水泥穩(wěn)定碎石斷級(jí)配組成的貝雷法設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

沈 凱，程 理

(1.昆山市鹿通路橋工程有限公司，江蘇 蘇州 215300；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 215123)

1 引 言

半剛性基層是我國(guó)公路及城市道路普遍采用的主要路面基層材料，其具有強(qiáng)度高、板體性好等優(yōu)點(diǎn)。水泥穩(wěn)定碎石具有較好的抗沖刷性、水穩(wěn)定性、抗凍性和抗疲勞性，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性，在半剛性基層材料中使用最為廣泛[1]。然而，隨著水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面的大量使用，逐步發(fā)現(xiàn)路面早期出現(xiàn)了比柔性基層瀝青路面多而頻繁的反射裂縫[2，3]。這不但造成巨額的維修成本，而且極大影響路面使用性能和行車安全。針對(duì)該問題國(guó)內(nèi)外學(xué)者從改性材料，外摻材料，級(jí)配等方面不斷提出改善水穩(wěn)碎石基層的抗開裂方法[4-6]。

在總結(jié)間斷級(jí)配設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，依據(jù)貝雷法分別確定了水穩(wěn)填充大粒徑碎石中大顆粒碎石的粒徑范圍和填充水穩(wěn)的最大公稱粒徑，依據(jù)主骨料空隙填充法得出了可由粗、細(xì)集料的振實(shí)密度確定二者的組成比例。采用以上方法對(duì)試驗(yàn)路段基層材料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，得到了合成級(jí)配與施工配合比。該試驗(yàn)段位于蘇州昆山市祖沖之路北路與雉城南路交界處，祖沖之路北路的主道路一側(cè)的支路段上，作為昆山市交通工程集團(tuán)有限公司關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)與材料抗裂技術(shù)應(yīng)用研究的研究路段。

2 組成設(shè)計(jì)思路

貝雷法是由美國(guó)伊利諾伊州運(yùn)輸部的Bailey首先提出較為完整的骨架密實(shí)型級(jí)配的設(shè)計(jì)思想，貝雷法將集料分為粗、細(xì)集料兩部分，粗集料用以形成骨架，提供主要強(qiáng)度。細(xì)集料用以填充粗集料產(chǎn)生的空隙，與水泥膠結(jié)提供次要強(qiáng)度。粗細(xì)集料根據(jù)集料的公稱最大粒徑劃分，可按照公式(1)確定

PCS/0.22NMPs

(1)

式中:PCS為第一控制篩孔尺寸；NMPS為公稱最大粒徑。

式中的系數(shù)與細(xì)集料的形狀有關(guān)，細(xì)集料全為圓形時(shí)，取0.15，粗集料全為方形時(shí)，取0.29，取值范圍在0.15～0.29之間，一般取0.22。

在確定粗細(xì)集料公稱最大粒徑劃分之后，確定粗、細(xì)集料各組分的密度，礦質(zhì)混合料的總重，根據(jù)各級(jí)粗集料體積與各級(jí)細(xì)集料體積之和為單位體積的原理，確定各集料的合成質(zhì)量百分比。之后根據(jù)粗集料中所含的部分細(xì)集料以及細(xì)集料中所含的部分粗集料，分別修正粗、細(xì)集料的質(zhì)量百分比。

最后貝雷法混合料的合成級(jí)配通過以下三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析與控制

(2)

(3)

(4)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，CA越大時(shí)，粗集料顆粒之間越不易嵌擠成型，施工難于壓實(shí)，CA越小，混合料越容易產(chǎn)生離析并難以壓實(shí)，一般CA在0.4～0.8之間而FAc和FAf一般要求小于0.5。[7]

