礦質混合料配合比設計及路用性能試驗分析

◎ 深圳市鹽田港建筑工程檢測有限公司 劉永紅

1.問題的提出

在我國高等級公路的建設中，半剛性材料被用作公路路面的基層材料，并在目前的公路建設中占有越來越重要的位置。在這些材料中，特別是水泥穩定碎石基層具有較高的強度和承載能力，主要表現在具有較高的抗壓強度和剛度，一定的抗彎拉強度，并且它們都具有隨著齡期不斷增長的特性，因此水泥穩定碎石基層通常具有較小的變形和荷載擴散能力。修在這種基層材料的瀝青面層彎拉應力值相應較小，從而提高了瀝青面層抵抗車荷載疲勞破壞的能力，其次，它還具有較好的穩定性。

盡管水泥穩定碎石混合料被用作路面基層時有諸多優點，但并不是所有采用水泥穩定碎石混合料作路面基層的道路結構都能獲得預期的效果。隨著水泥穩定碎石混合料在我國的大量使用，逐漸發現把它用于基層時也存在著一些有待解決的問題。

由于水泥穩定碎石呈脆性，且對溫度、濕度的變化比較敏感，在施工及使用過程中，會在溫度或濕度交替變化時容易產生收縮開裂。從己建成的高速公路使用調查來看，水泥穩定碎石基層瀝青路面裂縫問題日益突出，并己成為該結構的主要缺陷。

早期的裂縫對行車并無明顯的影響，但隨著表面雨水的侵入，在大量行車荷載反復作用下，會導致路面強度明顯下降，產生沖刷和唧泥現象，使裂縫加寬，裂縫兩側的瀝青面層碎裂，影響了瀝青路面的使用性能。

鑒于上述問題，有必要對水泥穩定碎石混合料作為基層的配合比設計、路用性能進行試驗分析，尋求一種比較合理的集料級配，使其呈現較好的路用性能。這對最大限度地減少收縮裂縫，延長道路使用壽命，有著一定的現實意義。

2.礦質混合料的配合比設計

2.1 水泥穩定碎石組成級配類型

2.1.1 連續級配（骨架密實結構）

連續級配是某一礦料在標準套篩中進行篩分后，礦料的顆粒由大到小連續分布，每一級都占有適當的比例。三軸試驗表明，這種結構的混合料不僅具有較高的內摩阻角，而且具有較高的粘結力。屬于這種結構類型的水泥穩定碎石混合料具有最優的力學性能，抗收縮性能和抗沖刷性能等。

2.1.2 間斷級配（懸浮密實結構）

在礦料顆粒分布的整個區間內，從中間剔除一個或幾個連續粒級，形成一種不連續的級配。這種結構中的細集料較多，而粗集料較少，且相互之間沒有接觸，不能形成骨架粗顆粒，猶如懸浮于細顆粒之中。三軸試驗表明，該種結構雖然具有較高的粘結力，但內摩阻角較低，其強度主要受粘結力所控制，在外部荷載的作用下，易產生破壞。按這種結構修筑的水泥穩定碎石基層，其路用性能受結合料性質的影響較大，特別是其抗收縮性能較差，基層容易產生收縮裂縫，裂縫的產生嚴重破壞了基層的整體性，這樣很容易造成路面結構的破壞，因此，應避開集料形成懸浮密實結構。

2.1.3 連續開級配（骨架空隙結構）

整個礦料顆粒分布范圍較窄，從大到小僅在數個粒級上以連續的形式出現，形成連續開級配。在這種結構中，一般是粗集料較多，而細集料數量過少，集料能夠形成骨架，但其殘余空間較大。三軸試驗表明，雖然這種結構粘結力較低，但其內摩阻角較大，其強度主要取決于內摩阻力。因此形成的水泥穩定級配碎石層，受結合料性質的影響較小，因而其具有收縮性能較好。但這種結構的空隙率太大，使基層的耐久性受到影響。

綜上所述，礦質混合料中各組成成分的空間位置排列不同，就會導致混合料整體性質發生變化，而連續級配中的骨架密實結構汲取了懸浮密實結構和骨架空隙結構的優點。在振碾工藝條件下，骨架密實結構能夠合粗細集料之間的緊密嵌擠作用發揮出來，提高混合料各方面的性能指標。

