基于提高抗裂性能的水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配修正設(shè)計(jì)研究

章志明

摘要：為保證級(jí)配的連續(xù)性，在慣用的水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從使用材料的實(shí)際特性出發(fā)，按控制空隙率法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比最佳組成設(shè)計(jì)，按該方法進(jìn)行的配合比設(shè)計(jì)，較一般方法進(jìn)行的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度好、耐久性強(qiáng)，能減少或消除干溫縮裂縫的發(fā)生，該方法克服了目前常用的級(jí)配調(diào)整方法的不足。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石；抗裂性能；密實(shí)級(jí)配；修正設(shè)計(jì)

前言

水泥穩(wěn)定碎石由于其有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在公路路面結(jié)構(gòu)層中被廣泛應(yīng)用。但如果由于材料配合比組成不當(dāng)，不僅很難發(fā)揮水泥穩(wěn)定碎石的優(yōu)越性能，反而會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層出現(xiàn)各種早期破壞，目前最主要的早期破壞是水泥穩(wěn)定碎石出現(xiàn)干溫縮裂縫，導(dǎo)致瀝青路面使用壽命降低低，這是許多道路工程使用不久就出現(xiàn)的“通病”。實(shí)踐證明，要充分發(fā)揮水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的優(yōu)越性能，進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配最佳組成設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。本文在水泥穩(wěn)定碎石常用的級(jí)配組成的基礎(chǔ)上，采用空隙率法進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)，很好地發(fā)揮了水泥穩(wěn)定碎石的優(yōu)越性能，減少了瀝青路面裂縫的發(fā)生。

1.基本原理

按控制空隙率法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成設(shè)計(jì)的基本原理是，當(dāng)半剛性基層材料的集料形成骨架，集料顆粒間所形成的空隙率用某個(gè)粒

徑以下的集料與水泥組成的膠結(jié)體填充，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。若膠結(jié)體含量過少，則不能形成密實(shí)骨架，穩(wěn)定性差；若膠結(jié)體含量過多，不能完全形成骨架，不能很好發(fā)揮骨架密實(shí)穩(wěn)定材料的抗裂性能。

2.組成設(shè)計(jì)公式的推導(dǎo)

2.1.集料參數(shù)公式

2.1.1.級(jí)配組合后的集料堆積密度和表觀相對(duì)密度

假設(shè)經(jīng)過級(jí)配調(diào)整組合后的各種集料大于9.50mm的含量為Bni%，組合后的堆積密度pi（t/m3）和表觀相對(duì)密度ri（t/m3），則：

式中，Pni為各種集料大于9.50mm的堆積密度，Rni為各種集料大于9.50mm的表觀相對(duì)密度，n為集料代號(hào)。

2.1.2.粗集料的空隙率

已知pi（t/m3）、ri（t/m3）后，根據(jù)下式可以計(jì)算大于9.50mm的集料的空隙率m：

2.2.膠結(jié)體參數(shù)公式

已知空隙率m、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到的9.50mm以下顆粒的最大干密度P時(shí)，可以根據(jù)下式計(jì)算以大于9.50mm的集料為骨架的單位體積實(shí)體中需要9.50mm以下顆粒的含量Q（t）：

2.3.不同集料的合成密度β

2.4.級(jí)配修正參數(shù)

假設(shè)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配由A、B、C、D四種不同規(guī)格的集料組成，其中9.50mm以下顆粒存在于C、D中，組成含量分別為AH%、BH%、CH%、DH%，在修正過程中假設(shè)A、B、C、D四種材料的組成比例不變，修正的C、D組成含量，方法如下：

（1）按常用級(jí)配調(diào)整后的C、D比例，將C、D按比例CH：DH與要求的水泥含量組成水泥石混合料，通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)確定水泥石的最大干密度P和最佳含水量w；

（2）按AH、BH的比例初配A、B混合料Vcm3，V滿足標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)所需要的最小體積，通過上述公式求出體積V實(shí)體中9.50mm以下顆粒含量Q；

（3）做A、B與9.50mm以下顆粒組成混合料的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，求最大干密度η、最佳含水量ω；

（4）單位體積實(shí)體中A、B含量AH、BH：

（5）在保持C、D原有比例CH：DH不變的情況下，根據(jù)下列公式進(jìn)行單位體積實(shí)體中C、D含量修正，求CH、DH：

（6）計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石中碎石組成百分含量AH%、BH%、CH%、DH%：

（7）將計(jì)算的碎石組成含量代人原級(jí)配組合調(diào)整曲線重新進(jìn)行曲線調(diào)整；

（8）按規(guī)定的水泥劑量和修正后的級(jí)配組成進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，含標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)等。

