水泥穩定碎石基層的最低劈裂強度和抗壓強度研究

田宇飛

（烏蘭察布市金橋公路工程有限責任公司， 內蒙古 烏蘭察布 012000）

水泥穩定碎石基層強度高、整體性好、承載能力大,作為道路的主要承重層,在我國各種道路，特別是高等級道路中得到了廣泛應用,為道路交通運輸業的發展起了很大的作用。

水泥穩定碎石具有-一定的抗拉強度,環境溫度越高、齡期越長,其強度和剛性(回彈模量)也越大.因此其優點是相當突出的。但是水泥穩定碎石混合料經拌和壓實后,因水分蒸發和混合料內部發生水化作用而產生體積收縮,以至出現收縮裂縫,引起瀝青面層發生所謂的反射裂縫之后，一旦有水分進人，就將影響瀝青路面的使用性能和使用壽命。所以,其缺點也是相當明顯的。大量研究表明:水泥穩定碎石的強度與其收縮量關系很大，一般規律是強度升高,收縮量增大。因此，制定水泥穩定碎石基層的強度標準時應該考慮在一定的安全度條件下,與其受力狀況相適應。

水泥的類型和用量、細集料的含量、顆粒含量和混合料的含水量的因素都影響著水泥碎石強度，因此在實際工程應用中，為了達到施工要求，收縮裂縫，必須改善水泥的級配組成，在滿足規范所規定的抗壓強度前提下，限制水泥的用量；同時，還要在減少集料中含泥量的情況下，限制細集料的用量，尤其是 0.075mm以下顆粒的含量；另外，還需要考慮實際施工時的氣候條件來調節水泥的含水量等。實踐證明，這些措施能夠有效的改善水泥裂縫情況，但是對于水泥穩定碎石的7d抗壓強度的大小卻沒有明確規定，這一問題仍然困擾著世人。

鑒于以上原因，本文針對高級道路瀝青路面中的水泥碎石基層，研究其在施工期間和在設計使用壽命期間可以承受的受力狀態，根據研究結果，提出了水泥穩定碎石基層在不同交通等級下的適宜輕度建議標準值。

1 受力狀態下水泥穩定碎石基層強度標準值

水泥穩定碎石具有良好的強度、剛度和板體性，較好的水穩定性和抗沖刷能力,在路面基層底基層中得到了廣泛的應用。抗壓強度是當前規范確定水泥穩定碎石配合比的唯一指標。劈裂強度是確定水泥穩定碎石結構層容許拉應力的關鍵指標，是水泥穩定碎石結構層設計參數之一。為保證結構承載力,《公路瀝青路面設計規范》(JTGD50一2006)規定,水泥穩定碎石基層和底基層的7d無側限抗壓強度分別為2.5-4.5 MPa、不小于1.5 MPa。但在結構設計中并非是以抗壓強度作為指標，而是以各層的層底拉應力為指標，抗壓強度和劈裂強度之間雖然存在著一定的相關關系,但并不能直接反映層底拉應力的大小，這導致設計指標和施工指標的不一致。

1.1 國內外的相關規定

我國水泥穩定碎石基層作為瀝青路面的結構層次,其抗壓強度標準(7d浸水)在我國《公路路面基層施工技術規范》（JTJ034--2000)中有明確規定。該規范還特別注明:設計年限內每一個車道上的BBZ-100kN累計當量軸次Ne<1200*104的公路可采用低限值;Ne>1200*104的公路可采用中值;主要行駛重載車輛的公路應采用高限值;某一具體公路應采用一個值，而不采用某一范圍。在即將出版的公路瀝青路面設計規范中,按照不同的交通等級,對水泥穩定碎石基層的 7d抗壓強度也有具體規定。其中規定:當Ne<150*104時為低交通等級(A); Ne= 150*104-400*104時為輕交通等級(B); Ne=400X104-1200X104時為中交通等級(C); Ne=l200* 104-3 000*104時為重交通等級(D), Ne> 3000*104時為特重交通等級(E)。

日本:在 2001年發布的“路面結構技術標準及解析”中,對水泥穩定碎石用于上基層時的7d抗壓強度規定為2. 90 MPa,用于底基層時則規定為0.98 MPa。日本的標準軸載為49 kN.

