抗裂型水泥穩定碎石基層材料在公路中應用研究

劉鐵軍

（鄭州第二市政建設集團有限公司，河南鄭州 450099）

道路新建或改擴建工程中伴隨著路面結構的選擇和優化，道路基層是路面結構的主要承重層，其質量的好壞直接影響道路的使用性能。因此，有必要研究和開發結構強度高、抗裂能力強、使用損壞率低的基層材料[1-3]。道路基層材料一般可以分為半剛性基層和柔性基層，其中，半剛性基層是目前使用和推廣的主要基層類型，半剛性基層具有較高的強度和較好的荷載傳力效果。在實際的工程建設中，水泥穩定碎石是半剛性基層材料的主要代表，水泥穩定碎石材料是將水泥和碎石等材料按照一定比例拌和而成型的骨架顆粒材料[4]。隨著道路使用年限的增長，半剛性基層路面也會逐步產生一定的質量缺陷，其中，道路的裂縫問題是困擾路面結構的主要難題，施工過程中水穩碎石對溫度與濕度敏感較強。在溫度較高和濕度變化較大時，傳統水穩碎石發生了收縮產生裂縫，該現象的產生會導致基層裂縫以及瀝青面層的反射裂縫[5-6]。

針對該類問題國內學者也關于水泥穩定碎石基層材料做了大量的研究，圍繞材料改性、外摻材料、級配設計等改善水泥水穩碎石的抗開裂性能[7-8]。而銑刨料作為道路回收的廢舊材料，將其應用于水泥穩定碎石基層材料中不僅可以解決資源可循環問題，還可以綜合提升水泥穩定碎石材料的性能。本文通過研究銑刨料應用于水泥穩定碎石材料中的性能變化規律，推薦出科學的抗裂性水泥穩定碎石材料。

1 抗裂水泥穩定碎石配合比設計

1.1 原材料

（1）水泥

試驗選用普通的硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，水泥的初凝時間大于45min，終凝時間小于600min。

（2）集料

本試驗采用河南產石灰巖集料，集料表面潔凈無雜質，對新集料的壓碎值、軟石含量、針片狀顆粒含量等技術指標進行測定滿足規范要求。

（3）銑刨料

銑刨料是道路改擴建過程中銑刨、破碎、回收的瀝青路面材料，其表面附著一層老化瀝青，在水泥穩定碎石拌和過程中能增強材料嵌擠性能。本研究使用的銑刨料為廣西某二級公路回收的銑刨料，老化程度為輕度老化。

1.2 抗裂水泥穩定碎石級配優化

結合道路施工設計說明技術要求，研究設計了基層抗裂嵌擠型水泥穩定碎石的級配范圍，見表1。通過多組水穩碎石材料的級配對比和驗證，為滿足抗裂嵌擠型水泥穩定碎石的強度和抗裂性能需求，考慮增加碎石的摻量、嚴格控制用水量等方式進行質量保障。抗裂型水泥穩定碎石混合料中合成碎石的顆粒組成，配合比設計結果如圖1所示。

表1 水泥穩定碎石混合料級配范圍要求Table 1 Requirements for grading range of cement stabilized macadam mixture

圖1 水穩碎石材料級配設計曲線Fig. 1 Grading design curve of water stable macadam

抗裂型水泥穩定碎石基層材料在拌和過程中采用的水泥劑量為4.2%，銑刨料摻量從0%、5%、15%、20%、25%、30%不等，研究不同銑刨料摻量下抗裂型水泥穩定碎石的最佳含水量和最大干密度變化關系，銑刨料摻量與最佳含水量、最大干密度變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 銑刨料摻量與最佳含水量關系Fig. 2 Relationship between milling material content and optimum water content

圖3 銑刨料摻量與最大干密度關系Fig. 3 Relationship between milling material content and maximum dry density

研究表明：銑刨料摻入水泥穩定碎石基層材料中，在水泥用量固定的前提下，銑刨料摻量的提升會降低水泥穩定碎石基層材料的最佳含水率，與此同時，最大干密度也成先上升后下降的趨勢。其主要原因是銑刨料經常年的道路服役使用，材料表面被老化瀝青裹附形成半封閉結構，在一定程度上會減少材料的吸水率，銑刨料摻量增加后會增強水泥穩定碎石的嵌擠作用。

2 抗裂型水泥穩定碎石路用性能

研究通過無側限抗壓強度試驗、抗壓回彈模量試驗、抗彎拉強度試驗、劈裂強度試驗來研究抗裂型水泥穩定碎石基層材料的路用性能。

2.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是表征水泥穩定碎石基層材料強度的重要指標之一，《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中不同等級道路無側限抗壓強度值制定了明確的規范要求。本研究對摻不同摻量銑刨料的抗裂性水泥穩定碎石基層材料進行7d和28d的無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 7d無側限抗壓強度Fig. 4 7d unconfined compressive strength

圖5 28d無側限抗壓強度Fig. 5 28d unconfined compressive strength

由圖4和圖5可知，隨著銑刨料摻量的提升，7d和28d的無側限抗壓強呈先上升后下降的趨勢，其中，銑刨料摻量為15%時，對應的7d和28d的無側限抗壓強度達到最大，分別為4.75MPa和6.59MPa，達到JTG/T F20-2015規范中重載交通一級公路使用要求。銑刨料的增加在一定程度上增強了碎石材料間的嵌擠作用，使得材料骨架結構更完整，受力更趨于均衡。而銑刨料摻量達到一定程度時，由于銑刨料的壓碎值較普通碎石材料偏低，若使用數量較多也會在一定程度上降低材料整體的抗壓性能。

