水穩填充大粒徑碎石材料路用性能研究

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0060-04

Abstract：Cement-stabilizedmacadamwithlarge-particlesizecanefectivelyreduce temperatureshrinkageanddryshrinkage effcts and improve road service life. In this study，a 37.5mm single-particle coarse aggregate was selected for testing， and its compressivestrength，compresiveresiliencemodulus，flexuraltensilestrengthdryshrinkageandtemperatureshinkageproperties werecomparedwithconventionalwater-stablematerialspecimens，andthecrackingresistanceandmechanicalpropertiesof water-stable filled large-particle gravel were analyzed at different ages.

Keywords：cement-stabilizedmacadam withlarge-particlesize;reflectivecrack;rigidity;temperatureshrinkage;dryshrinkage

目前，我國高等級公路基層施工主要為水穩半剛性基層和瀝青柔性基層。瀝青穩定碎石等柔性基層材料由于其剛度相對較半剛性材料小，在應用于路面基層時，早期不容易產生收縮，不會因此形成反射裂縫。但其劣勢在于材料本身較軟剛性不足，路面易出現下沉、網裂現象，從而大大縮短了路面的使用壽命。同時柔性材料本身價格也比較高，在材料的經濟性上沒有優勢。半剛性基層材料由于剛度較大，并且造價較為低廉，目前在我國高等級公路施工中使用占比超80% ，但半剛性材料的主要問題在于在道路成型初期養護期受溫度和含水率影響大，易發生干縮、溫縮從而形成裂縫1，加之受到路面車輛荷載和氣溫的反作用，裂縫會向上擴散形成反射裂縫。

綜上所述，雖然半剛性基層材料有自己獨特的優勢，在我國公路建設中的使用比例較高，但是也存在諸多不足，如何提升基層材料的使用性能，同時兼顧材料經濟性是道路施工建設急需研究的課題。目前諸多學者對水穩填充大粒徑碎石材料的研究已經表明，大粒徑碎石材料應用于水穩基層中能有效兼顧半剛性材料的剛度優勢和柔性材料的柔軟優勢，減少路面裂縫的發生。陸長兵對比柔性材料和大粒徑碎石材料應用于水穩基層時的性能差異，分析大粒徑碎石材料應用在水穩基層中的相對優勢。在歐美國家中，如德國等地在道路基層鋪筑中使用天然的 75mm 大顆粒碎石，經過長時間的道路交付使用情況已經證明此種方式可以減少路面裂縫的產生，提高道路的使用壽命。李頔分析水穩填充大粒徑碎石材料的抗開裂機理，分析了路面開裂出現的影響因素，提出了水穩填充大粒徑材料在抗開裂上的優勢。

本研究選取 37.5mm 單一大粒徑碎石粗集料制備試件進行試驗，并與常規水穩材料對比，測試2種材料的抗壓強度、抗壓回彈模量、彎拉強度以及干縮和溫縮性能，分析不同齡期下的水穩填充大粒徑碎石的抵抗開裂效果和力學性能，為施工中水穩填充大粒徑碎石材料的應用提供參考。

原材料及混合料

水穩填充大粒徑碎石的材料主要有：水泥、粗集料、細集料、混合料和水等。

1.1 水泥性質

本次試驗選擇使用標號P.042.5的普通硅酸鹽水

泥，主要技術指標的試驗數據見表1。根據數據顯示，該水泥的相關指標滿足規范的要求。

1.2粗、細集料的基本性能

根據相關規定對大粒徑碎石材料進行檢測和篩分試驗。篩分的結果和相關技術指標詳見表2、表3。根據表內數據可以得知大粒徑碎石的公稱最大粒徑為 53mm 。粒徑范圍主要集中在 30～50mm 。根據現有的研究表明，單一粒徑碎石所形成的骨架擠嵌緊密，并且骨架形態更加均勻5，因此，選擇 37.5mm 單一粒徑碎石粗集料進行試驗。

