強嵌擠骨架密實水泥穩定碎石力學性能及施工離析控制技術

【摘 要】為了提高水泥穩定碎石的路用性能，提出了強嵌擠骨架密實結構水泥穩定碎石，并驗證了其路用性能。結果表明：強嵌擠骨架密實級配具有9.5mm以上的粗集料用量多、4.75mm以下的細集料用量多、0.075mm以下的集料用量多、4.75mm～9.5mm中間的粒徑的集料用量少等組成特點；強嵌擠骨架密實級配水泥穩定碎石比規范骨架密實級配的強度平均提高10%以上。最后，結合強嵌擠骨架密實水泥穩定碎石組特點，從原材、堆料、配比、拌合、攤鋪和現場質量控制等方面提出一整套離析控制措施。成果可供工程施工時參考應用。

【關鍵詞】公路工程；水泥穩定碎石；強嵌擠骨架密實級配；力學性能；混合料離析控制

引言

理論研究與工程實踐表明，骨架密實級配碎石水泥穩定碎石具有優良的路用性能，近年來在我國公路建設中得到了廣泛應用。為了進一步提高其路用性能，論文在分析骨架密實級配強度形成機理基礎上，提出強嵌擠骨架密實級配設計原理和方法，并對其路用性能進行驗證。結合強嵌擠骨架密實級配組成特點，從原材、堆料、配比、拌合、攤鋪和現場質量控制等方面對離析控制措施進行了研究。

1、強嵌擠骨架密實級配及其水泥穩定碎石性能

1.1 強嵌擠骨架密實級配

（1）強嵌擠骨架密實結構原理

強嵌擠骨架密實結構應具有足夠的粗集料形成空間骨架結構，適量的細集料以最緊密的狀態填充在粗集料所形成的骨架空隙之間、使其能夠使混合料最大限度的發揮其強度效應，達到提高水泥穩定碎石的力學性能的目的。

（2）強嵌擠骨架密實結構確定方法

基于上述原理，強嵌擠骨架密實級配可采用逐級填充方法確定。具體如下：

①粗集料級配的確定：所用粗骨料的三種規格為分別為19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm。粒徑為9.5～19mm的集料填充而不破壞19～31.5mm所形成的骨架，粒徑為4.75～9.5mm的集料填充而不破壞19～31.5mm、9.5～19mm所形成的骨架，以此方法確定各規格粗集料；

②細集料級配的確定：細集料是指粒徑小于4.75mm的集料，其在混合料中主要的功能為填充粗集料空隙，從而影響著混合料成型后的強度和收縮性。工程上通常采用I法確定細集料的級配，即通過變化I值來研究不同級配細集料的強度、CBR、干燥收縮和溫度收縮等性能

③粗細集料比例的確定：研究不同粗、細集料比例的水泥穩定碎石力學強度，以力學性能最優為原則，并結合成型試件斷面情況和工程實踐施工情況，確定粗細集料比例，即最終礦料級配。

1.2 強嵌擠骨架密實級配組成特點

根據上述方法，確定強嵌擠骨架密實型水泥穩定碎石級配（GM）見表1。表中還給出了《公路瀝青路面設計規范》JTGD50-2006中的骨架密實級配（GF），以資對比。

表1 水泥穩定碎石兩種骨架密實級配

級配類型通過下列篩孔（mm）質量百分率（%）

31.519.09.54.752.360.60.075

GM級配100～9070～6046～3836～2828～1818～106～2

GF

級配10086～6858～3832～3328～1615～83～0

表1數據表明，強嵌擠骨架密實型級配具有“三多一少”的特點，即9.5mm以上的粗集料用量多，4.75mm以下的細集料用量多，0.075mm以下的集料用量多，4.75mm～9.5mm中間的粒徑的集料用量少。9.5mm通過率決定了骨架嵌擠狀況和抗離析性能，過少難以形成骨架結構，過多容易離析；4.75mm通過率決定了混合料密實程度和影響骨架結構，過少難以對粗集料骨架空隙充分填充而形成骨架孔隙結構，過多則容易撐開粗集料骨架而形成懸浮密實結構；0.075mm通過率影響壓實基層毛細孔和施工性能，過少則粗集料表面水泥砂漿不足而導致水泥漿-集料界面存在薄弱面影響強度和抗裂性能，同時因為粗集料表面砂漿少、吸附力小而容易導致施工離析，過多則也會增加收縮裂縫和壓實基層表面鏡面現象。