2.2 抗壓回彈模量試驗

水泥穩定碎石是介于柔性材料和剛性材料之間的半剛性材料，研究中通常采用抗壓回彈模量來評價水泥穩定碎石的剛度，是表征材料的抗裂性能的方法之一。試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料實驗規程》中的要求對7d和28d的抗裂型水泥穩定碎石基層材料進行抗壓回彈模量試驗，試驗結果如圖6、圖7所示。

圖6 7d抗壓回彈模量Fig. 6 7d compressive modulus of resilience

圖7 28d抗壓回彈模量Fig. 7 28d compressive modulus of resilience

由圖6和圖7所示，隨著銑刨料摻量的增加，抗裂型水泥穩定碎石的抗壓回彈模量逐漸降低且下降速率不斷減緩。當銑刨料摻量達到15%時，7d和28d抗壓回彈模量分別為978MPa和1287MPa，銑刨料的壓碎值一般要遠小于天然碎石，而抗壓回彈模量又與材料的壓碎值直接相關。因此，為保障抗裂性水泥穩定碎石的抗壓回彈模量在設計要求范圍內，應對銑刨料摻量進行嚴格控制。

2.3 抗彎拉強度試驗

抗彎拉強度又稱為抗折強度，是表征水泥穩定碎石基層材料在極限破壞時所承受的彎拉荷載。研究采用400mm×150mm×150mm的梁式試件進行三分點加載破壞試驗，7d和28d的抗裂型水泥穩定碎石基層材料抗彎拉強度如圖8、圖9所示。

圖8 7d抗彎拉強度Fig. 8 7d flexural tensile strength

圖9 28d抗彎拉強度Fig. 9 28d flexural tensile strength

由圖8和圖9可知，隨著銑刨料摻量的增加，抗裂型水泥穩定碎石的抗彎拉強度呈先上升后下降的趨勢，其中，7d和28d抗彎拉強度最大分別為0.44MPa和0.69MPa。此外，研究還發現銑刨料摻量提升的同時，水泥穩定碎石基層材料28d的抗彎拉強度較7d的提升速率減緩。銑刨料摻量為0時，水泥穩定碎石的28d抗彎拉強度較7d抗彎拉強度提升了64%；而銑刨料摻量為15%時，提升率為57%；30%的銑刨料摻量時，其提升率僅為41%。因此，研究表明銑刨料摻量超過一定程度時會削減水泥穩定碎石的長期抗彎拉強度。

2.4 劈裂強度試驗

劈裂強度是評價水穩碎石基礎材料抗開裂性能最為關鍵的指標，參照《公路工程無機結合料穩定材料實驗規程》中疲勞強度試驗要求，分別對不同銑刨料摻量下7d和28d水泥穩定碎石材料進行試驗研究，測試結果如圖10、圖11所示。

圖10 7d劈裂強度Fig. 10 7d splitting strength

圖11 28d劈裂強度Fig. 11 28d splitting strength

由圖10和圖11可知，隨著銑刨料材料摻量的增加，抗裂型水泥穩定碎石的最大劈裂強度呈先上升后下降的趨勢，7d和28d水泥穩定碎石的最大劈裂強度分別為0.38MPa和0.57MPa，劈裂強度是表征材料抗開裂最為關鍵的指標，研究表明：銑刨料以適宜的摻量加入到水泥穩定碎石中能夠增強材料的抗裂性能。綜上，結合無側限抗壓強度、抗壓回彈模量、抗彎拉強度、劈裂強度等試驗指標，研究認為15%的銑刨料摻量為最佳摻量，能夠綜合提升水泥穩定碎石材料的路用性能。

3 工程應用

2018年4月，研究對抗裂型水泥穩定碎石基層材料進行了實地工程應用，雙幅路鋪筑長度為4.2公里，道路等級為一級公路。本次試鋪段施工經檢測，水泥穩定碎石材料各項數據合格，施工后壓實度等指標達到技術要求，路面外觀質量較好。 在2019年上半年對使用抗裂水泥穩定碎石基層材料的道路進行路面病害檢查，調查結果見表2。

表2 裂縫調查情況Table 2 Crack investigation

從表2中可以看出，使用抗裂型水泥穩定碎石基層材料的路段，其路面裂縫數量、裂縫寬度和裂縫長度均小于傳統水泥穩定基層材料道路，說明針對抗裂水泥穩定碎石基層材料在實際工程中應用的有效性。

4 結語

研究采用銑刨料代替部分天然碎石的方法制備抗裂性水泥穩定碎石材料，通過研究不同銑刨料摻量下7d和28d水泥穩定碎石的無側限抗壓強度、抗壓回彈模量、抗彎拉強度、劈裂強度等試驗指標，研究表明：銑刨料的摻入會有效提升材料的抗壓強度和抗裂性能，但銑刨料摻量的過多也會對其產生不利影響。因此，需嚴格把控水泥穩定碎石基層材料中銑刨料的具體使用摻量，研究對于提升道路綜合服役性能尤其是緩解基層反射裂縫問題具有重要借鑒意義。