試驗選擇粒徑范圍為 0～4.75mm 和 4.75～9.5m 的細集料。細集料篩分結果見表4，相關技術指標檢測見表5。

表6水穩填充大粒徑碎石材料級配比例

1.3 混合料

運用貝雷法理論進行配合比試驗得出理論配合比，然后通過振動擊實試驗進行配合比調整，得出試驗配合比。經驗證水泥最佳劑量為 5% ，各種規格集料級配比例見表6，用來作對比的常規水穩材料級配比例見表7。

2 試驗方法

依照前述確定的配合比數據進行試驗，對比常規水穩試件和水穩填充大粒徑碎石試件試驗數據，分析兩者的力學性能和收縮性能，得出水穩填充大粒徑碎石材料路用性能。

3 試驗結果分析

3.1 無側限抗壓強度分析

分別制作成型 Φ150mm×150mm 的圓柱形試件進行對比試驗，使用萬能試驗機以 1mm/min 的升降速率加壓。所得出的2種材料在不同養護齡期下的無側限抗壓強度數據如圖1所示。

根據圖1可以看出，2種材料強度均隨著齡期的增長而增強。具體來看，在齡期7＼～14d，2種材料的強度增長快速，隨后強度增速逐漸放緩。當齡期達到90d后，2種材料的強度達到最大值，維持在 8MPa 左右，并且趨于穩定。根據圖1可以看出，水穩填充大粒徑碎石材料強度始終小于常規水穩材料，但兩者強度差異并不大。根據有關規定對路面基層強度的指標要求，水穩填充大粒徑碎石材料可以達到重交通荷載要求的強度，可以用于高等級公路和一級公路基層施工。

3.2抗壓回彈模量分析

根據頂面法進行試驗，得出2種材料在不同齡期下的抗壓回彈模量數據，見表8。

根據表8可以看出，隨著齡期的增長，2種材料的抗壓回彈模量均呈上升趨勢。具體來看，常規水穩材料在7＼～28d天期間的抗壓回彈模量增長的幅度要大于其 28～90d 期間的增長幅度。水穩填充大粒徑碎石材料在7＼～28d期間的抗壓回彈模量增長幅度則相對高于其 28～90d 期間抗壓回彈模量的增長幅度。對比2種材料在相同齡期下的抗壓回彈模量可以看出，常規水穩材料的抗壓回彈模量始終高于水穩填充大粒徑碎石材料，其7、28、90d的抗壓回彈模量分別約為水穩填充大粒徑碎石材料的 2.5，2.6.2 倍。究其原因，主要是因為水穩填充大粒徑碎石材料中大粒徑碎石占比相對高，細集料相對較少的緣故造成抗壓回彈模量差異。但至90d齡期時，水穩填充大粒徑碎石材料的抗壓回彈模量基本可以達到常規水穩材料的 50% 左右，是具備較強剛性的，并且與常規水穩材料相比更有減輕應力變形阻止裂縫擴散的優勢

3.3 彎拉強度分析

彎拉強度試驗采取三分點加壓法進行，得出2種材料的彎拉強度數據見表9。

根據表9可以看出，水穩填充大粒徑碎石材料和常規水穩材料的彎拉強度隨齡期增長均呈上升趨勢。具體來看，水穩填充大粒徑碎石材料和常規水穩材料在 7～28d 期間的抗壓回彈模量增長的幅度均要大于28～90d 期間的增長幅度。2種材料在 7～28d 期間的彎拉強度增長幅度達到 70% 以上， 28～90d 期間的彎拉強度的增長幅度則放緩為 20% 以下。究其原因主要在于養生前期材料水化反應劇烈，快速凝結形成強度。后期隨時間推移，水化反應放緩，其強度形成則放緩。但是隨著材料水化反應結束，其強度趨于穩定，也

達到最大強度值。

對比2種材料在相同齡期下的彎拉可以看出，常規水穩材料的彎拉強度始終高于水穩填充大粒徑碎石材料。水穩填充大粒徑碎石材料在 7、28、90d 的彎拉強度分別約為常規水穩材料的 71%67%.72% 。主要是因為在擊實過程中形成了骨架結構，粗、細集料之間存在界面過渡區，該區域強度相對較低且黏結性差。當集料粒徑越大時，產生的過渡區面積也越大，造成過渡區承受荷載能力降低，從而造成彎拉強度的降低。

