水泥穩定碎石基層配合比設計及砂礫材料標準擊實試驗研究

摘要：水泥穩定碎石基層剛度大，抗壓強度、抗拉彎強度較高，便于就地取材，且成本低廉，能夠顯著提高瀝青路面的抗疲勞破壞能力和瀝青路面的穩定性能，因而在公路工程中得到了廣泛應用。本文在分析水泥穩定碎石的性能機理、配合比設計元原則與步驟基礎上，結合實際工程案例，對水泥穩定碎石基層配合比設計進行闡述。

關鍵詞：水泥穩定碎石；收縮裂縫；水泥穩定砂礫；最大干密度；擊實試驗

0" "引言

水泥穩定碎石基層剛度大，抗壓強度、抗拉彎強度較高，便于就地取材，且成本低廉，能夠顯著提高瀝青路面的抗疲勞破壞能力和瀝青路面的穩定性能，因而在公路工程中得到了廣泛應用。但水泥穩定碎石基層具有一定的脆性，會因環境濕度或者溫度等劇烈變化形成收縮裂縫。本文在分析水泥穩定碎石的性能機理、配合比設計元原則與步驟基礎上，結合實際工程案例，對水泥穩定碎石基層配合比設計進行闡述。

1" "水泥穩定碎石的性能機理

1.1" " 性能要求

作為瀝青道路的基層，首先必須要有足夠的強度和剛度，才能滿足道路的基本使用。強度主要是指在車輛荷載作用下，基層不會出現明顯變形和疲勞破壞。強度主要從兩個方面體現：一是水泥穩定碎石配比材料的整體抗壓強度，二是是碎石自身的強度。基層剛度的大小主要影響其抗裂性能，但是其剛度需與面層剛度具有較好的相關性。

水泥穩定碎石基層需要具有冰凍穩定性、水穩定性以及抗沖刷能力。路基填土高度較低時，基層會長期被水所浸泡。在此條件下保持基層具有較好的穩定性和抗凍融的能力，才能保證道路的質量。另外，在水浸泡條件下經過車輛荷載的反復作用，會形成一定的水壓力，容易將基層和面層中極小的顆粒沖刷掉，因此基層還需具有足夠的抗沖刷能力。

水泥穩定碎石基層需具有較高的抗裂性能和抗疲勞性能。環境溫度對基層的影響較大，溫度變化會導致基層材料產生溫度應力，形成溫度收縮開裂現象。環境濕度的變化會引起干燥收縮，從而形成裂縫，所以施工時要注意控制水分流失，并及時灑水補充水分散失，進而降低干燥收縮的影響。道路自身反復受到車輛荷載的作用以及溫度應力作用，會引起道路結構的強度降低。道路結構強度降低后，水泥穩定碎石基層的抗拉強度也會隨之降低，如其不能完全承受車輛等荷載作用下的彎拉應力，便會產生疲勞開裂。

1.2" " 基層結構的主要成分

水泥穩定碎石基層主要是由粗集料（碎石）、細集料（石屑）以及水泥三種材料組合而成的復合材料。三種材料的組合比例對復合材料的性能影響較大。現階段復合材料根據其組成成分的不同，可以將其分成三類結構，分別是懸浮密實結構、骨架空隙結構以及骨架密實結構。

懸浮密實結構是細集料多、粗集料少的組合比例，水泥主要填充在粗細集料之間的間隙中。其粗集料之間無法相互接觸，主要“懸浮”于細集料中，進而使粗集料之間無法形成骨架支撐。

骨架空隙結構與懸浮密實結構相反，是細集料少、粗集料多，粗骨料之間可以形成骨架支撐，較大的空隙由水泥填充。這種結構組合形式的基層水穩定性和抵抗溫縮裂縫均相對較好，但基層強度受原材料的強度質量影響較大。

骨架密實結構主要是臨界于兩種結構形式之間，粗骨料之間能夠形成骨架，細集料能夠填充與粗骨料之間的殘余空隙。這種結構形式具有很好的粘聚力，內摩擦角相對較大，基層材料之間的內摩擦力較大，具有很好的力學性能以及抗沖刷性能。

