水泥穩(wěn)定砂巖碎石路面基層的性能研究

劉紅譽，劉偉

（1.微山縣東方建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，山東 濟寧277600；2.濟寧市公路發(fā)展中心微山公路局，山東 濟寧277600）

1 引言

經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景下，我國的公路里程不斷增加，基本建成了全面覆蓋的公路網(wǎng)絡(luò)。而在當前的技術(shù)條件下，多數(shù)公路基層采用的都是半剛性材料，如水泥穩(wěn)定碎石，本身具備較強的抗彎拉強度和穩(wěn)定性，其良好的基層性能使路面鋪筑環(huán)節(jié)產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力和彎拉應(yīng)變較小，能夠很好地承受車輛荷載的反復(fù)作用，并且使用壽命較長。

2 水泥穩(wěn)定碎石研究現(xiàn)狀

水泥穩(wěn)定碎石是一種以級配碎石為骨料，借助一定的膠凝材料和灰漿對骨料空隙進行填充壓實，使其具備一定的密實度，通過碎石間的嵌擠鎖結(jié)獲得足夠的強度。水泥穩(wěn)定碎石具備較高的初期強度，而且伴隨著齡期的增長，強度還會不斷提升，在結(jié)成相應(yīng)的板體后，還會具備很好的抗?jié)B性及抗凍性[1]。

水泥穩(wěn)定碎石基層中，水泥的劑量和力學性能會對路面的使用壽命產(chǎn)生直接影響，一些研究人員結(jié)合具體工程案例，對不同級配和不同水泥摻量的水泥穩(wěn)定碎石基層的性能進行了研究。結(jié)果顯示，在相同級配條件下，水泥在混合料中摻加的比例越高，混合料的最佳含水率和7 d無側(cè)限抗壓強度越大。而且當水泥摻加量增大時，混合料最佳含水率會在前期呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，受水化反應(yīng)的持續(xù)影響，經(jīng)過一定時間后，混合料最佳含水率的增長速度也會有所下降；如果水泥在混合料中的摻加量固定，增加粗集料的含量后，混合料的最佳含水率會有所下降，相應(yīng)的最大干密度和水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度也會減小。運用平行試驗對不同混合料配比以及不同齡期的水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度等性能進行研究，結(jié)果顯示，混合料的配比對水泥穩(wěn)定碎石的強度影響巨大，適當增加混合料中水泥材料占比，水泥穩(wěn)定碎石的力學性能會隨之提高，較快的水化反應(yīng)使水泥穩(wěn)定碎石具備很好的初期強度，而且隨著齡期的增加，水泥穩(wěn)定碎石的強度會進一步增大，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

3 水泥穩(wěn)定砂巖碎石路面基層性能研究

3.1 技術(shù)要求

水泥穩(wěn)定碎石混合料屬于無機結(jié)合穩(wěn)定材料，穩(wěn)定性強，抗凍能力優(yōu)越，但從實際應(yīng)用的角度分析，經(jīng)常會出現(xiàn)開裂問題。因此，水泥穩(wěn)定碎石混合料一般被用于路面基層或底基層的施工。路面基層主要承受來自車輛的豎向荷載，并且能夠?qū)⒙访娉惺艿膽?yīng)力轉(zhuǎn)移到基層，減小路面結(jié)構(gòu)承受的壓應(yīng)力，減緩路基不均勻沉降對面層的影響。不同面層結(jié)構(gòu)對于基層有不同的要求，結(jié)合相應(yīng)的工程實踐，水泥穩(wěn)定碎石基層有以下3個關(guān)鍵技術(shù)要求：