3.應(yīng)用實(shí)例

某一級(jí)公路改擴(kuò)建工程，全長27.8km，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)采用18cm2.5%水泥穩(wěn)定碎石底基層+36cm4.5%水泥穩(wěn)定碎石基層+7cmAC-25C瀝青混凝土+6cmAC-20C瀝青混凝土+4cmAC-13C瀝青混凝土，水泥穩(wěn)定碎石基層擬采用的級(jí)配（方孔篩）如下表1。

為提高水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂能力，在按提供的級(jí)配進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)組成材料的含量進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1.修正前的集料組成

本次采用A：10-30mm、B：10-20mm、C：5-10mm、D：0-5mm四種不同規(guī)格的集料，修正前的組成含量為：AH=20%、BH=35%、CH=25%、DH=20%，A集料與B集料的堆積密度分別是1.52t/m3、1.46t/m3，表觀密度分別是2.61t/m3、2.62t/m3；C與D按比例組成的混合料的最大干密度P=2.360t/m3，A、B、C、D組成混合料的最大干密度η=2.365t/m3。修正前的級(jí)配曲線圖如下圖1。

3.2.級(jí)配組成的修正

根據(jù)修正前的級(jí)配組成可以求出：

（1）A、B組成的堆積密度：

A、B組成的表觀密度：

A、B組成的空隙率：

不同集料的合成密度：

根據(jù)上述公式進(jìn)行單位體積實(shí)體質(zhì)量修正：

（1）修正單位體積實(shí)體中A、B、C、D含量AH、BH、CH、DH：

（2）修正后單位體積實(shí)體中A、B、C、D百分含量：

，同樣可求B、C、D的百分含量分別是40%、21%、16%

（3）將修正后單位體積實(shí)體中A、B、C、D百分含量代人原曲線圖，得出修正后的級(jí)配曲線如圖1。

圖1 修正前后的級(jí)配曲線圖

Figure 1.Correction before and after the grading curve in Figure

3.3.干縮試驗(yàn)

減少或消除路面基層的干縮裂縫是本試驗(yàn)研究的主要目的之一，因此，進(jìn)行室內(nèi)干縮試驗(yàn)是必不可少的。本次室內(nèi)干縮試驗(yàn)是采用100mm×100mm×515mm的小梁式試件，在自然條件下（平均相對(duì)濕度50%，平均氣溫320C）隨時(shí)間變化的干縮，為便于比較，做了水泥用量為4.5%級(jí)配修正前后兩種不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石的干縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下表2。

從試驗(yàn)結(jié)果可知：在相同的試驗(yàn)條下，水泥用量相同時(shí)，級(jí)配修正后的穩(wěn)定材料干縮應(yīng)變要比級(jí)配修正前的小；從干縮到達(dá)最大值時(shí)的時(shí)間看，級(jí)配修正后的比級(jí)配修正前的持續(xù)時(shí)間要長，這說明前者較后者耐干縮；從干縮應(yīng)變達(dá)到的最大值看，級(jí)配修正后的比級(jí)配修正前的要小，這說明后者較前者容易出現(xiàn)干縮裂縫；從失水量看，級(jí)配修正前的比級(jí)配修正后的失水量大，而且持續(xù)時(shí)間短，這說明前者較后者容易失水而出現(xiàn)干縮裂縫。

3.4.試驗(yàn)路

為便于比較，在全長27.8km的路段就級(jí)配修正前后的水泥穩(wěn)定碎石分別鋪筑了3km和4.8km，鋪筑完成后在相同的齡期進(jìn)行了取芯檢驗(yàn)和較長時(shí)間的裂縫觀察。在7天養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，每車道每200米取芯，結(jié)果顯示級(jí)配修正前后的路段均能取出較完整的芯樣，但修正級(jí)配后的芯樣級(jí)配更加均勻、密實(shí)。裂縫觀察結(jié)果表明，級(jí)配修正前的路段不到3年的時(shí)間就出現(xiàn)多數(shù)間距在50m左右貫穿全斷面的橫向裂縫，而級(jí)配修正后的路段到第5年止基本沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。

4.結(jié)束語

（1）在水泥穩(wěn)定碎石連續(xù)級(jí)配的基礎(chǔ)上進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化修正設(shè)計(jì)，保持了級(jí)配的連續(xù)性的同時(shí)，也使水泥穩(wěn)定碎石密度最大，形成了不同于斷級(jí)配的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。彌補(bǔ)了現(xiàn)行規(guī)范《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034-2000）在級(jí)配組成設(shè)計(jì)上的不足。

（2）實(shí)踐證明，按照本方法進(jìn)行的級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅大大降低了水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的干縮、溫縮裂縫，同時(shí)也提高了基層的強(qiáng)度、抗沖刷能力、耐久性，而且從整體上充分發(fā)揮了水泥穩(wěn)定碎石半剛性材料的優(yōu)越性能，提高了路面的使用壽命。

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