2" "配合比設計原則與級配確定方法

混合料的配合比設計主要理論依據為最大密度曲線理論、粒子干涉理論等，本文所選用的碎石最大粒徑為31.5mm，主要設計依據為《公路瀝青路面設計規范》。

2.1" " 級配設計原則

級配設計以填充嵌擠為原則，即假設一個邊長為d的立方體內放一個直徑為d的球，則立方體內的實際空隙率為47.6%。如果球的直徑為d/2時，則立方體內可以放8個球，其空隙率為47.6%。球的直徑為d/4和d/8時，分別可以放64個球和512個球，其空隙率均為47.6%。

2.2" " 級配確定方法

第一步驟：依據《公路瀝青路面設計規范》中水泥穩定碎石基層推薦級配類型，來確定骨料的最大粒徑。粗骨料的密度以及骨料之間的空隙率應通過試驗確定。

第二步驟：根據逐級填充嵌擠原則，將第一步驟確定的集料粒徑大小按等級進行填充，即將較低一級的粒徑d1的集料填充到較高一級的粒徑d的集料中，并建立出多種填充比例和間隙率之間的關系。同時將這種關系繪制出關系曲線圖，以便于從曲線圖上查看最小間隙率時，填充嵌擠密實結構的填充比例。

第三步驟：繼續按照逐級填充嵌擠原則進行填充集料，將下一級粒徑d2的集料以多種比例形式填充到第二步中的混合料中，選出合理的比例后確定出間隙最小的比例。依次逐級填充，將所有粗集料均填入嵌擠結構為止，最終獲得不同粒徑的結構組成比例關系，以及粒徑與間隙率之間的關系。

第四步驟：根據粗集料的填充比例，確定粗集料混合后的間隙率，再通過細集料去填充粗集料混合料之間的間隙，使粗細集料混合后形成密實結構，且達到最大密實度，由此最終確定細集料的填充比例。

3" "配合比設計應用實例

3.1" " 工程概況

某高速公路全長52.356km，行車速度設計為100km/h，路面面層采用4cm厚中粒式瀝青混凝土（AC-16F）、5cm厚中粒式瀝青混凝土（AC-20C）、7cm厚粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）；基層采用20cm厚5%水泥穩定級配碎石，底基層采用20cm厚4%水泥穩定級配碎石，墊層采用20cm厚級配碎石。

3.2" " 配合比設計

依據前文講述的配合比設計方法進行級配設計，選取高速公路的4個路段進行設計，本工程選取的4個路段的篩孔及混合料比例，如表1所示。根據表1繪制出級配曲線如圖1所示。

從表1可以看出，4個路段的級配比例均在規范要求的范圍內，且接近規范要求范圍內的中值。粒徑較大的骨料在級配曲線的上限，粒徑小的骨料在級配曲線的下限。粗細集料的設計比例分別為61%～62%和38%～39%，基本處于懸浮密實結構，不易產生離析，同時具有較大的密實度。最終以此設計作為工程實際使用。

4" "水泥穩定砂礫標準擊實試驗

4.1" " 試驗數據統計

取樣對水泥穩定砂礫進行重型擊實試驗和振動擊實試驗，其中重型擊實試驗結果如表2所示。試驗過程中，加水量達到6.0%時，試樣表面就有水會涌出，并有少量水泥漿從筒底流失。分析認為，這主要是由于砂礫的保水性相對較差，即含水量達到某個定值之后，砂礫就不能保存新加入的水量了。因此直到最終擊實試驗結束，試樣的含水量（烘干后）與加水量的偏差會較大。

從表2中還可以看出，含水量-干密度的曲線并不屬于凸型曲線，因此也無法確定最大干密度和最佳含水量。振動擊實的試驗結果整體一致，干密度的變化均隨著加水量增加而變大，但是振動擊實的含水量相對穩定，誤差在±0.5%以內。

