水泥穩(wěn)定砂巖碎石路面基層的性能研究

劉紅譽(yù)，劉偉

（1.微山縣東方建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，山東 濟(jì)寧277600；2.濟(jì)寧市公路發(fā)展中心微山公路局，山東 濟(jì)寧277600）

1 引言

經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，我國的公路里程不斷增加，基本建成了全面覆蓋的公路網(wǎng)絡(luò)。而在當(dāng)前的技術(shù)條件下，多數(shù)公路基層采用的都是半剛性材料，如水泥穩(wěn)定碎石，本身具備較強(qiáng)的抗彎拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，其良好的基層性能使路面鋪筑環(huán)節(jié)產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力和彎拉應(yīng)變較小，能夠很好地承受車輛荷載的反復(fù)作用，并且使用壽命較長。

2 水泥穩(wěn)定碎石研究現(xiàn)狀

水泥穩(wěn)定碎石是一種以級配碎石為骨料，借助一定的膠凝材料和灰漿對骨料空隙進(jìn)行填充壓實(shí)，使其具備一定的密實(shí)度，通過碎石間的嵌擠鎖結(jié)獲得足夠的強(qiáng)度。水泥穩(wěn)定碎石具備較高的初期強(qiáng)度，而且伴隨著齡期的增長，強(qiáng)度還會(huì)不斷提升，在結(jié)成相應(yīng)的板體后，還會(huì)具備很好的抗?jié)B性及抗凍性[1]。

水泥穩(wěn)定碎石基層中，水泥的劑量和力學(xué)性能會(huì)對路面的使用壽命產(chǎn)生直接影響，一些研究人員結(jié)合具體工程案例，對不同級配和不同水泥摻量的水泥穩(wěn)定碎石基層的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，在相同級配條件下，水泥在混合料中摻加的比例越高，混合料的最佳含水率和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。而且當(dāng)水泥摻加量增大時(shí)，混合料最佳含水率會(huì)在前期呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，受水化反應(yīng)的持續(xù)影響，經(jīng)過一定時(shí)間后，混合料最佳含水率的增長速度也會(huì)有所下降；如果水泥在混合料中的摻加量固定，增加粗集料的含量后，混合料的最佳含水率會(huì)有所下降，相應(yīng)的最大干密度和水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也會(huì)減小。運(yùn)用平行試驗(yàn)對不同混合料配比以及不同齡期的水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等性能進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，混合料的配比對水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度影響巨大，適當(dāng)增加混合料中水泥材料占比，水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能會(huì)隨之提高，較快的水化反應(yīng)使水泥穩(wěn)定碎石具備很好的初期強(qiáng)度，而且隨著齡期的增加，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步增大，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

3 水泥穩(wěn)定砂巖碎石路面基層性能研究

3.1 技術(shù)要求

水泥穩(wěn)定碎石混合料屬于無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料，穩(wěn)定性強(qiáng)，抗凍能力優(yōu)越，但從實(shí)際應(yīng)用的角度分析，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開裂問題。因此，水泥穩(wěn)定碎石混合料一般被用于路面基層或底基層的施工。路面基層主要承受來自車輛的豎向荷載，并且能夠?qū)⒙访娉惺艿膽?yīng)力轉(zhuǎn)移到基層，減小路面結(jié)構(gòu)承受的壓應(yīng)力，減緩路基不均勻沉降對面層的影響。不同面層結(jié)構(gòu)對于基層有不同的要求，結(jié)合相應(yīng)的工程實(shí)踐，水泥穩(wěn)定碎石基層有以下3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要求：

1）具備較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以避免道路在使用過程中出現(xiàn)基層嚴(yán)重變形的情況。

2）具備良好的水穩(wěn)定性和抗凍性能，并配合相應(yīng)的排水措施來保證基層施工效果，以避免水因素引發(fā)的基層濕軟問題。

3）具備較長的疲勞壽命。從力學(xué)特性的角度對半剛性材料和線彈性材料進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)二者有很大的相似性。當(dāng)車輛在路面行駛時(shí)，產(chǎn)生的荷載會(huì)經(jīng)由面層傳遞到基層和底基層，產(chǎn)生累計(jì)破壞，當(dāng)累計(jì)次數(shù)達(dá)到上限時(shí)，基層和底基層就會(huì)完全破壞[3]。因此，在對路面基層以及底基層材料進(jìn)行選擇的過程中，應(yīng)確保其具備較長的疲勞壽命，以保證路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 集料性能試驗(yàn)

