,Ne=300*104-1000*104)時(shí),水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度規(guī)定為 1.5~3.5MPa;用作底基層時(shí)則為 0.75-1.50MPa.南非的標(biāo)準(zhǔn)軸載為80kN.

德國:規(guī)定水泥穩(wěn)定碎石28 d抗壓強(qiáng)度平均值≥7.0 MPa,其中每個(gè)試件的28 d抗壓強(qiáng)度≥3.5MPa。在這種結(jié)構(gòu)中，瀝青層的厚度為26厘米。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石的28d抗壓強(qiáng)度≥9.0MPa時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石稱重層要切槽、留縫。

法國：規(guī)定水泥穩(wěn)定碎石基層的28d抗彎強(qiáng)度為1.2MPa以上。

由以上及其他資料得出：國外對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度要求都略低于我國。

1.2 形成原理

水泥穩(wěn)定碎石基層是用碎石、石屑、水泥和水按一定的配合比摻和,經(jīng)拌和得到混合料，混合料通過攤鋪,在最佳含水率狀態(tài)時(shí)壓實(shí)后經(jīng)養(yǎng)護(hù)成型,抗壓強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求的一種集料板體結(jié)構(gòu)層。它是以一定級(jí)配的碎石為骨料,以石屑為填充料,以水泥為水硬性結(jié)合料組合而成的半剛性基層材料。其強(qiáng)度形成與碎石級(jí)配、壓實(shí)度、水泥和粒料之間的水熱化學(xué)反應(yīng)等有直接聯(lián)系。

嵌擠作用決定了水泥穩(wěn)定碎石混合料中的碎石具有一定的粒徑級(jí)配范圍，經(jīng)過拌合之后，混合料中的大小顆粒進(jìn)行重新排列組合,小顆粒填充大顆粒之間的間隙,在機(jī)械碾壓作用下,大小顆粒緊密地嵌固在一起。 顆粒之間的嵌擠作用和摩阻作用形成結(jié)構(gòu)層的內(nèi)摩阻力,使水穩(wěn)層具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。水泥硬化作用使水泥中的礦物成分與水發(fā)生強(qiáng)烈的水解反應(yīng)和水化反應(yīng),同時(shí)在溶液中分解出Ca(OH)2形成水化物,各種水化物生成后,有的繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架,有的則與碎石中的其他礦物質(zhì)發(fā)生硬凝作用和碳酸化作用,生成穩(wěn)定的不易分解的礦物質(zhì),從而增大了水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。另外化學(xué)激發(fā)作用也是形成的原因之一，石屑中礦物成分的活性被Ca(OH)2激發(fā),與鈣離子發(fā)生反應(yīng)生成具有膠凝能力的新礦物質(zhì),這些具有膠結(jié)作用的物質(zhì)包裹在碎石顆粒表面，與水泥水化物一起將混凝料中的顆粒凝結(jié)成-一個(gè)整體。使得水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

1.3 實(shí)驗(yàn)依據(jù)和方法

如前所述，國內(nèi)外對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是依據(jù)公路等級(jí)、交通量大小及其在路面結(jié)構(gòu)中的層次和所發(fā)揮的作用定出的.這些依據(jù)雖然正確，但都只是宏觀的外部條件,要確定其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)該從受力狀態(tài)出發(fā),即深入考慮道路運(yùn)營和施工期間水泥穩(wěn)定碎石基層在車輛荷載作用下所承受的應(yīng)力狀態(tài).這樣的分析方法可使材料的力學(xué)特性更為明確,更符合實(shí)際情況. 具體方法和步驟如下:(1)針對(duì)現(xiàn)行瀝青路面常用結(jié)構(gòu)組合,按照相關(guān)規(guī)范所提供的設(shè)計(jì)參數(shù),利用彈性層狀體系理論的有關(guān)計(jì)算程序,計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的受力狀態(tài);(2)考慮道路所承受的交通量大小,初步確定水泥穩(wěn)定碎石基層所應(yīng)具備的抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;(3)考慮水泥穩(wěn)定碎石混合料在現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)配料、拌和等工序上的變異性;(4)基于我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗彎強(qiáng)度指標(biāo)是以試件90 d齡期為依據(jù)，而公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范是以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)(在工程實(shí)踐中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)較抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便),故尚需將水泥穩(wěn)定碎石基層的90d抗彎強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成抗壓強(qiáng)度值;(5)根據(jù)水泥穩(wěn)定碎石基層抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的規(guī)律,計(jì)算其7d齡期的抗壓強(qiáng)度值.