南非:用于其A類道路(主要城市間的高速公路及鄉村道路Ne= 100*104-300*104)和 B類道路(城間千道、鄉村道路,Ne=300*104-1000*104)時,水泥穩定碎石基層的抗壓強度規定為 1.5~3.5MPa;用作底基層時則為 0.75-1.50MPa.南非的標準軸載為80kN.

德國:規定水泥穩定碎石28 d抗壓強度平均值≥7.0 MPa,其中每個試件的28 d抗壓強度≥3.5MPa。在這種結構中，瀝青層的厚度為26厘米。當水泥穩定碎石的28d抗壓強度≥9.0MPa時，水泥穩定碎石稱重層要切槽、留縫。

法國：規定水泥穩定碎石基層的28d抗彎強度為1.2MPa以上。

由以上及其他資料得出：國外對水泥穩定碎石基層的強度要求都略低于我國。

1.2 形成原理

水泥穩定碎石基層是用碎石、石屑、水泥和水按一定的配合比摻和,經拌和得到混合料，混合料通過攤鋪,在最佳含水率狀態時壓實后經養護成型,抗壓強度達到規范要求的一種集料板體結構層。它是以一定級配的碎石為骨料,以石屑為填充料,以水泥為水硬性結合料組合而成的半剛性基層材料。其強度形成與碎石級配、壓實度、水泥和粒料之間的水熱化學反應等有直接聯系。

嵌擠作用決定了水泥穩定碎石混合料中的碎石具有一定的粒徑級配范圍，經過拌合之后，混合料中的大小顆粒進行重新排列組合,小顆粒填充大顆粒之間的間隙,在機械碾壓作用下,大小顆粒緊密地嵌固在一起。 顆粒之間的嵌擠作用和摩阻作用形成結構層的內摩阻力,使水穩層具有一定的強度和穩定性。水泥硬化作用使水泥中的礦物成分與水發生強烈的水解反應和水化反應,同時在溶液中分解出Ca(OH)2形成水化物,各種水化物生成后,有的繼續硬化，形成水泥石骨架,有的則與碎石中的其他礦物質發生硬凝作用和碳酸化作用,生成穩定的不易分解的礦物質,從而增大了水泥穩定碎石的強度。另外化學激發作用也是形成的原因之一，石屑中礦物成分的活性被Ca(OH)2激發,與鈣離子發生反應生成具有膠凝能力的新礦物質,這些具有膠結作用的物質包裹在碎石顆粒表面，與水泥水化物一起將混凝料中的顆粒凝結成-一個整體。使得水泥穩定碎石基層的強度和水穩定性得到進一步提高。

1.3 實驗依據和方法

如前所述，國內外對水泥穩定碎石基層的抗壓強度標準值是依據公路等級、交通量大小及其在路面結構中的層次和所發揮的作用定出的.這些依據雖然正確，但都只是宏觀的外部條件,要確定其強度標準還應該從受力狀態出發,即深入考慮道路運營和施工期間水泥穩定碎石基層在車輛荷載作用下所承受的應力狀態.這樣的分析方法可使材料的力學特性更為明確,更符合實際情況. 具體方法和步驟如下:(1)針對現行瀝青路面常用結構組合,按照相關規范所提供的設計參數,利用彈性層狀體系理論的有關計算程序,計算水泥穩定碎石結構層的受力狀態;(2)考慮道路所承受的交通量大小,初步確定水泥穩定碎石基層所應具備的抗彎強度標準值;(3)考慮水泥穩定碎石混合料在現場和室內配料、拌和等工序上的變異性;(4)基于我國公路瀝青路面設計規范對水泥穩定碎石基層的抗彎強度指標是以試件90 d齡期為依據，而公路路面基層施工技術規范是以抗壓強度為指標(在工程實踐中抗壓強度試驗較抗彎強度試驗簡單、方便),故尚需將水泥穩定碎石基層的90d抗彎強度值轉換成抗壓強度值;(5)根據水泥穩定碎石基層抗壓強度隨齡期的增長而增長的規律,計算其7d齡期的抗壓強度值.

