水泥穩定碎石強度影響因素試驗研究

黃金城 趙承偉 張大斌

摘要：為探究水泥穩定碎石強度影響因素，文章分別采用重型擊實和振動法成型試件，通過室內試驗和試驗路驗證相結合的方式，研究了成型方式、水泥劑量、礦料級配以及壓實度對水泥穩定碎石強度的影響規律。結果表明：成型方式對混合料性能影響較大，與重型擊實相比，振動壓實混合料最佳含水率可降低12%，最大干密度可增加0.020g/cm3，混合料最大干密度和強度與現場實際施工指標接近，能較好地指導現場施工;通過優化礦料級配、提高壓實度標準和水泥劑量，可提高水泥穩定碎石強度。

關鍵詞：水泥穩定碎石;重型擊實;振動壓實;壓實度;無側限抗壓強度

0 引言

根據《廣西高速公路網規劃（2018—2030年）》，至2030年年底廣西將建成15200km的高速公路網，截至目前仍有近6000km的新建高速公路，新建的高速公路普遍采用水泥穩定碎石作為瀝青路面的基層和底基層。對水泥穩定碎石結構層而言，強度是配合比設計的控制指標，也是施工質量的控制依據[1]，目前廣西高速公路水泥穩定碎石結構層強度大多采用推薦水泥劑量和設計強度進行控制，配合比設計以重型擊實為主。已有研究表明：水泥劑量的高低直接影響水泥穩定碎石強度，通過改善成型方式、級配類型和密實度也能提高水泥穩定碎石強度[2，3]。采用重型擊實設計的水泥穩定碎石，現場施工壓實度及強度與重型擊實成型的試件偏差較大，采用重型擊實已不能有效指導現場施工[4-8]。針對這一情況，本文以實體工程為研究背景，定量研究不同因素對水泥穩定碎石強度特性的影響規律，從而為今后的水泥穩定碎石設計與施工提供指導，為類似工程提供借鑒。

1 試驗方案

選用P.C32.5復合硅酸鹽水泥，技術指標如下頁表1所示。石灰巖集料由項目部自建料場加工供應。設計骨架密實性和懸浮密實性兩種礦料級配，礦料級配見下頁表2。水泥劑量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。按照文獻[9]分別采用振動壓實法和擊實法成型試件，確定水泥穩定碎石混合料最佳含水率和最大干密度，其中振動壓實儀工作參數為：激振力7612N，名義振幅1.4mm，振動塊夾角30°，擊振頻率30Hz。按照確定的最佳含水率和最大干密度，采用不同的壓實度標準成型試件，標準養護后進行強度試驗。

2 試驗結果分析

按上述試驗方案進行試驗，確定水泥穩定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度，對每種水泥劑量試件做3組平行試驗，取試驗結果平均值作為該種水泥劑量的物理指標。試驗結果如表3所示。

由表3可知：隨著水泥劑量的增加，同類型水泥穩定碎石混合料最佳含水率和最大干密度均有所增加。同等條件下，與懸浮密實型結構相比，骨架密實型結構最佳含水率降低，最大干密度提高。這是由于骨架密實型結構混合料比表面積小，達到密實狀態時所需的結構用水較少;同時由于含水率減少，相同體積狀態下混合料干密度增大。采用振動壓實可以降低混合料的最佳含水率，提高混合料的密度，與重型擊實相比，振動壓實最佳含水率平均可降低12%，最大干密度可增加0.020g/cm3。

按照表3中的最佳含水量和最大干密度的98%壓實度成型無側限抗壓強度試件，標準養生后進行無側限抗壓強度試驗。試驗結果如表4所示。

通過表4試驗結果可知：隨著水泥劑量的增加，水泥穩定碎石無側限抗壓強度提高，但是強度增幅效果逐漸減弱，同時水泥劑量增加，水泥穩定碎石干縮開裂的風險增加。骨架密實型結構無側限抗壓強度指標優于懸浮密實結構，同等條件下，骨架密實型水泥穩定碎石強度基本為懸浮密實型結構的1.1倍，因此通過優化礦料級配設計，可以提高水泥穩定碎石結構層強度指標，降低水泥用量。采用振動法進行無側限抗壓強度試驗，可以有效提高混合料強度，相同條件下，振動法試驗強度為靜壓法的1.2倍。與礦料級配相比，成型方式對水穩基層混合料影響較大，振動成型條件下的懸浮密實（XM）最大干密度和無側限抗壓強度比重型擊實條件下的骨架密實（GM）最大干密度和無側限抗壓強度大，表明混合料有較好的密實度，混合料整體強度高。因此對于水泥穩定碎石，在進行配合比設計時宜優先考慮成型方式，其次是礦料級配，再次是水泥劑量。