1）具備較高的強度和穩(wěn)定性，以避免道路在使用過程中出現(xiàn)基層嚴重變形的情況。

2）具備良好的水穩(wěn)定性和抗凍性能，并配合相應(yīng)的排水措施來保證基層施工效果，以避免水因素引發(fā)的基層濕軟問題。

3）具備較長的疲勞壽命。從力學特性的角度對半剛性材料和線彈性材料進行分析，可以發(fā)現(xiàn)二者有很大的相似性。當車輛在路面行駛時，產(chǎn)生的荷載會經(jīng)由面層傳遞到基層和底基層，產(chǎn)生累計破壞，當累計次數(shù)達到上限時，基層和底基層就會完全破壞[3]。因此，在對路面基層以及底基層材料進行選擇的過程中，應(yīng)確保其具備較長的疲勞壽命，以保證路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 集料性能試驗

為了更好地研究水泥穩(wěn)定砂巖碎石中集料的性能，對使用的砂巖和石灰?guī)r進行了相應(yīng)的性能試驗。

3.2.1 篩分

對照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的集料篩分試驗，對集料進行3檔篩分：砂巖為0～9.5 mm、2.36 ～13.2 mm、9.5 ～26mm；石灰?guī)r為0～4.75 mm、2.36 ～13.2 mm、4.75 ～19mm。經(jīng)過篩分后，可以確定砂巖和石灰?guī)r集料存在部分重疊粒徑，從集料物理性質(zhì)研究的角度，對表觀密度、吸水率以針片狀3個物理指標進行對比分析[4]。具體分析結(jié)果見表1。

表1 集料物理性質(zhì)指標

3.2.2 壓碎值

壓碎值是對集料路用性能進行評價的重要指標，選擇粒徑在9.5 ～13.2 mm的砂巖和石灰?guī)r集料，烘干后晾至室溫，稱取900 g樣本平均分為3組，使用國家標準試桶分3次填料，振搗密實，使用電液壓力試驗機進行加載，將加載速度控制在0.67 kN/s，連續(xù)加載10m in，當壓力達到400 kN后，穩(wěn)壓5 s然后卸載。對壓碎集料中粒徑不超過2.36 mm的細粒料進行稱取，集料壓碎值對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 集料壓碎值對比

3.3 混合料級配設(shè)計

級配設(shè)計在水泥穩(wěn)定碎石配比設(shè)計中非常重要，集料本身的級配會直接影響其性能參數(shù)，如孔隙率、堆積密度等。目前，混合料級配設(shè)計的常用方法有2種：數(shù)解法和圖解法。2種方法在實際應(yīng)用中都要求對級配參數(shù)以及目標級配范圍進行確定。通過砂巖和石灰?guī)r集料的級配設(shè)計，確定集料在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的比例以及各材料的最佳配比，保證水泥穩(wěn)定碎石的強度和穩(wěn)定性。

3.4 混合料擊實試驗

借助相應(yīng)的擊實試驗結(jié)果繪制混合料含水量-干密度曲線，確定砂巖和石灰?guī)r混合料的最佳含水量及最大干密度：最佳含水量分別是5.8 %和5.4 %，最大干密度分別是2.284 g/cm3和2.345 g/cm3。對照相應(yīng)的曲線可以得出，在水泥用量固定的情況下，隨著用水量的增大，干密度會先達到相應(yīng)的峰值，然后逐步下降，石灰?guī)r最佳含水量相對砂巖較小。其原因主要是砂巖吸水性更好，而石灰?guī)r的最大干密度相對砂巖較大，主要是粗骨料較多，單位體積質(zhì)量大[5]。

4 結(jié)語

在工程建設(shè)中，要提高水泥穩(wěn)定砂巖碎石的強度，可以增加水泥用量或增大擊實功，但從實際應(yīng)用的角度考慮，前者會導(dǎo)致工程成本的增加，而且容易引發(fā)路面開裂問題；后者則會導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。對此，可以利用一定比例的石灰?guī)r來替換砂巖，形成水泥穩(wěn)定碎石混合料，在充分保證水泥穩(wěn)定砂巖碎石強度和質(zhì)量的同時，實現(xiàn)對資源的充分利用，有效節(jié)約資源，降低工程造價。對于實踐環(huán)節(jié)，工程技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合具體情況，做好替換比例的計算，使替換后的水泥穩(wěn)定混合料能夠更好地適應(yīng)路面基層的施工要求。