2 影響水泥穩定碎石基層抗壓強度的因素

2.1 水泥摻量及級配對水穩層的基實的影響

試驗結果表明:同一級配下,隨著水泥摻量的增加，水泥穩定碎石基層的最佳含水量逐漸增大,最大千密度逐漸增大，這是因為摻人的水泥越多,水泥水化反應時需要的水的越多，同時使得顆粒之間的膠結作用更強,使得千密度增大。最佳含水率隨著水泥摻量增加而增加的趨勢逐漸加快，當水泥摻量從4%增加到6%時，最佳含水率增加了8%左右;當水泥摻量從6%增加到8%時，最佳含水率增加15%左右。最大千密度隨著水泥摻量增加而增大趨勢逐漸減小，當水泥摻量從4%增加到6%時，最大干密度增大7%左右;當水泥摻量從6%增加到8%時，最大干密度增大2%左右，增長的趨勢逐漸平緩。同一水泥摻量下，集料中粗顆粒的含量越多,最佳含水率越低，最大干密度越大;這是因為水泥含量相同時,集料中細集料的含量越多,達到飽和時吸收水分越多,所以導致最佳含水率增大,同時細集料的含量越多，單位體積內質量越小，使得最佳干密度降低。

2.2 水泥摻量及級配對抗壓強度的影響

試驗結果表明:同-一級配下，隨著水泥摻量的增加，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度的平均值和代表值均逐漸增大。這是因為水泥摻量越大，水泥水解和水化作用之后的膠結作用效果越好，固化效果越好,所以抗壓強度越大。隨著水泥摻量的增加,無 側限抗壓強度增大趨勢先慢后快。從試驗結果可以看出:摻 4%水泥的穩定碎石的無側限抗壓強度達到底基層的抗壓強度要求,而摻6%和摻8%水泥的穩定碎石抗壓強度達到路面上基層的要求。同一水泥摻量下，集料中碎石的含量越大，無側限抗壓強度越大,且無側限抗壓強度的變異系數越大。這是因為水泥穩定料中碎石的含量越大,顆粒間咬合作用越好，粗顆粒之間相互嵌擠作用越大,抗壓強度越大。級配越靠近中值級配，穩定材料的強度越大。

2.3 級配類型影響

在水泥劑量一定的條件下,各齡期級配3的劈裂強度都明顯高于級配1和2。這就證實了不同級配所形成的不同結構類型對于混合料的強度確實有很大影響。級配3表現出較高劈裂強度的原因是其既有相當數量的粗骨料相互嵌擠形成骨架，又有大量細料來填充骨架間的空隙，使混合料形成所謂的骨架密實結構。既充分發揮了骨料間的相互嵌擠作用，又發揮了細料和反應生成物的填隙密實作用，從而使這種級配類型的水泥穩定粒料表現出很高的強度特性。級配 2雖然有較多祖骨料相互嵌擠形成空間骨架,但由于細料太少,不能填充密實骨架間的空隙，使混合料形成骨架空隙結構,在較低的應力水平作用下就發生了破壞。級配I使混合料形成懸浮結構，由于沒有粗骨料的嵌擠作用來分擔,因而強度要低于級配3。

3 結語

本文根據水泥穩定碎石混合料的室內試驗結果及其在路面結構和施工階段的受力狀況分析，提出了水泥穩定碎石基層最低劈裂強度和抗壓強度建議標準.根據該標準所確定的水泥穩定碎石基層級配組成、強度均符合要求，且收縮量小,致使其收縮裂縫減少,瀝青面層的反射裂縫也相應減少。在實際生產中，要結合實際情況，施工現場提供的碎石和黃砂經過合成級配之后,摻人 4%.6%和 8%的水泥穩定強度能夠達到路用要求。同一級配下,摻入水泥的量越多,混合料的最佳含水率、最大千密度及無側限抗壓強度指標均越大。同一水泥摻量下,混合料中碎石的含量越大,最佳含水率越小，最大干密度越大,無側限抗壓強度越大。爭取用最優的方案解決關于水泥抗壓強度和最低劈裂強度問題。

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