2 影響水泥穩(wěn)定碎石基層抗壓強(qiáng)度的因素

2.1 水泥摻量及級(jí)配對(duì)水穩(wěn)層的基實(shí)的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明:同一級(jí)配下,隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石基層的最佳含水量逐漸增大,最大千密度逐漸增大，這是因?yàn)閾饺说乃嘣蕉?水泥水化反應(yīng)時(shí)需要的水的越多，同時(shí)使得顆粒之間的膠結(jié)作用更強(qiáng),使得千密度增大。最佳含水率隨著水泥摻量增加而增加的趨勢(shì)逐漸加快，當(dāng)水泥摻量從4%增加到6%時(shí)，最佳含水率增加了8%左右;當(dāng)水泥摻量從6%增加到8%時(shí)，最佳含水率增加15%左右。最大千密度隨著水泥摻量增加而增大趨勢(shì)逐漸減小，當(dāng)水泥摻量從4%增加到6%時(shí)，最大干密度增大7%左右;當(dāng)水泥摻量從6%增加到8%時(shí)，最大干密度增大2%左右，增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸平緩。同一水泥摻量下，集料中粗顆粒的含量越多,最佳含水率越低，最大干密度越大;這是因?yàn)樗嗪肯嗤瑫r(shí),集料中細(xì)集料的含量越多,達(dá)到飽和時(shí)吸收水分越多,所以導(dǎo)致最佳含水率增大,同時(shí)細(xì)集料的含量越多，單位體積內(nèi)質(zhì)量越小，使得最佳干密度降低。

2.2 水泥摻量及級(jí)配對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明:同-一級(jí)配下，隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值和代表值均逐漸增大。這是因?yàn)樗鄵搅吭酱?，水泥水解和水化作用之后的膠結(jié)作用效果越好，固化效果越好,所以抗壓強(qiáng)度越大。隨著水泥摻量的增加,無 側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大趨勢(shì)先慢后快。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:摻 4%水泥的穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到底基層的抗壓強(qiáng)度要求,而摻6%和摻8%水泥的穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度達(dá)到路面上基層的要求。同一水泥摻量下，集料中碎石的含量越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大,且無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)越大。這是因?yàn)樗喾€(wěn)定料中碎石的含量越大,顆粒間咬合作用越好，粗顆粒之間相互嵌擠作用越大,抗壓強(qiáng)度越大。級(jí)配越靠近中值級(jí)配，穩(wěn)定材料的強(qiáng)度越大。

2.3 級(jí)配類型影響

在水泥劑量一定的條件下,各齡期級(jí)配3的劈裂強(qiáng)度都明顯高于級(jí)配1和2。這就證實(shí)了不同級(jí)配所形成的不同結(jié)構(gòu)類型對(duì)于混合料的強(qiáng)度確實(shí)有很大影響。級(jí)配3表現(xiàn)出較高劈裂強(qiáng)度的原因是其既有相當(dāng)數(shù)量的粗骨料相互嵌擠形成骨架，又有大量細(xì)料來填充骨架間的空隙，使混合料形成所謂的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。既充分發(fā)揮了骨料間的相互嵌擠作用，又發(fā)揮了細(xì)料和反應(yīng)生成物的填隙密實(shí)作用，從而使這種級(jí)配類型的水泥穩(wěn)定粒料表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度特性。級(jí)配 2雖然有較多祖骨料相互嵌擠形成空間骨架,但由于細(xì)料太少,不能填充密實(shí)骨架間的空隙，使混合料形成骨架空隙結(jié)構(gòu),在較低的應(yīng)力水平作用下就發(fā)生了破壞。級(jí)配I使混合料形成懸浮結(jié)構(gòu)，由于沒有粗骨料的嵌擠作用來分擔(dān),因而強(qiáng)度要低于級(jí)配3。

3 結(jié)語

本文根據(jù)水泥穩(wěn)定碎石混合料的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及其在路面結(jié)構(gòu)和施工階段的受力狀況分析，提出了水泥穩(wěn)定碎石基層最低劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度建議標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)所確定的水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配組成、強(qiáng)度均符合要求，且收縮量小,致使其收縮裂縫減少,瀝青面層的反射裂縫也相應(yīng)減少。在實(shí)際生產(chǎn)中，要結(jié)合實(shí)際情況，施工現(xiàn)場(chǎng)提供的碎石和黃砂經(jīng)過合成級(jí)配之后,摻人 4%.6%和 8%的水泥穩(wěn)定強(qiáng)度能夠達(dá)到路用要求。同一級(jí)配下,摻入水泥的量越多,混合料的最佳含水率、最大千密度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)均越大。同一水泥摻量下,混合料中碎石的含量越大,最佳含水率越小，最大干密度越大,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。爭(zhēng)取用最優(yōu)的方案解決關(guān)于水泥抗壓強(qiáng)度和最低劈裂強(qiáng)度問題。

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