水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料路用性能研究

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）19-0060-04

Abstract：Cement-stabilizedmacadamwithlarge-particlesizecanefectivelyreduce temperatureshrinkageanddryshrinkage effcts and improve road service life. In this study，a 37.5mm single-particle coarse aggregate was selected for testing， and its compressivestrength，compresiveresiliencemodulus，flexuraltensilestrengthdryshrinkageandtemperatureshinkageproperties werecomparedwithconventionalwater-stablematerialspecimens，andthecrackingresistanceandmechanicalpropertiesof water-stable filled large-particle gravel were analyzed at different ages.

Keywords：cement-stabilizedmacadam withlarge-particlesize;reflectivecrack;rigidity;temperatureshrinkage;dryshrinkage

目前，我國(guó)高等級(jí)公路基層施工主要為水穩(wěn)半剛性基層和瀝青柔性基層。瀝青穩(wěn)定碎石等柔性基層材料由于其剛度相對(duì)較半剛性材料小，在應(yīng)用于路面基層時(shí)，早期不容易產(chǎn)生收縮，不會(huì)因此形成反射裂縫。但其劣勢(shì)在于材料本身較軟剛性不足，路面易出現(xiàn)下沉、網(wǎng)裂現(xiàn)象，從而大大縮短了路面的使用壽命。同時(shí)柔性材料本身價(jià)格也比較高，在材料的經(jīng)濟(jì)性上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。半剛性基層材料由于剛度較大，并且造價(jià)較為低廉，目前在我國(guó)高等級(jí)公路施工中使用占比超80% ，但半剛性材料的主要問(wèn)題在于在道路成型初期養(yǎng)護(hù)期受溫度和含水率影響大，易發(fā)生干縮、溫縮從而形成裂縫1，加之受到路面車輛荷載和氣溫的反作用，裂縫會(huì)向上擴(kuò)散形成反射裂縫。

綜上所述，雖然半剛性基層材料有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)公路建設(shè)中的使用比例較高，但是也存在諸多不足，如何提升基層材料的使用性能，同時(shí)兼顧材料經(jīng)濟(jì)性是道路施工建設(shè)急需研究的課題。目前諸多學(xué)者對(duì)水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的研究已經(jīng)表明，大粒徑碎石材料應(yīng)用于水穩(wěn)基層中能有效兼顧半剛性材料的剛度優(yōu)勢(shì)和柔性材料的柔軟優(yōu)勢(shì)，減少路面裂縫的發(fā)生。陸長(zhǎng)兵對(duì)比柔性材料和大粒徑碎石材料應(yīng)用于水穩(wěn)基層時(shí)的性能差異，分析大粒徑碎石材料應(yīng)用在水穩(wěn)基層中的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。在歐美國(guó)家中，如德國(guó)等地在道路基層鋪筑中使用天然的 75mm 大顆粒碎石，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的道路交付使用情況已經(jīng)證明此種方式可以減少路面裂縫的產(chǎn)生，提高道路的使用壽命。李頔分析水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的抗開(kāi)裂機(jī)理，分析了路面開(kāi)裂出現(xiàn)的影響因素，提出了水穩(wěn)填充大粒徑材料在抗開(kāi)裂上的優(yōu)勢(shì)。

本研究選取 37.5mm 單一大粒徑碎石粗集料制備試件進(jìn)行試驗(yàn)，并與常規(guī)水穩(wěn)材料對(duì)比，測(cè)試2種材料的抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、彎拉強(qiáng)度以及干縮和溫縮性能，分析不同齡期下的水穩(wěn)填充大粒徑碎石的抵抗開(kāi)裂效果和力學(xué)性能，為施工中水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的應(yīng)用提供參考。

原材料及混合料

水穩(wěn)填充大粒徑碎石的材料主要有：水泥、粗集料、細(xì)集料、混合料和水等。

1.1 水泥性質(zhì)

本次試驗(yàn)選擇使用標(biāo)號(hào)P.042.5的普通硅酸鹽水

泥，主要技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，該水泥的相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范的要求。

1.2粗、細(xì)集料的基本性能

根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)大粒徑碎石材料進(jìn)行檢測(cè)和篩分試驗(yàn)。篩分的結(jié)果和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表2、表3。根據(jù)表內(nèi)數(shù)據(jù)可以得知大粒徑碎石的公稱最大粒徑為 53mm 。粒徑范圍主要集中在 30～50mm 。根據(jù)現(xiàn)有的研究表明，單一粒徑碎石所形成的骨架擠嵌緊密，并且骨架形態(tài)更加均勻5，因此，選擇 37.5mm 單一粒徑碎石粗集料進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)選擇粒徑范圍為 0～4.75mm 和 4.75～9.5m 的細(xì)集料。細(xì)集料篩分結(jié)果見(jiàn)表4，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)見(jiàn)表5。