1.3 物理力學性能

強嵌擠骨架密實水泥穩定碎石物理力學性能見表2。

表2 強嵌擠骨架密實水泥穩定

碎石力學性能

性能 項目強嵌擠骨架密實級配D50規范級配強嵌擠骨架密實級/D50規范級配

施工性能最佳含水量（%）4.94.7104.3

最大干密度（g/ cm3）2.42.35102.1

不同齡期無側限抗壓強度

（MPa）14d10.89.8109.7

28d13.310.5126.8

60d15.410.9141.0

90d16.111.0146.2

180d17.011.2152.1

不同齡期劈裂強度 （MPa）14d0.770.63122.2

28d0.960.84114.3

60d0.980.88111.4

表2中數據表明：與JTGD50-2006《公路瀝青路面設計規范》中的骨架密實級配相比，強嵌擠骨架密實級配的無側限抗壓強度和劈裂強度隨著齡期的增長，都有不同程度的提高。90d后的無側限抗壓強度較骨架密實級配提高了約46.2%，180d后提高了約52.1%。而28d后的劈裂強度較骨架密實級配提高了約14.3%，60d后提高了約11.4%，顯示出了強嵌擠骨架密實級配良好的力學性能。

2、強嵌擠骨架密實水泥穩定碎石離析控制

2.1 原材料變異性控制

在現行公路路面材料中，路用不同規格的碎石都是從多個中小型碎石場采購而來，不同碎石場所采用的碎石機和篩分機的型號和規格不一致，使用也沒有具體規范，即使是同一碎石場生產的名義上規格相同的碎石，其實際顆粒組成的變異性常有顯著差異；而且，不同碎石場采購來混合在一起的名義上同規格的碎石，其顆粒組成的變異性也很大。針對以上原材料顆粒組成變異性大的問題，可采用以下措施。

（1）集料二次篩分

首先，材料使用者與碎石供應商應該根據路用性能的要求，選擇幾個固定的采石供應廠。同時對碎石篩分過程做固定化模式的確定。確定相同型號和規格的碎石機和篩分機，制定統一的機械使用規范，提供規范化的人員操作培訓，以各種途徑盡量減少在出廠時的原材料差異。其次，當碎石到達拌合廠堆料場時，我們需要將名義上同規格的原材料按照從大到小分別混合后，通過使用正確的篩分機理以及合理的篩孔尺寸來重新進行二次篩分。

（2）完善集料管理

對于路面通常所用的粗、細集料，若其質量不滿足要求，路面性能便得不到保證。因此，所用集料必須滿足顆粒形狀、顆粒組成和各項力學性質的要求；對于購料，嚴格購料合同，控制進料變異性，拒收不符合規定的材料。除對供應商的破碎機械、篩分機械有統一的型號、規格、使用規范的要求外，對某種規格的集料的某個篩孔的通過百分率做具體的規定；對于拌和場的堆料，為保持集料的清潔，尤其可以避免雨天場地泥濘，將泥土帶入集料中，場地需做硬化處理，這也是道路基層材料質量的重要措施之一。

（3）隨時調整配合比

改變以往的這種只要混合料類型不變，生產配合比就不改變的傳統設計方式。可根據料倉或拌和傳輸帶上混合料的篩分結果隨時調整生產配合比，減少實際生產時原材料增加的變異。通常情況下，采用前一天的配合比向拌和控制室輸料，進行干拌后取樣篩分。如其顆粒組成符合規定級配范圍，即可投產，否則應在調整后再進行生產。

2.2 施工過程中的離析控制

2.2.1 堆料控制

當向中心站集中拌和廠供料時，為保證材料均勻，應用合理的堆料技術。圖1中，由于使用輸送帶系統進行堆料，導致大顆粒滾到料堆外側，集料產生離析，若將離析的材料供給拌和機，原材料顆粒組成的變異性就會增加，從而影響了施工質量。通常采取的措施是分別堆放供給拌和機的不同尺寸的材料，這是由于每一料堆的材料尺寸比較均勻，可以減少離析現象。然而，如果原材料顆粒組成的變異性很大，較細的集料中仍可能產生離析。因此，應采用圖2和圖3所示的堆料技術，它即能保證材料均勻，并能顯著減少堆料產生的離析。此外，拌和廠對于不同規格的集料應該分別堆放，應有可靠的隔離措施（如圖4），避免不同規格的集料堆交錯，從而人為造成集料的變異性的增大。