按照ρdmax的96%、98%和100%壓實度，成型骨架密實級配水泥穩定碎石無側限抗壓強度試件，靜壓法采用重型擊實確定的試驗結果，振動法采用振動壓實確定的試驗結果，經標準養護后進行強度試驗。試驗結果見表5。

由表5可知：隨著壓實度的提高，水泥穩定碎石強度增大，這主要是由于隨著壓實度增加，混合料結構密實性提升，整體抵抗變形能力增強，混合料強度提高。表3、表4結果表明：重型擊實法成型的水泥穩定碎石最大干密度小于振動法最大干密度，混合料密度仍有提升空間。

3 試驗路段

采用骨架密實型礦料級配，水泥劑量為4.5%，現場鋪筑A、B兩段水泥穩定碎石試驗路，分別采用重型擊實試驗確定的最大干密度和振動壓實確定的最大干密度作為壓實度控制指標。試驗路壓實設備配備為13t雙鋼輪壓路機1臺，26t單鋼輪壓路機1臺，32t單鋼輪壓路機1臺，26t膠輪壓路機1臺，采用分段碾壓的方式進行碾壓，試驗段碾壓組合及壓實度檢測見下頁表6。

試驗段結束6d后進行鉆芯，芯樣飽水24h后進行無側限抗壓強度試驗，并與現場取料成型試件的強度作對比，試驗結果如表7所示。

由表7可知：試驗路壓實度均滿足規范要求，在試驗段現有壓實設備條件下，采用重型擊實法確定的最大干密度施工現場壓實度很容易達到98%的技術要求，還會出現壓實度超百的現象，說明重型擊實室內最大干密度已不能有效指導施工;A段現場芯樣強度與室內靜壓法試件強度相差1MPa，與靜壓法100%壓實度強度接近，這是由于現場機械設備壓實功大，現場壓實度標準已達到100%，隨著壓實度的增加，混合料強度提高;B段現場芯樣強度與室內靜壓法無側限抗壓強度接近，表明振動壓實可以較好地模擬現場壓實設備，能夠較好地指導現場施工。

4 結語

通過本文研究可知：提高水泥劑量、優化礦料級配、提高壓實度標準均可以提高水泥穩定碎石強度;成型方式對混合料性能影響較大，且振動法成型水泥穩定碎石最大干密度和強度與現場實際施工指標接近，能較好地指導現場施工。因此在進行水泥穩定碎石強度設計時，建議采用振動成型，并通過優化礦料級配和提高壓實度的方法來提高水泥穩定碎石強度。

參考文獻：

[1]JTG/TF20-2015，公路路面基層施工技術細則[S].

[2]楊國宏.振動壓實法在水穩配合比設計中的應用[J].城市道橋與防洪，2019，5（5）：287-289.

[3]劉振華，賀 鵬，陳 澤，等.振動與擊實成型方法下水泥穩定碎石性能試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2019（4）：88-92.

[4]蔣應軍.水泥穩定碎石振動試驗方法及工程應用研究[D].南京：東南大學，2009.

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[6]蔣應軍.基于振動試驗法設計的抗裂型水泥穩定碎石基層應用研究[J].公路，2008（12）：36-41.

[7]蔣應軍，李明杰，張俊杰，等.水泥穩定碎石強度影響因素[J].長安大學學報（自然科學版），2010，30（4）：1-7.

[8]蔣應軍，王富玉，劉 斌.水泥穩定碎石強度特性的試驗研究[J].武漢理工大學學報，2009，31（15）：52-57.

[9]JTGE51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].