水泥穩(wěn)定碎石底基層配合比設(shè)計(jì)及性能研究

（甘肅省公航旅建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 序言

水泥穩(wěn)定碎石混合料作為瀝青路面基層和底基層，具有較高的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性和整體性，被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目[1]。水泥穩(wěn)定碎石混合料以一定級(jí)配范圍的碎石為骨料，合理比例的水泥及漿體進(jìn)行填充，經(jīng)過攤鋪碾壓形成整體。水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度主要來自骨料之間的嵌擠和水泥漿體的膠凝作用，因此組成原材料（主要是水泥、集料）和配合比對(duì)混合料性能有很大影響，也必然影響施工質(zhì)量和道路品質(zhì)[2]。國內(nèi)外關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石混合料開展了廣泛的試驗(yàn)研究，JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》調(diào)整了水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，增加了高速公路和一級(jí)公路集料的分檔要求，改進(jìn)了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定級(jí)配碎石的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步規(guī)范了水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)過程及性能測(cè)試。因此，本文結(jié)合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的配合比設(shè)計(jì)及路用性能開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

水泥是水泥穩(wěn)定碎石混合料的關(guān)鍵組成材料，其物理和化學(xué)特性對(duì)混合料性能有重要影響。水泥細(xì)度、顆粒級(jí)配形狀與水泥活性的發(fā)揮和混合料的性能有密切聯(lián)系。水泥越細(xì)，水泥水化反應(yīng)越快，凝結(jié)時(shí)間越短，混合料強(qiáng)度增長越快，但是半剛性底基層將會(huì)產(chǎn)生大量的收縮裂縫和應(yīng)力裂縫，不利于整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，混合料強(qiáng)度隨之增大，但是相應(yīng)工程成本也增加，同時(shí)出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險(xiǎn)也越大。規(guī)范要求采用強(qiáng)度等級(jí)為32.5或42.5的普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間應(yīng)大于3h，終凝時(shí)間應(yīng)大于6h且小于10h。試驗(yàn)用水泥為32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示，均滿足規(guī)范要求。

表1 水泥指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2 集料

水泥穩(wěn)定碎石混合料中包括不同粒徑的粗集料和細(xì)集料，不同粒徑的粗集料按一定比例形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，細(xì)集料填充于粗集料空隙中，形成一種相對(duì)密實(shí)的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)用粗集料和細(xì)集料均為石灰?guī)r，按照粒徑大小分為0-5、5-10、10-15、15-20、20-30五檔，最大粒徑不超過37.5mm，公稱最大粒徑31.5mm，滿足規(guī)范關(guān)于不少于四檔分檔要求和最大粒徑要求。集料工程特性滿足規(guī)范要求，檢測(cè)結(jié)果如表2所示[2]。

表2 集料工程特性檢測(cè)結(jié)果

1.3 水

試驗(yàn)拌合用水和養(yǎng)生用水均為自來水。

2 水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料級(jí)配

《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對(duì)于高速公路和一級(jí)公路水泥穩(wěn)定底基層給出了C-A-1和C-A-2兩種推薦級(jí)配范圍，其中C-A-2級(jí)配整體偏細(xì)，且只給出了0.075mm、0.6mm、4.75mm、37.5mm等篩孔的粒徑范圍，其他篩孔未做具體要求，級(jí)配過于寬泛，不利于室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。而C-A-1控制篩孔較多，粗細(xì)適中，混合料整體強(qiáng)度和抗裂性能均有兼顧，因此配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用規(guī)范推薦級(jí)配C-A-1中值。對(duì)0-5、5-10、10-15、15-20、20-30各檔集料采用水洗法進(jìn)行篩分，各篩孔通過率、各檔集料配比以及混合料礦料級(jí)配如表3所示。