按照傳統(tǒng)最大密度理論設(shè)計(jì)的混合料，其礦料級(jí)配組成往往過于密實(shí)，較粗的集料懸浮于較細(xì)的集料中，這種結(jié)構(gòu)主要依靠水泥水化產(chǎn)物膠聯(lián)作用形成強(qiáng)度；與之相比，按骨架密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)的混合料，突出了集料骨架的形成，粗顆粒間的接觸點(diǎn)增多，在外界荷載作用下，主要依靠集料間的內(nèi)摩阻力來傳遞荷載，具有更好的抗變形能力。另外，相比于連續(xù)級(jí)配，間斷級(jí)配由于剔除了某幾檔細(xì)集料，降低了對(duì)粗集料骨架形成的干涉效應(yīng)，因此本試驗(yàn)在進(jìn)行水穩(wěn)填充大粒徑碎石的組成設(shè)計(jì)時(shí)，采用間斷級(jí)配是更合理的選擇。

試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)思路如下：采用間斷級(jí)配，用大粒徑顆粒(26.5～31.5 mm)形成骨架，保證其充分接觸，是承載的主要框架;以不干擾大粒徑骨架形成為目標(biāo)，選擇較小公稱最大粒徑((參照貝雷法的標(biāo)準(zhǔn)，按0.22倍公稱最大粒徑控制，即4.75 mm)的混合料進(jìn)行填充，并與大粒徑粗集料一起形成間斷級(jí)配，其主要作用不是與粗顆粒形成板體，而是在大粒徑骨架間隙對(duì)大粒徑顆粒骨架起到支撐和側(cè)向限制作用；為保證填充材料側(cè)限作用，增加填充混合料的強(qiáng)度和形狀契合度，用水泥結(jié)合料穩(wěn)定，整體用于填充大粒徑顆粒骨架間空隙。

并且根據(jù)貝雷法細(xì)集料填充粗集料間隙的基本原理，從1/2最大公稱尺寸的篩孔到粗細(xì)料的分界篩孔之間(0.22～0.5D)這部分集料最容易對(duì)粗集料級(jí)配發(fā)生干涉，若該部分集料太多就會(huì)干涉粗集料的級(jí)配，特別多時(shí)其就會(huì)控制粗集料的級(jí)配,因此要限制其含量，即暫時(shí)剔除6.93～15.75 mm粒徑范圍內(nèi)的顆粒。

根據(jù)主骨料空隙填充法的指導(dǎo)思想，各級(jí)粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與細(xì)集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為百分之百，且各級(jí)粗集料體積與各級(jí)細(xì)集料體積之和為單位體積，并假設(shè)在水穩(wěn)填充大粒徑碎石攤鋪施工完成后，粗骨料空隙完全由細(xì)料水穩(wěn)填充滿，無(wú)需考慮空隙率。那么根據(jù)以上分析，水穩(wěn)填充大粒徑碎石振實(shí)狀態(tài)下，粗、細(xì)集料的質(zhì)量百分率與各密度參數(shù)間關(guān)系即遵循式5和式6的關(guān)系。這之后，就可以計(jì)算出粗細(xì)集料的質(zhì)量占比。

qc+qf=100

(5)

(6)

VCADRC=(1-ρc/ρb)×100

(7)

將公式(7)代入公式(5)和公式(6)，得到

(8)

qc=100-qf

(9)

式中：qc為粗集料的質(zhì)量百分率，%；qf為細(xì)集料的質(zhì)量百分率，%；ρc為粗集料的松方密度，g/cm3；qf為細(xì)集料的松方密度，g/cm3；ρ為粗集料細(xì)集料兩者混合振實(shí)時(shí)的松方密度，g/cm3；為振實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率，%；ρb為粗集料的毛體積密度，g/cm3。

3 原材料

3.1 試驗(yàn)用料

本次試驗(yàn)中采用粗細(xì)集料取自蘇州昆山的鹿通路橋大眾拌合站的水穩(wěn)拌合材料，粗集料為公稱最大粒徑26.5 mm的G7規(guī)格粗集料。依據(jù)貝雷法確定細(xì)集料為公稱最大粒徑為9.5 mm的G10規(guī)格粗集料和公稱最大粒徑為4.75 mm的XG3規(guī)格細(xì)集料。水泥采用普通硅酸鹽水泥P·O 42.5。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