4.2" " 確定水泥穩定砂礫最大干密度

查閱相關資料中有關砂礫的材料特性和擊實試驗數據，筆者認為，只有在砂礫飽水振動擊實試驗過程中對水泥的填充進行修正，才能提高最大干密度的準確性。

4.2.1" 水泥漿用量及水泥穩定砂礫最大干密度理論計算值

砂礫壓實之后仍然存在空隙，加入水泥漿可以填充砂礫之間的孔隙。最終混合料的總體積（V）由集料實體體積（Va）、水泥漿體積（Vc）及空隙（Vv）三部分組成。水泥的質量Mc具體計算公式為如下：

Mc=c·Ms/100" " " " " " " " " " " " " （1）

式中：c表示水泥劑量，Ms表示集料的質量。

混合料的干密度ρd的計算公式如下：

ρd=（Ms+cMs/100）/V=（100+c）Ms/100V" " "（2）

式中：V表示混合料總體積。

未添加水泥漿時飽水振動擊實砂礫干密度ρ'd的計算公式如下：

ρ'd=Ms/V" " " " " " " " " " " " " " " " （3）

則由于加入水泥后集料的總體積V 不變，則可推出砂礫最大干密度為：

ρd=[（100+c）ρ'd ]/100" " " " " " " " " " （4）

4.2.2" "確定用水量

很多學者認為，用砂礫材料擊實試驗計算方法求出的加水量相對偏小，對于砂礫飽水振動所需的加水量（Mw）可用下式計算：

Mw=Ms·ρw（1/ρ-1/ρa）" " " " " " " " （5）

式中：ρ表示集料的振實密度，Ms表示干試樣的質量，ρw表示水的密度，ρa表示集料合成表觀密度表觀密度。

4.2.3" "試驗結果分析

某高速路段采用該方法對砂礫進行飽水振動擊實試驗，且在試驗過程中對水泥的填充進行修正，以獲取相對準確的最大干密度。實際施工后，對完成的路段進行壓實度檢驗。

首先根據送檢的砂礫樣品進行篩分，然后再通過網籃法（4.75mm以上粒徑，質量占比51.1%）及容量瓶法（4.75mm以下粒徑，質量占比48.9%），測試出砂礫的表觀密度分別為2.63g/cm3和2.55g/cm3。再通過振動臺對砂礫進行3min的振動，測試其振實密度為2.08g/cm3。根據前文的計算公式可知：砂礫的合成表觀密度為2.59g/cm3。飽水振動擊實試驗中，集料樣品的質量準備取值為6000g，所以所需的加水量為568g。

正式試驗時，取兩個6000g重的砂礫樣品，均各加入568g的水并攪拌均勻。攪拌均勻后發現盆底還存在少量自由水，這說明前文中的預估加水量是合理的。然后用朔料袋套住盆子，并封存2h。再將兩份樣品倒入擊實筒中，振動擊實180s。最后測定出兩個試樣的含水率分別為5.24%和5.31%，干密度分別為2.205g/cm3和2.217g/cm33。從試驗結果可以看出，二者均滿足規范的要求。由此可以計算出砂礫的干密度為2.211g/cm3（未添加水泥），然后根據前文的水泥修正計算公式，可以計算出砂礫添加水泥后混合料的最大干密度為2.321g/cm3。

該施工路段碾壓完畢后，從路段中隨機抽取了12個點位去測試壓實度，根據12個點位的檢測結果和質量評定標準，計算出本路段的壓實度代表值為98.16%，由此證明該方法是真實有效的。

5" "結語

將此配合比設計應用本工程后，水泥摻入量按5%比例進行設計，通過不同的碾壓方案進行試驗檢測。分別進行混合料級配篩分檢測、離析程度檢測分析、裂縫檢測等，檢測結果均良好，足以說明此水泥穩定碎石基層的配合比設計是成功的。本文之所以提出砂礫飽水振動擊實試驗過程中，對水泥的填充進行修正，是因為現階段很多工程還是采用重型擊實，所獲得的最大干密度值相對較小，導致最終求得壓實度偏高。

參考文獻

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