水泥穩(wěn)定碎石底基層配合比設(shè)計及性能研究

（甘肅省公航旅建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 序言

水泥穩(wěn)定碎石混合料作為瀝青路面基層和底基層，具有較高的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性和整體性，被廣泛應(yīng)用于高等級公路建設(shè)及養(yǎng)護項目[1]。水泥穩(wěn)定碎石混合料以一定級配范圍的碎石為骨料，合理比例的水泥及漿體進行填充，經(jīng)過攤鋪碾壓形成整體。水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度主要來自骨料之間的嵌擠和水泥漿體的膠凝作用，因此組成原材料（主要是水泥、集料）和配合比對混合料性能有很大影響，也必然影響施工質(zhì)量和道路品質(zhì)[2]。國內(nèi)外關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石混合料開展了廣泛的試驗研究，JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》調(diào)整了水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度標(biāo)準(zhǔn)，增加了高速公路和一級公路集料的分檔要求，改進了無機結(jié)合料穩(wěn)定級配碎石的級配設(shè)計方法，進一步規(guī)范了水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計過程及性能測試。因此，本文結(jié)合《公路路面基層施工技術(shù)細則》對水泥穩(wěn)定碎石混合料的配合比設(shè)計及路用性能開展試驗研究。

1 試驗用原材料

1.1 水泥

水泥是水泥穩(wěn)定碎石混合料的關(guān)鍵組成材料，其物理和化學(xué)特性對混合料性能有重要影響。水泥細度、顆粒級配形狀與水泥活性的發(fā)揮和混合料的性能有密切聯(lián)系。水泥越細，水泥水化反應(yīng)越快，凝結(jié)時間越短，混合料強度增長越快，但是半剛性底基層將會產(chǎn)生大量的收縮裂縫和應(yīng)力裂縫，不利于整體強度、剛度和穩(wěn)定性。水泥強度等級越高，混合料強度隨之增大，但是相應(yīng)工程成本也增加，同時出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險也越大。規(guī)范要求采用強度等級為32.5或42.5的普通硅酸鹽水泥，初凝時間應(yīng)大于3h，終凝時間應(yīng)大于6h且小于10h。試驗用水泥為32.5號普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示，均滿足規(guī)范要求。

表1 水泥指標(biāo)檢測結(jié)果

1.2 集料

水泥穩(wěn)定碎石混合料中包括不同粒徑的粗集料和細集料，不同粒徑的粗集料按一定比例形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，細集料填充于粗集料空隙中，形成一種相對密實的結(jié)構(gòu)。試驗用粗集料和細集料均為石灰?guī)r，按照粒徑大小分為0-5、5-10、10-15、15-20、20-30五檔，最大粒徑不超過37.5mm，公稱最大粒徑31.5mm，滿足規(guī)范關(guān)于不少于四檔分檔要求和最大粒徑要求。集料工程特性滿足規(guī)范要求，檢測結(jié)果如表2所示[2]。

表2 集料工程特性檢測結(jié)果

1.3 水

試驗拌合用水和養(yǎng)生用水均為自來水。

2 水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計

2.1 礦料級配

《公路路面基層施工技術(shù)細則》對于高速公路和一級公路水泥穩(wěn)定底基層給出了C-A-1和C-A-2兩種推薦級配范圍，其中C-A-2級配整體偏細，且只給出了0.075mm、0.6mm、4.75mm、37.5mm等篩孔的粒徑范圍，其他篩孔未做具體要求，級配過于寬泛，不利于室內(nèi)配合比設(shè)計和施工現(xiàn)場質(zhì)量控制。而C-A-1控制篩孔較多，粗細適中，混合料整體強度和抗裂性能均有兼顧，因此配合比設(shè)計時采用規(guī)范推薦級配C-A-1中值。對0-5、5-10、10-15、15-20、20-30各檔集料采用水洗法進行篩分，各篩孔通過率、各檔集料配比以及混合料礦料級配如表3所示。