表6水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料級(jí)配比例

1.3 混合料

運(yùn)用貝雷法理論進(jìn)行配合比試驗(yàn)得出理論配合比，然后通過(guò)振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行配合比調(diào)整，得出試驗(yàn)配合比。經(jīng)驗(yàn)證水泥最佳劑量為 5% ，各種規(guī)格集料級(jí)配比例見(jiàn)表6，用來(lái)作對(duì)比的常規(guī)水穩(wěn)材料級(jí)配比例見(jiàn)表7。

2 試驗(yàn)方法

依照前述確定的配合比數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比常規(guī)水穩(wěn)試件和水穩(wěn)填充大粒徑碎石試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析兩者的力學(xué)性能和收縮性能，得出水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料路用性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

分別制作成型 Φ150mm×150mm 的圓柱形試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以 1mm/min 的升降速率加壓。所得出的2種材料在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出，2種材料強(qiáng)度均隨著齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng)。具體來(lái)看，在齡期7＼～14d，2種材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)快速，隨后強(qiáng)度增速逐漸放緩。當(dāng)齡期達(dá)到90d后，2種材料的強(qiáng)度達(dá)到最大值，維持在 8MPa 左右，并且趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖1可以看出，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料強(qiáng)度始終小于常規(guī)水穩(wěn)材料，但兩者強(qiáng)度差異并不大。根據(jù)有關(guān)規(guī)定對(duì)路面基層強(qiáng)度的指標(biāo)要求，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料可以達(dá)到重交通荷載要求的強(qiáng)度，可以用于高等級(jí)公路和一級(jí)公路基層施工。

3.2抗壓回彈模量分析

根據(jù)頂面法進(jìn)行試驗(yàn)，得出2種材料在不同齡期下的抗壓回彈模量數(shù)據(jù)，見(jiàn)表8。

根據(jù)表8可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，2種材料的抗壓回彈模量均呈上升趨勢(shì)。具體來(lái)看，常規(guī)水穩(wěn)材料在7＼～28d天期間的抗壓回彈模量增長(zhǎng)的幅度要大于其 28～90d 期間的增長(zhǎng)幅度。水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料在7＼～28d期間的抗壓回彈模量增長(zhǎng)幅度則相對(duì)高于其 28～90d 期間抗壓回彈模量的增長(zhǎng)幅度。對(duì)比2種材料在相同齡期下的抗壓回彈模量可以看出，常規(guī)水穩(wěn)材料的抗壓回彈模量始終高于水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料，其7、28、90d的抗壓回彈模量分別約為水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的 2.5，2.6.2 倍。究其原因，主要是因?yàn)樗€(wěn)填充大粒徑碎石材料中大粒徑碎石占比相對(duì)高，細(xì)集料相對(duì)較少的緣故造成抗壓回彈模量差異。但至90d齡期時(shí)，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的抗壓回彈模量基本可以達(dá)到常規(guī)水穩(wěn)材料的 50% 左右，是具備較強(qiáng)剛性的，并且與常規(guī)水穩(wěn)材料相比更有減輕應(yīng)力變形阻止裂縫擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)

3.3 彎拉強(qiáng)度分析

彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)采取三分點(diǎn)加壓法進(jìn)行，得出2種材料的彎拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

根據(jù)表9可以看出，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料和常規(guī)水穩(wěn)材料的彎拉強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)均呈上升趨勢(shì)。具體來(lái)看，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料和常規(guī)水穩(wěn)材料在 7～28d 期間的抗壓回彈模量增長(zhǎng)的幅度均要大于28～90d 期間的增長(zhǎng)幅度。2種材料在 7～28d 期間的彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度達(dá)到 70% 以上， 28～90d 期間的彎拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度則放緩為 20% 以下。究其原因主要在于養(yǎng)生前期材料水化反應(yīng)劇烈，快速凝結(jié)形成強(qiáng)度。后期隨時(shí)間推移，水化反應(yīng)放緩，其強(qiáng)度形成則放緩。但是隨著材料水化反應(yīng)結(jié)束，其強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，也

達(dá)到最大強(qiáng)度值。

對(duì)比2種材料在相同齡期下的彎拉可以看出，常規(guī)水穩(wěn)材料的彎拉強(qiáng)度始終高于水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料。水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料在 7、28、90d 的彎拉強(qiáng)度分別約為常規(guī)水穩(wěn)材料的 71%67%.72% 。主要是因?yàn)樵趽魧?shí)過(guò)程中形成了骨架結(jié)構(gòu)，粗、細(xì)集料之間存在界面過(guò)渡區(qū)，該區(qū)域強(qiáng)度相對(duì)較低且黏結(jié)性差。當(dāng)集料粒徑越大時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)渡區(qū)面積也越大，造成過(guò)渡區(qū)承受荷載能力降低，從而造成彎拉強(qiáng)度的降低。

