級配對水泥穩定碎石路用性能影響研究

摘 要:水泥穩定碎石基層瀝青路面容易產生裂縫，特別在重載交通條件下，路面結構更容易過早破壞#65377;提出通過調整級配來改善水泥穩定碎石基層的路用性能的思路#65377;對摻粉煤灰水泥穩定碎石進行配合比設計;通過級配對水泥穩定碎石路用性能影響研究，得出最佳級配類型#65377;

關鍵詞:水泥穩定碎石;級配;路用性能

1 混合料組成及配合比設計

1.1 混合料組成

在研究摻粉煤灰水泥穩定碎石時，應根據《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)中水泥穩定碎石的級配范圍，考慮了規范范圍內典型的五種級配，即級配范圍的上限#65380;中限#65380;下限和上頂下底及下頂上底，見表1#65377;本文只采用中限和上頂下底及下頂上底三種級配，中限級配采用根據現場材料情況調整趨向規范中值級配(GD)#65377;混合料配合比中，水泥劑量定為5%，粉煤灰劑量定為10%，即配合比是水泥:粉煤灰:碎石為5:10:85#65377;

采用重型擊實試驗方法確定水泥穩定碎石混合料最佳含水量和最大干密度#65377;具體試驗方法參照《公路工程無機結合料穩定材料實驗規程》(JTJ057-94)，養生溫度20±2℃，養生濕度90%，養生期的最后一天浸水24小時#65377;最佳含水量和最大干密度試驗結果如表2所示:

1.2 設計思想

選擇良好的集料級配，適當的水泥粉煤灰比例，確定混合料合理的集料#65380;結合料含量，從而設計出具有良好路用性能的混合料#65377;以最大干密度的結合料來填充集料間的空隙，提高了混合料的最大干密度，從而改善混合料的力學性質，提高了摻粉煤灰水泥穩定碎石基層各方面的路用性能指標#65377;

1.3 設計方法步驟

(1)級配選擇#65377;各種不同粒徑的集料，按照一定比例搭配起來，才能達到較高的密實度和較大的摩擦力#65377;因此，要求碎石集料有一定的級配#65377;但施工時所用碎石集料顆粒不均勻，原材料級配基本不符合工程使用要求#65377;所以，原材料選定后，要對集料進行級配設計和級配調整，使其合成級配盡量滿足設計級配的要求#65377;

(2)水泥粉煤灰結合料比例的確定#65377;結合料的具體比例，由結合料的強度試驗確定#65377;

(3)其他路用性能檢驗#65377;初步擬定配合比后，綜合考慮混合料的抗拉性#65380;剛度#65380;耐久性#65380;抗疲勞性#65380;抗裂性等路用性能，得出最佳粉煤灰含量，從而確定最佳配合比#65377;

(4)最佳級配確定#65377;在確定最佳粉煤灰劑量后，變化集料級配，通過混合料路用性能驗證，分析規范中三種典型級配對混合料路用性能的影響，得出最佳級配#65377;

2 貝雷法在水泥穩定碎石級配設計中的應用

根據貝雷法對混合料嵌擠狀況的評價方法，對以上所選的5種不同級配對應的CA值#65380;FAc值和FA f值進行計算，計算結果見表3:

由表3可以看出，級配XS和下限的CA值均在0.4～0.8之間，集料級配所形成的骨架結構較好，混合料比較容易壓實#65377;

級配GD#65380;上限和SX級配的CA值分別為1.14#65380;1.12和0.98，大于或接近1.0，表明細集料較多，粗顆粒較少，互相之間不能完全嵌擠，處于一種懸浮狀態#65377;但同時，FAc和FAf都在建議范圍之內，說明其細集料均符合嵌擠結構#65377;

3 性能研究

3.1 強度特性研究

水泥穩定碎石基層的力學性能主要包括無側限抗壓強度和劈裂強度#65377;筆者通過不同齡期混合料的力學性能指標，來研究隨著級配的變化混合料的力學性能變化#65377;

(1)無側限抗壓強度#65377;

三種混合料強度隨著齡期的增長而增大，但是強度隨齡期的增長的幅度不同#65377;

混合料要形成較好的強度，既要有足夠的結合料粘結集料，又要有合理級配的集料形成堅實的骨架#65377;水泥穩定碎石7天抗壓強度順序大小依次為XS-10>GD-10>SX-10#65377;其中XS級配骨架結構較好，說明骨架結構對早期強度起主要作用#65377;180天抗壓強度由大到小依次為GD-10>SX-10>XS-10#65377;其中，級配GD和SX密實型較好#65377;由此可見，結構密實性對混合料的后期強度影響較大#65377;