表3 礦料級配設(shè)計

2.2 最佳含水率和最大干密度

最佳含水率和最大干密度是水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。最佳含水率不僅影響水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度，而且影響混合料的強度、耐久性及施工性能。試驗采用重型擊實方法，測試不同水泥劑量時混合料的最佳含水率和最大干密度。水泥用量分別采用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，各水泥劑量時礦料質(zhì)量為7000g，含水率按照2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、6.5%配制。試驗中，首先按照一定質(zhì)量稱取各檔礦料且混合均勻，加入預(yù)定質(zhì)量的拌合水拌合均勻，燜料4h以上，在擊實前1h加入預(yù)定質(zhì)量的水泥，拌合均勻后擊實三遍，每遍擊實98次[3]。試驗結(jié)果見表4。

表4 重型擊實試驗結(jié)果

3 強度測試

無側(cè)限抗壓強度是評價水泥穩(wěn)定碎石混合料強度的主要指標(biāo)。規(guī)范要求，高速公路、一級公路在極重、特重荷載等級條件下，底基層水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強度達到3.0-5.0MPa。試驗按照3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%水泥用量，在各自最佳含水率條件下，采用靜壓方式成型無側(cè)限抗壓試件，每組試件分別成型13個試件。試件脫模稱重之后，立即放到養(yǎng)生室內(nèi)保濕保溫養(yǎng)生6d，然后浸泡于水中1d，水面應(yīng)高出試件頂面25cm。各水泥用量試件無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果如表5所示。由表中可以看出，水泥用量4.0%即可滿足規(guī)范要求。

表5 無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果

4 允許延遲時間測試

施工過程中，由于運輸不暢或不能及時攤鋪，水泥穩(wěn)定碎石混合料的施工性能和路用性能會發(fā)生很大變化，甚至造成無法使用。水泥穩(wěn)定碎石混合料的允許延遲時間與水泥凝結(jié)時間、水泥劑量、配合比、氣候因素等有關(guān)[4]。按照設(shè)計級配稱取礦料，最佳含水率4.5%，水泥用量4.0%，拌和混合料，分別立刻壓實、悶料1h壓實、悶料2h壓實、悶料3h壓實、悶料4h壓實、悶料5h壓實，測得混合料的壓實度和無側(cè)限抗壓強度如表6所示。

表6 允許延遲時間試驗測試結(jié)果

通過壓實度與延遲時間關(guān)系可以得出，延遲時間在4.0h以內(nèi)；通過無側(cè)限抗壓強度與延遲時間的關(guān)系可以得出，延遲時間在3.5h以內(nèi)。因此，混合料允許延遲時間3.5h，大于3.0h，滿足拌和、運輸、攤鋪、碾壓等施工要求。水泥穩(wěn)定碎石混合料從加水拌合到攤鋪碾壓完成不能超過3.5h，施工過程中需保持拌合工作的節(jié)奏、運輸?shù)缆返臅惩艾F(xiàn)場攤鋪碾壓的效率。

5 水泥劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線

水泥穩(wěn)定碎石作為底基層具有較多技術(shù)優(yōu)勢，但是在施工過程必須加強混合料中水泥用量的控制。水泥用量過小，導(dǎo)致混合料強度不足；水泥用量過大，不僅增加施工費用，且會出現(xiàn)較多裂縫，基層或底基層裂縫處因引力集中會導(dǎo)致面層出現(xiàn)反射裂縫，雨水下滲又會造成路基含水率過高，承載能力降低，在冬春季節(jié)出現(xiàn)凍融破壞[5-6]。因此，針對水穩(wěn)碎石混合料中水泥用量的準(zhǔn)確檢測和動態(tài)控制是保證工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場施工之前，應(yīng)在試驗室按照不同的水泥用量制備混合料，然后測試不同水泥用量混合料需要的EDTA數(shù)量，最后建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，作為水泥穩(wěn)定碎石混合料現(xiàn)場施工過程中水泥用量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 EDTA滴定標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

6 結(jié)語

按照新頒發(fā)的《公路路面基層施工技術(shù)細則》，控制水泥穩(wěn)定碎石各項材料的性能，合理進行混合料配合比設(shè)計，當(dāng)水泥用量達到4.0%時，混合料7d無側(cè)限抗壓強度即可達到規(guī)范要求的3.0-5.0MPa。允許延遲時間3.5h，完全滿足施工要求。同時繪制了水泥用量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，在施工過程進行水泥用量的檢測與控制。