振動(dòng)壓實(shí)成型的試件顆粒堆積更為緊密，在壓實(shí)度上高于靜壓成型的試件，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)的大粒徑水穩(wěn)碎石，其強(qiáng)度大部分由粗集料形成的骨架提供強(qiáng)度，而振動(dòng)成型的高壓實(shí)度相比于靜壓成型更能保證骨架成型，所以在配合比初步設(shè)計(jì)階段，首先進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)成型，進(jìn)行橫向的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度，優(yōu)選各個(gè)組分的最佳占比。而在之后的級(jí)配調(diào)整和強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行靜壓成型試件，滿足規(guī)范的要求也同時(shí)對(duì)應(yīng)生產(chǎn)中的常規(guī)方式。

按照主骨料空隙填充法計(jì)算得出填充用水穩(wěn)碎石的質(zhì)量比例應(yīng)不大于45.2%，粗細(xì)配合比設(shè)為粗集料：細(xì)集料初步質(zhì)量比設(shè)為55∶45左右。按照最大干密度與最佳含水率試驗(yàn)得出最佳含水率應(yīng)為5.4%。

分別對(duì)粗細(xì)集料質(zhì)量比為60∶40，55∶45，50∶50，45∶55，含水量為3.3%、3.9%、4.5%、4.7%、5.4%，水泥劑量為3.5%的水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行振動(dòng)成型，通過比對(duì)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，優(yōu)選各個(gè)組分的最佳占比。

由表1可知，粗細(xì)集料質(zhì)量比為55∶45，含水量為4.5%為最佳的配合比

表1 粗細(xì)集料占比、水泥劑量、含水量及7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.3 級(jí)配調(diào)整

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中混合料設(shè)計(jì)組成中的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石推薦的級(jí)配范圍，設(shè)計(jì)靜壓成型試件的粗細(xì)集料比例。

以間斷級(jí)配為目的，靜壓成型的一種方案以只用粗細(xì)集料這兩檔材料來成型，即G7，XG3集料作為被穩(wěn)定材料。

對(duì)于第一種方案，只使用G7，XG3兩種規(guī)格的粗細(xì)集料可以保證不存在0.22D～0.5D粒徑的集料，使這部分規(guī)格的粗集料無(wú)法干涉粗集料骨架的形成。但根據(jù)貝雷法混合料的合成級(jí)配控制參數(shù)要求計(jì)算可得粗集料比CA等于0，對(duì)于施工而言極易導(dǎo)致離析的現(xiàn)象產(chǎn)生，不符合參數(shù)控制的要求。配合以粒徑稍大的細(xì)集料來提高粗細(xì)集料的粘結(jié)不僅可以提高強(qiáng)度，并且隨著充填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，也可以使料漿離析率減小[8，9]。

所以為防止施工中出現(xiàn)離析現(xiàn)象，靜壓成型的第二種方案以用粗細(xì)集料來成型，但細(xì)集料用以4.75 mm粒徑的集料為主，9.5 mm粒徑的集料為輔來成型試件，即G7，G10，XG3作為被穩(wěn)定材料。

以《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)中的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石推薦的一組針對(duì)高速公路與一級(jí)公路的級(jí)配C-B-1作為參考，為滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)推薦級(jí)配C-B-1中0～4.75 mm篩孔尺寸的級(jí)配范圍要求，并保證合成級(jí)配參數(shù)CA滿足貝雷法混合料的參數(shù)要求。經(jīng)計(jì)算得，G10質(zhì)量占比為18%，GX3質(zhì)量占比為27%。此時(shí)的粗集料比CA等于0.25,接近合成級(jí)配參數(shù)控制的要求。

如表2所示，配合比A是以26.5 mm粒徑粗集料與4.75 mm粒徑的細(xì)集料組成的間斷級(jí)配配合比，配合比B是以26.5 mm粒徑粗集料，以及將細(xì)集料部分從原本4.75 mm粒徑的單一檔料優(yōu)化為兩部分檔料構(gòu)成9.5 mm粒徑細(xì)集料所組成的間斷級(jí)配配合比，級(jí)配曲線如圖1所示。由圖1可知，在粒徑的9.5 mm以下的集料中，配合比B基本滿足在規(guī)范推薦的針對(duì)高速公路與一級(jí)公路的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的級(jí)配C-B-1，在設(shè)計(jì)階段就充分考慮施工的和易性，以保證間斷級(jí)配集料的流動(dòng)性、粘聚性及保水性，防止在施工過程中出現(xiàn)離析的現(xiàn)象。