圖1 料堆中顆粒離析

Figure 1 grain dissociation in stack material l

圖2 采用許多小料堆

Figure 2 using plenty of small stack material

圖3 分層堆料

Figure 3 stack material in separated levels

圖4 某工地料場堆料情況

Figure 4 stack material situation in a certain construction site

2.2.2 料斗和貯料倉的改進

為了避免向冷料斗裝料時進入相鄰規格集料的冷料斗內，料斗上口要隔開；在安裝冷料斗時，應適當加大各冷料斗間距，以保證此間距大于裝載設備的料斗長度；此外要在料斗的上口兩個冷料斗相接處安裝斜擋板，以便進一步改善集料顆粒組成的均勻性；同時為了減少拌和料的落差，宜在貯料倉上方增加擋板（如圖5）。

圖5 加擋板的貯料倉

Figure 5 storage silo with dam board

2.2.3 卡車裝料和卸料控制

卡車在貯料倉下面快速裝料時，由于在整個裝料過程司機常常不愿意移車，對離析敏感的混合料，較大碎石將滾到卡車前部、后部和兩側，（如圖6）。導致卡車卸料時開始卸下的料和最后卸下的料都是粗料，從而引起離析。

圖6 向卡車裝料方法不合適

Figure 6 improper loading method

圖7 正確裝料方法

Figure 7 correct loading method

針對這種原因產生的離析，應分三個不同位置往卡車中裝料，第一次裝料靠近車廂的前部，第二次裝料靠近后部車廂門，第三次料裝在中間，見圖7。這樣可以消除卡車中離析現象。另外，為了進一步保證混合料整體卸落，車廂底板需要處于良好啟閉狀態，車廂應升高到一個大而安全的角度，使全部混合料能同時向后滑，盡力使混合料整體卸落。

2.2.4 混合料攤鋪技術

混合料成功拌合后將其均勻地裝到卡車內，并整體卸入攤鋪機受料斗進行攤鋪。然而如果混合料的攤鋪過程不科學規范，路面就可能會產生不同程度的離析。

在每輛卡車卸料之間，至少要留少部分混合料在受料斗內；并且盡可能減少側板翻起次數，僅在需要將受料斗中的混合料弄平時，才將兩塊側板翻起；在卸料時還要將卡車車廂翻起后向受料斗卸料，使混合料輸送時的滾動阻力最小。

在混合料攤鋪過程中應盡可能連續，只有在必要時才可停頓和重新啟動調整攤鋪機的速度，以便使攤鋪機的產量與拌和機的產量相平衡；還要注意調整其分料速度，使分料器連續運轉，使出料連續而緩慢；同時應該盡量調整攤鋪機分料室的伸長度，使攤鋪機從受料斗的兩側攤出相同數量的混合料。

3、結語

（1）本文基于強嵌擠骨架密實結構原理，提出了強嵌擠骨架密實級配的確定方法。其結果表明：強嵌擠骨架密實級配具有9.5mm以上的粗集料用量多、4.75mm以下的細集料用量多、0.075mm以下的集料用量多、4.75mm～9.5mm中間的粒徑的集料用量少等組成特點。

（2）強嵌擠骨架密實級配水泥穩定碎石具有優良的路用性能，與規范中的骨架密實級配強度相比ZH至少提高10%以上。

（3）本文結合強嵌擠骨架密實水泥穩定碎石的組特點，從原材、堆料、配比、拌合、攤鋪和現場質量控制等方面提出一整套離析控制措施。成果可供工程施工時參考應用。

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作者簡介：

馬永剛（1971-），男，回族，金華市交通工程質量監督站書記，高工，主要從事交通工程質量安全監督工作；方劍（1980-），漢族，金華市交通工程質量監督站科長，高工，主要從事質量監督、安全監管、檢測管理等工作。