3.4 干縮分析

2種材料在不同齡期下的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)的變化如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出，在失水率上，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料始終低于常規(guī)水穩(wěn)材料，主要由于水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料中細(xì)集料相對(duì)較少，大部分為大粒徑碎石材料，因此在強(qiáng)度形成過(guò)程中相比較于常規(guī)水穩(wěn)材料對(duì)水分的需求量較少，并且材料本身含水量較低，故在同等條件水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的水分流失較少。

由圖3可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，整體來(lái)看2種材料干縮應(yīng)變的變化速率均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且前期增長(zhǎng)較為迅速，到后期則增速逐漸放緩，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比相同齡期下2種材料的干縮應(yīng)變值可以得知，常規(guī)水穩(wěn)材料始終高于水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，2種材料的干縮應(yīng)變值差距也逐漸擴(kuò)大。這充分說(shuō)明水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料較常規(guī)水穩(wěn)材料有著更好的抵抗干縮的效果。將水穩(wěn)填充大粒徑材料應(yīng)用于基層可以有效減少基層內(nèi)部的收縮應(yīng)力，能有效防止干縮裂縫的形成和發(fā)展

為進(jìn)一步分析2種材料的干縮狀態(tài)，整理繪制干縮系數(shù)變化折線圖如圖4所示。根據(jù)圖4的2條折線的趨勢(shì)可以看出，隨著養(yǎng)生時(shí)間的推移，2種材料的干縮系數(shù)變化幅度逐漸變緩，到 90d 養(yǎng)生結(jié)束時(shí)，2條干縮系數(shù)曲線趨近于平行，干縮系數(shù)達(dá)到恒定值。對(duì)比2種材料干縮系數(shù)變化的規(guī)律可以得出，常規(guī)水穩(wěn)材料的干縮系數(shù)始終高于水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料，并且隨著時(shí)間的推移，這種差距越來(lái)越大。這充分說(shuō)明在同等條件下，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料比常規(guī)水穩(wěn)材料可以更好地減少干縮變形的發(fā)生。因此水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料擁有更強(qiáng)抗十縮的性能，其用于基層施工時(shí)可以有效減少反射裂縫的形成

3.5 溫縮分析

采用儀表法進(jìn)行溫縮試驗(yàn)。2種材料的不同的養(yǎng)護(hù)齡期下的溫宿性能數(shù)據(jù)如圖5所示。

根據(jù)圖5的柱狀圖可以看出，以 0% 為界限，2種材料在高溫區(qū)和低溫區(qū)內(nèi)的溫縮系數(shù)均隨著溫度降低而降低。當(dāng)跨越 0% 界限時(shí)，2種材料的溫縮系數(shù)出現(xiàn)了明顯的增高，并且在 -10～0°C 的溫度區(qū)間，2種材料的溫縮系數(shù)均達(dá)到最高值。這說(shuō)明該區(qū)間內(nèi)2種材料均發(fā)生了較大的溫縮變化，這個(gè)區(qū)間里2種材料都容易發(fā)生溫縮開(kāi)裂現(xiàn)象。但從整體來(lái)看，在同一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，常規(guī)水穩(wěn)材料的溫縮系數(shù)均始終高于水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料，并且常規(guī)水穩(wěn)材料在5個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮系數(shù)最大值和最小值之間的差距比水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料溫縮系數(shù)最大值和最小值之差更大。這說(shuō)明水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料相較于常規(guī)水穩(wěn)材料擁有更好的抵抗因溫度變化而發(fā)生收縮變形的能力，能有效降低因溫縮導(dǎo)致的路面開(kāi)裂病害出現(xiàn)的概率。

4結(jié)論

1）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料試件的強(qiáng)度雖然小于常規(guī)水穩(wěn)材料，但仍然可以滿足有關(guān)規(guī)范對(duì)特定路面基層強(qiáng)度的要求，并可以滿足重交通荷載的強(qiáng)度要求，可以用于高等級(jí)公路和一級(jí)公路基層施工。

2）雖然水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的抗壓回彈模量始終低于常規(guī)水穩(wěn)材料，但至 90d 齡期時(shí)，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料的抗壓回彈模量也基本可以達(dá)到常規(guī)水穩(wěn)材料的 50% 左右，同樣具備較強(qiáng)剛性，并且與常規(guī)水穩(wěn)材料相比更具備減輕應(yīng)力變形阻正裂縫擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)。

3）同一齡期下，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均小于常規(guī)水穩(wěn)材料，這表明水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料比常規(guī)水穩(wěn)材料更具備抵抗干縮變形和溫縮變形的能力，可以有效地減少因溫縮和干縮導(dǎo)致的道路變形和開(kāi)裂。

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