為了更好地研究水泥穩(wěn)定砂巖碎石中集料的性能，對使用的砂巖和石灰?guī)r進(jìn)行了相應(yīng)的性能試驗(yàn)。

3.2.1 篩分

對照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的集料篩分試驗(yàn)，對集料進(jìn)行3檔篩分：砂巖為0～9.5 mm、2.36 ～13.2 mm、9.5 ～26mm；石灰?guī)r為0～4.75 mm、2.36 ～13.2 mm、4.75 ～19mm。經(jīng)過篩分后，可以確定砂巖和石灰?guī)r集料存在部分重疊粒徑，從集料物理性質(zhì)研究的角度，對表觀密度、吸水率以針片狀3個(gè)物理指標(biāo)進(jìn)行對比分析[4]。具體分析結(jié)果見表1。

表1 集料物理性質(zhì)指標(biāo)

3.2.2 壓碎值

壓碎值是對集料路用性能進(jìn)行評價(jià)的重要指標(biāo)，選擇粒徑在9.5 ～13.2 mm的砂巖和石灰?guī)r集料，烘干后晾至室溫，稱取900 g樣本平均分為3組，使用國家標(biāo)準(zhǔn)試桶分3次填料，振搗密實(shí)，使用電液壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，將加載速度控制在0.67 kN/s，連續(xù)加載10m in，當(dāng)壓力達(dá)到400 kN后，穩(wěn)壓5 s然后卸載。對壓碎集料中粒徑不超過2.36 mm的細(xì)粒料進(jìn)行稱取，集料壓碎值對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 集料壓碎值對比

3.3 混合料級配設(shè)計(jì)

級配設(shè)計(jì)在水泥穩(wěn)定碎石配比設(shè)計(jì)中非常重要，集料本身的級配會(huì)直接影響其性能參數(shù)，如孔隙率、堆積密度等。目前，混合料級配設(shè)計(jì)的常用方法有2種：數(shù)解法和圖解法。2種方法在實(shí)際應(yīng)用中都要求對級配參數(shù)以及目標(biāo)級配范圍進(jìn)行確定。通過砂巖和石灰?guī)r集料的級配設(shè)計(jì)，確定集料在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的比例以及各材料的最佳配比，保證水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.4 混合料擊實(shí)試驗(yàn)

借助相應(yīng)的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果繪制混合料含水量-干密度曲線，確定砂巖和石灰?guī)r混合料的最佳含水量及最大干密度：最佳含水量分別是5.8 %和5.4 %，最大干密度分別是2.284 g/cm3和2.345 g/cm3。對照相應(yīng)的曲線可以得出，在水泥用量固定的情況下，隨著用水量的增大，干密度會(huì)先達(dá)到相應(yīng)的峰值，然后逐步下降，石灰?guī)r最佳含水量相對砂巖較小。其原因主要是砂巖吸水性更好，而石灰?guī)r的最大干密度相對砂巖較大，主要是粗骨料較多，單位體積質(zhì)量大[5]。

4 結(jié)語

在工程建設(shè)中，要提高水泥穩(wěn)定砂巖碎石的強(qiáng)度，可以增加水泥用量或增大擊實(shí)功，但從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，前者會(huì)導(dǎo)致工程成本的增加，而且容易引發(fā)路面開裂問題；后者則會(huì)導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。對此，可以利用一定比例的石灰?guī)r來替換砂巖，形成水泥穩(wěn)定碎石混合料，在充分保證水泥穩(wěn)定砂巖碎石強(qiáng)度和質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對資源的充分利用，有效節(jié)約資源，降低工程造價(jià)。對于實(shí)踐環(huán)節(jié)，工程技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合具體情況，做好替換比例的計(jì)算，使替換后的水泥穩(wěn)定混合料能夠更好地適應(yīng)路面基層的施工要求。