骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能分析

李 浩

(廣西長(zhǎng)長(zhǎng)路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

我國(guó)高速公路應(yīng)用最廣泛的基層形式為半剛性基層，而水泥穩(wěn)定碎石是半剛性基層的主要材料形式，因此，水泥穩(wěn)定碎石基層在我國(guó)高速公路應(yīng)用極為普遍。水泥穩(wěn)定碎石基層的優(yōu)點(diǎn)為強(qiáng)度高、荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)主要是易引起瀝青路面反射裂縫[1]。水泥穩(wěn)定碎石基層所用的水泥為水硬性材料，伴隨著水化反應(yīng)必然出現(xiàn)溫縮、干縮現(xiàn)象，而收縮是產(chǎn)生水泥穩(wěn)定碎石裂縫的一個(gè)主要原因[2-3]。很多國(guó)家在應(yīng)用水泥穩(wěn)定碎石基層時(shí)通過(guò)降低水泥摻量來(lái)減少裂縫，澳大利亞將水泥摻量控制在3%以內(nèi)，日本僅為2%左右[4]。我國(guó)瀝青路面的設(shè)計(jì)思想是“強(qiáng)基薄面”，水泥摻量的降低固然可以減少裂縫的發(fā)生，但也會(huì)降低強(qiáng)度，不利于路面長(zhǎng)期服役性能。通過(guò)優(yōu)化水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配，使之達(dá)到骨架密實(shí)狀態(tài)，既可以降低水泥摻量，又能保障混合料的強(qiáng)度，還能減少水泥穩(wěn)定碎石基層的開(kāi)裂[5-6]。因此，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料成為公路工程優(yōu)先選擇的類型，對(duì)其級(jí)配設(shè)計(jì)與路用性能、收縮特性的研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法開(kāi)展大量研究工作，取得了很多有參考意義和應(yīng)用價(jià)值的成果[7-10]。這些研究成果中，逐級(jí)填充法、試驗(yàn)法和體積法應(yīng)用較多。其中，逐級(jí)填充法物理意義明確，易于理解和應(yīng)用，但過(guò)于追求混合料的密實(shí)性，結(jié)果離散性較大；試驗(yàn)法簡(jiǎn)單明確，但難以確定混合料是否達(dá)到骨架密實(shí)狀態(tài)，缺乏相應(yīng)的評(píng)判理論和方法；體積法以貝雷法和Superpave設(shè)計(jì)法最為著名，其明確了粗細(xì)集料的體積關(guān)系，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)最佳預(yù)留空隙率以及水分體積進(jìn)行考慮[11]。因此，本文通過(guò)綜合體積法中的填充干涉理論和我國(guó)學(xué)者林秀賢提出的i值法設(shè)計(jì)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料：采用貝雷法確定粗細(xì)集料的分界，采用填充干涉原則設(shè)計(jì)粗集料的材料組成，采用i值法設(shè)計(jì)細(xì)集料組成。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析所設(shè)計(jì)的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的路用性能，并應(yīng)用于都巴高速公路路面B分部，基于實(shí)體工程驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能。本文研究成果對(duì)工程實(shí)踐設(shè)計(jì)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料有一定的參考意義。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用華潤(rùn)水泥(田陽(yáng))有限公司生產(chǎn)的P·C42.5水泥，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)如表1所示。

集料均為石灰?guī)r，產(chǎn)自都巴高速公路設(shè)吉石場(chǎng)，按照粒徑范圍分為5檔：19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm。各檔集料基本性質(zhì)及篩分結(jié)果如表2～4所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)表

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)表

表3 細(xì)集料(0～2.36 mm)技術(shù)指標(biāo)表

表4 各檔集料篩分結(jié)果表

1.2 粗、細(xì)集料配合比

根據(jù)貝雷法確定粗細(xì)集料的分界點(diǎn)。本文公稱最大粒徑為19 mm，最終確定粗細(xì)集料的分界點(diǎn)為4.18 mm。結(jié)合規(guī)范以及相似性最接近粒級(jí)的原則，調(diào)整后的粗細(xì)集料分界點(diǎn)為4.75 mm。

采用干搗試驗(yàn)的方法用于設(shè)計(jì)粗集料的級(jí)配。根據(jù)體積法中的填充干涉理論原則對(duì)粗集料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～26.5 mm的質(zhì)量比為28∶44∶28時(shí)，組成的混合料骨架間隙率最小。采用i值法設(shè)計(jì)細(xì)集料級(jí)配，以0.03為間隔，設(shè)計(jì)不同i值下的細(xì)集料級(jí)配；對(duì)其進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同i值下級(jí)配的最大干密度以及最佳含水量，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。將不同i值對(duì)應(yīng)級(jí)配在最佳含水量的條件下制成試件后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6可知，當(dāng)i取值0.63時(shí)，CBR值最高，表明其密實(shí)度最佳。當(dāng)i取值0.63時(shí)，確定細(xì)集料配合比為2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm=1∶2.5。