2.2 礦料的組成設計方法

由于工程實際中由料場提供的各規格集料往往很難直接滿足設計級配的要求，所以往往要采用兩種或兩種以上集料結合起來使用。

2.2.1 計算法進行礦料的配合比設計

（1）建立基本計算方程

以三種規格的集料進行級配設計為例。設有A、B、C三種集料在某一篩孔上的分計篩余分別為αA（i）、αB（i）、αC（i），打算配制礦質混合料M，混合料M在相應篩孔上的分計篩余百分率為αM（i）。設A、B、C三種集料在混合料中的比例分別為X、Y、Z。則得下式。

（2）基本假設

在礦質混合料中，假定混合料中某一級粒徑的顆粒僅由這三種集料中的一種集料來提供，而其他兩種集料中不含這一粒徑的顆粒，此時這兩種集料相應的分計篩余百分率為零。如設在i粒級僅A集料在此粒級上存在分計篩余，其他兩個集料B和C的分計篩余全部是零，從而簡化計算過程。

（3）計算

根據上述假設，式（1-2）成為：

αA（i）X=αM（i）

而A集料在混合料中所占的比例為：

同理，按此假設可計算C集料在混合料中的比例。設在j粒級上其他兩個集料A和B在該粒徑上的分計篩余百分率也是零，則有：αC（j）Z=αM（j）

即C集料在混合料中的比例是：

最后得到B集料在混合料中的比例：

Y=100%-X-Z

（4）校核調整：

對以上計算得到的各集料比例即配合比要進行驗算，如得到的合成級配不在所要求的級配范圍，應調整初步配合比并重新驗算，直到滿足級配要求為止。

2.2.2 圖解法進行級配設計

（1）繪制框圖

按比例繪制一矩形框圖，從左下向右上引對角線OO’，作為合成級配的中值，見下圖2-1?？v坐標表示通過量百分率刻度；橫坐標則表示篩孔尺寸，而各個篩孔具體位置則根據合成級配要求的某篩孔通過率百分率中值，在縱坐標上找出該中值的位置，然后從縱坐標引水平線與對角線相交，再從交點處向下做垂線，垂線與橫坐標的交點即為該篩孔相應位置。依此類推，找出全部篩孔在橫坐標上的具體位置。

（2）確定各集料用量

將參與級配合成的各集料的通過量繪制在框圖中，用折線的形式連成級配曲線。假設以四種集料進行級配合成，根據框圖中相鄰兩條級配曲線的關系，確定各集料在混合料中的摻配比例。

（a）重疊關系∶

相鄰兩條曲線相互重疊，圖2-1集料A的級配曲線下部與集料B

圖2-1

的級配曲線上部搭接。針對這種相鄰關系，在兩條級配曲線之間引一條垂線AA’，要求該垂線與集料A的級配曲線和集料B的級配曲線所截取的截距相等，即a=a’。此時垂線與AA’對角線OO’相交于點M，再通過點M引水平線與縱坐標交于P，OP線段的幾何長度就是集料的A的用量比例。

（b）相接關系：相鄰兩條曲線首尾相接，圖2-1中集料B的末

端與集料C的首端正好相接。針對這種相鄰關系，此時只需從C集料的首端向B集料的末端引垂線BB’，該垂線與對角線OO’相交于點N，過點N引水平線與縱坐標交于點Q，則PQ線段的幾何長度就是B集料的用量比例（%）。

（c）分離關系：相鄰兩條曲線分離，圖2-1中集料C的級配曲線與集料D的級配曲線在水平方向彼此分離。此時做一條垂線CC’平分這段水平距離，要求b=b’。垂線CC’與對角線OO’交于點R，通過該點引水平線與縱坐標交于點S，則OS線段的幾何長度就代表集料C的用量比例（%）。剩余的ST即為集料D的用量比例。

（d）與試算法相同，根據圖解過程求得的各集料用量比例，計算出合成級配的結果。當合成級配超出級配范圍時，說明圖解法得到的比例不是很合適，需要進行各集料的用量調整，直到滿足設計級配的要求為止。

2.2.3 計算法進行級配設計實例

［題目］深圳市大工業區金牛西路市政工程水泥穩定碎石層礦質混合料配合比設計

表2-1

［原始資料］現有5～31.5mm碎石、5～10mm碎石、石粉渣三種礦質材料，計算法過程列如表2-1

按計算法由此得出的水泥穩定級配碎石的摻入比例為：

5～31.5mm碎石占40%；

5～10mm碎石占30；

石粉渣占30%。

3.水泥穩定碎石基層路用性能研究

通過前面的試驗，確定了水泥穩定碎石混合料配合比的試驗方法，為了評價用以上方法進行配合比設計的效果，必須對設計的配合比進行一些路用性能試驗。如力學性能、抗沖刷性能、抗收縮性能等指標。