骨架結構對混合料早期強度其主要原因是，在抗壓試驗中，初期的破壞主要現象是石料與石料之間的分離，破壞的原因是硬化后的水泥#65380;細集料部分強度不是很高，不能給粗集料骨架提供必要的約束#65377;初期時粗集料骨架的約束作用在逐漸增強，粗集料骨架作用得以發揮#65377;所以混合料粗集料形成良好的骨架結構，在齡期較短時混合料的抗壓強度比懸浮密實混合料的抗壓強度高一些#65377;

(2)劈裂強度#65377;

三種水泥穩定碎石混合料強度隨著齡期的增長而增大，但是強度隨齡期的增長的幅度不同#65377;不同級配的水泥穩定碎石劈裂強度的順序大小依次為GD-10>SX-10>XS-10#65377;其一般規律是級配越粗，劈裂強度就越低#65377;

產生這樣規律的原因是，與抗壓強度試驗不同，混合料中粗集料是否相互嵌擠形成骨架，以及集料之間內磨阻力對劈裂強度影響不大#65377;對無機結合料穩定粒料土劈裂強度影響更多的是混合料中的粘結力以及水泥石與集料交界面過渡區的抗拉強度#65377;

3.2 剛度特性研究

水泥穩定碎石剛度特性主要研究其抗壓回彈模量值#65377;

隨著齡期的增長，水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量總體上呈上升的趨勢#65377;齡期為90天的抗壓回彈模量其大小順序為:GD-10>XS-10>SX-10#65377;摻10%粉煤灰水泥穩定碎石的抗壓回彈模量值1500MPa附近波動，即隨著級配的變化抗壓回彈模量值變化不大#65377;

產生這樣規律的原因是，集料的彈性模量及它在整個混合料中的所占的體積，對無機結合料穩定粒料土的模量有很大的影響#65377;集料的剛度影響集料約束水泥石應變的能力，堅硬致密的集料彈性模量大，用它們配制的水泥穩定碎石模量較高，通常集料彈性模量比水泥水化后形成的水泥石彈性模量大#65377;因此，集料在混合料中所占的體積不變時，混合料的抗壓回彈模量變化不大#65377;

3.3 溫縮特性研究

(1)溫縮系數隨溫度的變化關系#65377;

試驗結果可以得出:

齡期為28天，水泥粉煤灰劑量相同條件下，根據摻粉煤灰水泥穩定碎石基層在低溫段#65380;高溫段和總體上的平均溫度收縮系數變化情況，可以得出平均溫度收縮系數大小排序為:XS-10>GD-10>SX-10#65377;

影響水泥穩定材料熱脹縮性的主要因素包括各組成礦物的含量和熱脹縮性質以及結構的強度#65377;將水泥穩定類的各組成部分的熱脹縮系數匯總如下:

各種膠結物#65380;粘土礦物及次生礦物具有較大的熱脹縮系數，而集料中的原生礦物一般有較小的熱脹縮系數#65377;

級配的0.075mm及以下填料含量的排列順序是:XS-10> GD-10>SX-10#65377;可見，溫縮系數與填料含量有非常明顯的相關性，填料含量多，則溫縮系數大;填料含量少，則溫縮系數小#65377;這其中的主要原因可能與填料中的次生礦物有關，因為次生礦物的溫縮系數較大#65377;還有，隨著填料含量的增加，集料總體比表面積增加，從而水泥穩定材料中新生膠結物質的分散度增加，導致膠結物質對溫縮性的貢獻增加，宏觀表現為溫縮系數增大#65377;

4 混合料路用性能綜合分析

我國《公路瀝青路面設計規范》(JTJ014-97)規定:以設計彎沉值為路面整體剛度的設計指標，計算路面結構層厚度#65377;對高速公路#65380;一級公路#65380;二級公路的瀝青混凝土面層和半剛性材料的基層#65380;底基層應進行層底拉應力的驗算#65377;

《公路工程基層施工技術規范》(JTJ034-2000)對于半剛性基層材料僅僅規定了7天的飽水抗壓強度這一個指標，其他指標沒有作具體的明文規定，因此有必要對各種指標進行綜合分析，以確定各種指標間的關系，使得在設計施工時，對各種指標都有所考慮#65377;另外，綜合考慮了抗壓強度#65380;劈裂強度#65380;抗壓回彈模量#65380;溫縮開裂系數#65380;干縮開裂系數#65380;抗沖刷性能等一系列的指標后，能否找到一種滿足上面各種性能的一種配合比#65377;

水泥穩定碎石各種路用性能在要求往往是互相矛盾或互相制約的，照顧了某一種性能，很可能降低另一方面的性能#65377;因此，為了使水泥穩定碎石基層在使用過程中各種性能找到一個最佳結合點，使用簡單加權的方法對多指標進行綜合分析#65377;

該種方法就是在考慮水泥穩定碎石的各種性能同等重要的前提下(權值相同)，以不同試驗方案在試驗過程中所得的各性能優劣簡單排序，然后數值相加，根據總積分值來討論不同方案的綜合使用性能，總積分值越小，則該方案的綜合路用性能越好#65377;

參考文獻

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