3.4 干縮分析

2種材料在不同齡期下的失水率、干縮應變和干縮系數的變化如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出，在失水率上，水穩填充大粒徑碎石材料始終低于常規水穩材料，主要由于水穩填充大粒徑碎石材料中細集料相對較少，大部分為大粒徑碎石材料，因此在強度形成過程中相比較于常規水穩材料對水分的需求量較少，并且材料本身含水量較低，故在同等條件水穩填充大粒徑碎石材料的水分流失較少。

由圖3可以看出，隨著齡期的增長，整體來看2種材料干縮應變的變化速率均呈現增長趨勢，并且前期增長較為迅速，到后期則增速逐漸放緩，直至達到穩定狀態。對比相同齡期下2種材料的干縮應變值可以得知，常規水穩材料始終高于水穩填充大粒徑碎石材料，并且隨著養護齡期的增長，2種材料的干縮應變值差距也逐漸擴大。這充分說明水穩填充大粒徑碎石材料較常規水穩材料有著更好的抵抗干縮的效果。將水穩填充大粒徑材料應用于基層可以有效減少基層內部的收縮應力，能有效防止干縮裂縫的形成和發展

為進一步分析2種材料的干縮狀態，整理繪制干縮系數變化折線圖如圖4所示。根據圖4的2條折線的趨勢可以看出，隨著養生時間的推移，2種材料的干縮系數變化幅度逐漸變緩，到 90d 養生結束時，2條干縮系數曲線趨近于平行，干縮系數達到恒定值。對比2種材料干縮系數變化的規律可以得出，常規水穩材料的干縮系數始終高于水穩填充大粒徑碎石材料，并且隨著時間的推移，這種差距越來越大。這充分說明在同等條件下，水穩填充大粒徑碎石材料比常規水穩材料可以更好地減少干縮變形的發生。因此水穩填充大粒徑碎石材料擁有更強抗十縮的性能，其用于基層施工時可以有效減少反射裂縫的形成

3.5 溫縮分析

采用儀表法進行溫縮試驗。2種材料的不同的養護齡期下的溫宿性能數據如圖5所示。

根據圖5的柱狀圖可以看出，以 0% 為界限，2種材料在高溫區和低溫區內的溫縮系數均隨著溫度降低而降低。當跨越 0% 界限時，2種材料的溫縮系數出現了明顯的增高，并且在 -10～0°C 的溫度區間，2種材料的溫縮系數均達到最高值。這說明該區間內2種材料均發生了較大的溫縮變化，這個區間里2種材料都容易發生溫縮開裂現象。但從整體來看，在同一個溫度區間內，常規水穩材料的溫縮系數均始終高于水穩填充大粒徑碎石材料，并且常規水穩材料在5個溫度區間內的溫縮系數最大值和最小值之間的差距比水穩填充大粒徑碎石材料溫縮系數最大值和最小值之差更大。這說明水穩填充大粒徑碎石材料相較于常規水穩材料擁有更好的抵抗因溫度變化而發生收縮變形的能力，能有效降低因溫縮導致的路面開裂病害出現的概率。

4結論

1）根據試驗數據可以看出，水穩填充大粒徑碎石材料試件的強度雖然小于常規水穩材料，但仍然可以滿足有關規范對特定路面基層強度的要求，并可以滿足重交通荷載的強度要求，可以用于高等級公路和一級公路基層施工。

2）雖然水穩填充大粒徑碎石材料的抗壓回彈模量始終低于常規水穩材料，但至 90d 齡期時，水穩填充大粒徑碎石材料的抗壓回彈模量也基本可以達到常規水穩材料的 50% 左右，同樣具備較強剛性，并且與常規水穩材料相比更具備減輕應力變形阻正裂縫擴散的優勢。

3）同一齡期下，水穩填充大粒徑碎石材料干縮系數和溫縮系數均小于常規水穩材料，這表明水穩填充大粒徑碎石材料比常規水穩材料更具備抵抗干縮變形和溫縮變形的能力，可以有效地減少因溫縮和干縮導致的道路變形和開裂。

參考文獻：

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