表5 不同i值對(duì)應(yīng)級(jí)配的最大干密度和最佳含水量數(shù)值表

表6 不同i值對(duì)應(yīng)級(jí)配的CBR值表

設(shè)計(jì)不同比例的粗細(xì)集料，控制級(jí)配在相關(guān)規(guī)范C-B-1范圍內(nèi)，并采用5.0%的水泥摻量制作水泥穩(wěn)定碎石混合料，以7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為驗(yàn)證指標(biāo)，優(yōu)選粗細(xì)集料配合比，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可知，當(dāng)粗細(xì)集料比例在65∶35時(shí)，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。

表7 不同質(zhì)量比例粗細(xì)集料水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無(wú)側(cè)限

綜上所述，最終確定配合比為0～2.36 mm∶2.36～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～26.5 mm=25∶10∶18∶29∶18。合成級(jí)配如表8所示。

表8 合成級(jí)配表

2 路用性能研究

2.1 強(qiáng)度及模量增長(zhǎng)規(guī)律

水泥穩(wěn)定碎石基層的各種強(qiáng)度和模量是評(píng)價(jià)其路用性能的重要指標(biāo)，是道路結(jié)構(gòu)分析中的重要參數(shù)。本文對(duì)4.5%和5.0%水泥摻量下不同齡期骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量開(kāi)展研究，試驗(yàn)過(guò)程及養(yǎng)生方法參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)(以下簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)規(guī)程》)。試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖1～3所示。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線圖

圖2 劈裂強(qiáng)度隨齡期變化曲線圖

圖3 抗壓回彈模量隨齡期變化曲線圖

由圖1～3可知，隨著齡期增長(zhǎng)，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量均有所增長(zhǎng)。28 d齡期的各項(xiàng)指標(biāo)均為7 d齡期的兩倍左右，表明水泥穩(wěn)定碎石混合料在7 d時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到了50%，具備一定的通車能力。5.0%水泥摻量的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均優(yōu)于4.5%水泥摻量，說(shuō)明水泥摻量是保障水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度的重要因素之一。但4.5%水泥摻量下的水泥穩(wěn)定碎石混合料各項(xiàng)性能均達(dá)到規(guī)范要求，這表明骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料在降低水泥摻量的前提下仍然具有較高的強(qiáng)度。

2.2 溫度收縮試驗(yàn)

對(duì)7 d齡期的4.5%水泥摻量骨架密實(shí)型和中值級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石混合料開(kāi)展溫度收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程參考《試驗(yàn)規(guī)程》T0855-2009，試驗(yàn)溫度變化范圍為-30 ℃～30 ℃，自30 ℃起以0.5 ℃/min速率降溫，每5 min采集一次數(shù)據(jù)，每10 ℃算一個(gè)溫度級(jí)別，當(dāng)溫度降到規(guī)定的級(jí)位時(shí)保溫3 h，記錄保溫結(jié)束前5 min內(nèi)數(shù)據(jù)作為試件的溫縮變形，根據(jù)溫縮變形計(jì)算其溫縮系數(shù)。溫縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 溫縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果表(με/℃)

由表9可知，不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)在試驗(yàn)溫度區(qū)間先減小后增大，在0 ℃附近達(dá)到最小值，之后慢慢變緩，到-20 ℃左右時(shí)基本不再增大。從數(shù)據(jù)上看，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料抗溫縮能力較中值級(jí)配更優(yōu)。

2.3 干燥收縮試驗(yàn)

對(duì)4.5%水泥摻量骨架密實(shí)型和中值級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料開(kāi)展干燥收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程參考《試驗(yàn)規(guī)程》T0854-2009，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，兩種級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料平均干縮系數(shù)隨齡期增加而逐漸增加，在7 d齡期左右均達(dá)到穩(wěn)定，表明干縮主要發(fā)生在7 d齡期以前。骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料與中值級(jí)配相比，平均干縮系數(shù)較小，且進(jìn)入干縮穩(wěn)定期的時(shí)間有所提前。

圖4 平均干縮系數(shù)隨齡期變化曲線圖

3 工程應(yīng)用及裂縫統(tǒng)計(jì)

將4.5%水泥摻量骨架密實(shí)型和中值級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料應(yīng)用于都巴高速公路路面B分部項(xiàng)目，施工3個(gè)月后統(tǒng)計(jì)這兩種級(jí)配的裂縫情況，結(jié)果如表10所示。由表10可知，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料路面的裂縫數(shù)量遠(yuǎn)低于中值級(jí)配，且裂縫主要由非通縫構(gòu)成，而中值級(jí)配基本為通縫，這說(shuō)明骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料在抗裂方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表10 裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)體積法中的填充干涉理論原則及i值法，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并優(yōu)選骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料，對(duì)兩種類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的路用性能及工程應(yīng)用抗裂性能進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

(1)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料在水泥摻量為4.5%的前提下依然具有較好的強(qiáng)度，且強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律與5.0%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料一致，因此骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料可適當(dāng)降低水泥摻量。

(2)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料室內(nèi)溫度收縮和干燥收縮性能優(yōu)于中值級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料。

(3)都巴高速公路路面B分部項(xiàng)目實(shí)體工程應(yīng)用表明，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂縫能力優(yōu)于中值級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料。