表3 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

2.2 最佳含水率和最大干密度

最佳含水率和最大干密度是水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。最佳含水率不僅影響水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度，而且影響混合料的強(qiáng)度、耐久性及施工性能。試驗(yàn)采用重型擊實(shí)方法，測(cè)試不同水泥劑量時(shí)混合料的最佳含水率和最大干密度。水泥用量分別采用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，各水泥劑量時(shí)礦料質(zhì)量為7000g，含水率按照2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、6.5%配制。試驗(yàn)中，首先按照一定質(zhì)量稱取各檔礦料且混合均勻，加入預(yù)定質(zhì)量的拌合水拌合均勻，燜料4h以上，在擊實(shí)前1h加入預(yù)定質(zhì)量的水泥，拌合均勻后擊實(shí)三遍，每遍擊實(shí)98次[3]。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3 強(qiáng)度測(cè)試

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度的主要指標(biāo)。規(guī)范要求，高速公路、一級(jí)公路在極重、特重荷載等級(jí)條件下，底基層水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.0-5.0MPa。試驗(yàn)按照3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%水泥用量，在各自最佳含水率條件下，采用靜壓方式成型無側(cè)限抗壓試件，每組試件分別成型13個(gè)試件。試件脫模稱重之后，立即放到養(yǎng)生室內(nèi)保濕保溫養(yǎng)生6d，然后浸泡于水中1d，水面應(yīng)高出試件頂面25cm。各水泥用量試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表5所示。由表中可以看出，水泥用量4.0%即可滿足規(guī)范要求。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

4 允許延遲時(shí)間測(cè)試

施工過程中，由于運(yùn)輸不暢或不能及時(shí)攤鋪，水泥穩(wěn)定碎石混合料的施工性能和路用性能會(huì)發(fā)生很大變化，甚至造成無法使用。水泥穩(wěn)定碎石混合料的允許延遲時(shí)間與水泥凝結(jié)時(shí)間、水泥劑量、配合比、氣候因素等有關(guān)[4]。按照設(shè)計(jì)級(jí)配稱取礦料，最佳含水率4.5%，水泥用量4.0%，拌和混合料，分別立刻壓實(shí)、悶料1h壓實(shí)、悶料2h壓實(shí)、悶料3h壓實(shí)、悶料4h壓實(shí)、悶料5h壓實(shí)，測(cè)得混合料的壓實(shí)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表6所示。

表6 允許延遲時(shí)間試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過壓實(shí)度與延遲時(shí)間關(guān)系可以得出，延遲時(shí)間在4.0h以內(nèi)；通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與延遲時(shí)間的關(guān)系可以得出，延遲時(shí)間在3.5h以內(nèi)。因此，混合料允許延遲時(shí)間3.5h，大于3.0h，滿足拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等施工要求。水泥穩(wěn)定碎石混合料從加水拌合到攤鋪碾壓完成不能超過3.5h，施工過程中需保持拌合工作的節(jié)奏、運(yùn)輸?shù)缆返臅惩艾F(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓的效率。

5 水泥劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線

水泥穩(wěn)定碎石作為底基層具有較多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是在施工過程必須加強(qiáng)混合料中水泥用量的控制。水泥用量過小，導(dǎo)致混合料強(qiáng)度不足；水泥用量過大，不僅增加施工費(fèi)用，且會(huì)出現(xiàn)較多裂縫，基層或底基層裂縫處因引力集中會(huì)導(dǎo)致面層出現(xiàn)反射裂縫，雨水下滲又會(huì)造成路基含水率過高，承載能力降低，在冬春季節(jié)出現(xiàn)凍融破壞[5-6]。因此，針對(duì)水穩(wěn)碎石混合料中水泥用量的準(zhǔn)確檢測(cè)和動(dòng)態(tài)控制是保證工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)施工之前，應(yīng)在試驗(yàn)室按照不同的水泥用量制備混合料，然后測(cè)試不同水泥用量混合料需要的EDTA數(shù)量，最后建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，作為水泥穩(wěn)定碎石混合料現(xiàn)場(chǎng)施工過程中水泥用量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 EDTA滴定標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

6 結(jié)語

按照新頒發(fā)的《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》，控制水泥穩(wěn)定碎石各項(xiàng)材料的性能，合理進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)，當(dāng)水泥用量達(dá)到4.0%時(shí)，混合料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到規(guī)范要求的3.0-5.0MPa。允許延遲時(shí)間3.5h，完全滿足施工要求。同時(shí)繪制了水泥用量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，在施工過程進(jìn)行水泥用量的檢測(cè)與控制。