表2 配合比設(shè)計(jì)方案的級(jí)配

圖1 配合比設(shè)計(jì)方案的級(jí)配曲線圖

4 水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度試驗(yàn)

按照表1的配合比方案分別對(duì)粗細(xì)集料質(zhì)量比為60∶40，55∶45，55∶18∶27，含水量為5.5%、4.5%，水泥劑量為4.5%、6%的水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行靜壓成型制備試件，通過比對(duì)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，優(yōu)選各個(gè)組分的最佳占比。

由表3可知，粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%最佳，對(duì)于細(xì)集料，使用兩檔的集料相比于使用一檔的集料，試件的強(qiáng)度有了明顯的提高，達(dá)到滿足規(guī)范要求的4 MPa的靜壓成型7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的條件。在僅使用一檔細(xì)集料的條件下，將水泥劑量提高到6%也可以使7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求。

由表4可知，粗細(xì)集料質(zhì)量為55∶45，水泥劑量4.5%，含水率5.5%基本可以滿足要求，水泥強(qiáng)度配合比4與配合比5為強(qiáng)度較高比較合適選定的設(shè)計(jì)配合比。

表3 靜壓成型配合比設(shè)計(jì)方案

表4 靜壓成型試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表5 靜壓成型試件90 d室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)段應(yīng)用實(shí)例

試驗(yàn)段長(zhǎng)100 m，位于蘇州昆山市祖沖之路北路與雉城南路交界處，祖沖之路北路的主道路一側(cè)的支路段上，試驗(yàn)段采用配合比5的水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料作為基層材料。

試驗(yàn)段施工完畢后進(jìn)行養(yǎng)生環(huán)節(jié)，使用土工布進(jìn)行覆蓋補(bǔ)水養(yǎng)生。由于水泥的水化作用以及早晚溫度變化等因素的影響，普通水穩(wěn)碎石材料會(huì)在養(yǎng)生階段以及養(yǎng)生完畢后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溫縮、干縮開裂，在表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。與普通水穩(wěn)碎石基層材料對(duì)比，在試驗(yàn)段的養(yǎng)生階段以及之后的一段時(shí)間內(nèi)，基層材料并沒有出現(xiàn)表面開裂的現(xiàn)象。對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行多次鉆心取樣，芯樣也沒有出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

試驗(yàn)段采用了水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料作為基層材料，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料因主骨料形成框架緊密嵌擠，形成具有較好內(nèi)摩阻力的框架結(jié)構(gòu)和細(xì)水穩(wěn)填充主骨架空隙，形成密實(shí)的混合料結(jié)構(gòu)，較好解決了瀝青碎石承載力不足引起的不均勻網(wǎng)裂、渠化和水泥穩(wěn)定材料的縮裂問題。具有強(qiáng)度高、抗縮裂、不需封閉交通、對(duì)機(jī)械設(shè)備要求不高，工藝簡(jiǎn)單、工程造價(jià)相對(duì)較低等特點(diǎn)。

6 結(jié) 論

(1)使用貝雷法設(shè)計(jì)確定了一種間斷級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石材料的配合比。G7規(guī)格粗集料質(zhì)量占比55%，G10規(guī)格粗集料質(zhì)量占比18%，XG3規(guī)格細(xì)集料質(zhì)量占比27%，水泥劑量4.5%，含水率5.5%。

(2)這種材料與骨架密實(shí)連續(xù)級(jí)配水穩(wěn)碎石在級(jí)配上相比，剔除了一部分干涉檔料，減小了干涉檔料對(duì)骨架形成的影響，更易形成骨架。強(qiáng)度相比也滿足要求，抗裂性能也更為優(yōu)越。