3.1 力學性能分析

3.1.1 無側限抗壓強度隨齡期增長規律

無側限抗壓強度是評價水泥穩定碎石混合料路用性能的一個重要指標,在《公路路面基層施工技術規范》(JGJ034-2000)中,對水泥穩定碎石混合料應用于各級公路的指標就是混合料7d無側限抗壓強度，但7d強度不能反映出其后期強度特性。對于水泥穩定碎石混合料的強度，不但要了解其早期的變化規律，還需要了解其發展規律。本文分別對水泥穩定碎石混合料的7d、28d、90D強度進行了測試，從而掌握其無側限抗壓強度長期性能的規律性。

將養生至齡期且飽水24h后的試件放在路面材料強度試驗儀的升降臺上，使試件的形變以約1mm/min的等速率增加進行抗壓強度試驗。

抗壓強度結果表現如表3-1：

由上圖可以看出，水泥穩定碎石混合料的強度隨齡期的增加而增長，在齡期小于28d時，其強度增長幅度最大；在齡期大于28d時，強度基本上呈線性增長趨勢且增長趨勢變緩?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g規范》（JTJ034-2000）對水泥穩定碎石混合料用在高等級公路的基層時，7d的強度要求為3～5MPa。而用第二章的方法配制的水泥穩定碎石混合料的7d強度超過了這個范圍的最大值的5%，28d超過最大值的20%左右。

3.1.2 抗壓回彈模量試驗

抗壓回彈模量的測定采用頂面法。首先用水泥凈漿和0.25～0.50mm的細砂將試件的兩個端面整平并浸水24h。將浸水24h的試件取出用布擦干并放在加載底板上，在試件頂面撤少量的細砂，以增加頂板與試件的接觸面積。把試件放到路面材料強度試驗儀的升降臺上，然后安置千分表。安置千分表時，應使千分表的腳支在加載頂板直徑線的兩側并離試件中心距離大致相等。為了能夠使加載頂板與試件表面緊密接觸，調整千分表的指針，以便試驗過程中數據的記錄。將預定的單位壓力分成5～6個等分，作為每次放回的壓力值。施加第1級荷載（為預定最大荷載的1/5），待荷載作用達1min時，記錄千分表的讀數，同時卸去荷載，讓試件的彈性變形回復。到0.5min時記錄千分表的讀數。如此逐級進行，同時卸去荷載，讓試件的彈性變形回復。以單位壓力P為橫坐標，以回彈形變為縱坐標，繪制曲線，修正曲線開始段的虛假變形。按下式計算回彈模量E：

E=PH/l

式中：P—單位壓力（MPa）

H—試件高度（mm）

l—試件回彈變形（mm）

表3-3

回彈模量是路面結構設計的主要參數之一。在路面結構設計中，對基層的回彈模量要求是比較嚴格的。因為基層的路用性能對回彈模量的大小變化非常敏感，嚴重影響基層的抗裂性。試件在不同齡期的抗壓回彈模量變化規律結果見表3-2

從圖3-2可以看出，回彈模量增長規律同強度增長規律基本一致?；貜椖Ａ吭鲩L規律解釋是：穩定類材料抗壓回彈模量取決于原材料本身模量、反應生成物模量及其組成結構型式等。初期由于反應則進行，膠結料的形成不足以使混合料具有較高的強度，因此早期回彈模量主要由材料組成結構形成及原材料本身模量決定，所以表現為很小。隨著反應的進行，膠結物不斷生成，合顆粒之間連接和整體結構逐步加強，所以在圖上表現為回彈模量逐步增大。由第二章配制的水泥穩定混合料具有較好的回彈模量。

3.2 壓實度試驗

通過第二章配制的混合料配合比，摻入6%的P.C32.5水泥 ,制成6%水泥穩定級配碎石混合料。用機械攪拌,混合料的攤鋪采用WTU95D型攤鋪機,壓路機采用3Y18×21型壓路機、YZ14B型振動壓路機和YZ20JC型振動壓路機。碾壓的過程為：先用YZ14B型振動壓路機靜壓兩遍，再用YZ20JC型振動壓路機振碾三遍，然后用3Y18×21型壓路機靜壓一遍。碾壓完成后，進行壓實度試驗，試驗采用灌砂法。試驗結果如表3-3：

小結：

從力學性能無側限抗壓強度超過規范的要求并且回彈模量指標也較好，壓實度指標均勻性好，具有穩定的壓度度，對于提高基層的路用性能非常重要。因此，采用第二章設計的水泥穩定級配碎石混合料，即骨架型水泥穩定碎石層具有較好的綜合路用性能。

表3-1

表3-2