水泥穩定碎石施工延時試驗模擬分析

任雙宏，牛麗坤

（1.西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安710068；2.中鐵一局集團有限公司技術研發中心，陜西 西安710068)

0 引言

水泥穩定碎石作為一種常用的半剛性基層、底基層類型，具有強度較高、承載力大、水穩定性好等特點。近年來，水泥穩定碎石基層不僅成為高速公路路面基層、底基層的主要結構形式，更是被越來越廣泛地應用于市政道路建設中。水泥穩定碎石基層、底基層作為路面主要承重層，其施工質量對路面的使用性能和使用壽命都有十分重要的影響。對于水泥穩定碎石材料，由于水泥與集料遇水會產生凝結硬化作用，使得從加水拌和到碾壓終了的延遲時間對水泥穩定碎石混合料的強度和所能達到的干密度產生明顯的影響，從而直接影響到水泥穩定碎石基層、底基層的施工質量。因此，延遲時間成為影響水泥穩定碎石基層、底基層施工質量的關鍵控制要素。如果能模擬現場的實際情況進行室內試驗，確定其含水量、強度的變化規律，便可以減少試驗結果與實際的偏差，對施工質量管理更具有意義。本文對水泥穩定碎石作為西安地區某市政主干路底基層的受曬施工延時進行了試驗模擬分析。

1 試驗原材料

1.1 水泥

根據規范要求，用于水泥穩定類基層的水泥應選用初凝時間大于3h、終凝時間不小于6h 的42.5級普通硅酸鹽水泥。本次試驗選用商洛堯柏龍橋水泥有限公司生產的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，各項技術指標均滿足規范要求，見表1。

表1 水泥的各項技術指標

1.2 集料及級配

試驗用集料為藍田河馬道石料場的花崗巖，采用四種規格：19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、石屑。各項技術指標如表2所示。

表2 集料的各項技術指標

混合料級配采用符合《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》（CJJ 1—2008）中關于級配碎石作為城市主干路底基層的級配范圍要求。混合料級配組成具體見表3，級配曲線見圖1。

表3 混合料級配組成

表2（續）

圖1 水泥穩定碎石的級配曲線

2 試驗方法

考慮到施工時氣溫、空氣濕度等對施工質量會有較大的影響，根據西安地區的氣象資料，7月、8月是西安最熱的時候，白天室外氣溫在33～38℃，7月底的10多天會達到40℃左右，此段時間地表溫度在42～50℃。本次試驗即選在西安地區的最不利季節7月中旬以后進行。時間段選取在12：00—16：00之間，該段時間氣溫較高，光照強烈。

具體的試驗方案如下：根據以往西安地區采用水泥穩定碎石作為城市道路基層、底基層的經驗，本次試驗選定水泥劑量為3.5%，采用選定級配；按照《公路無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）進行擊實試驗，計算確定最佳含水量以及最大干密度，然后計算混合料的碎石、水泥以及水的用量；采用實驗室專用攪拌機進行拌和，將拌和好的混合料堆放攤鋪在室外硬塑料板上，用溫度計以及測溫槍分別測出室外氣溫以及室外地表溫度；攤鋪厚度按照本次設計道路底基層的厚度30cm 考慮；然后在混合料受曬1h、受曬2h、受曬3h后分別測量其含水量以及最大干密度。

根據以上試驗設計，按照標準成型、受曬1h、受曬1h 加水1%、受曬1h 加水2%、受曬2h、受曬2h加水1%、受曬2h加水2%、受曬3h、受曬3h 時加水1%、受曬3h 加水2%等9 種情況，以最大干密度、最佳含水量在壓實度為97%的條件下成型試件（每種情況平行試件9 個），試件為Φ 150mm×150mm 圓柱體試件，將成型好的試件放在標準養護室養生7d，養護溫度為20℃±2℃，相對濕度為95%，在養生的最后1d（第7d）將試件泡水，水的深度應使水面在試件頂上約2.5cm，浸水的水溫與養護溫度相同。最后測出以上9種情況下試件的7d 無側限抗壓強度。本次設計水泥穩定碎石作為主干路底基層，其7d 浸水無側限抗壓強度不小于2.5MPa。

3 試驗結果

3.1 最佳含水量及最大干密度

本次選定水泥劑量為3.5%，采用選定級配后按照含水率為3.5%、4.6%、5.2%、6.2%分別進行擊實試驗，得到的最大干密度如表4所示。

表4 不同含水量擊實所得最大干密度

擊實曲線經二次多項式擬合，計算得到最佳含水量為5.38%，最大干密度為2.340g/cm3，如圖2所示。

圖2 水泥劑量為3.5%的標準擊實試驗

3.2 受曬延時后的含水量以及最大干密度

按標準擊實試驗所得最佳含水量及最大干密度計算每組9 個試件的碎石、水泥用量及用水量，然后將拌和好的混合料放在陽光下，混合料的受曬按照之前設計試驗要求在12：00—16：00 之間進行，該時間段溫度為33～37℃。然后采用酒精燃燒法分別測量混合料受曬1h、受曬2h、受曬3h 后的含水量以及最大干密度，見表5。

表5 不同條件下混合料的含水量及最大干密度（平均）

水泥穩定碎石混合料加水拌和后，隨延時時間增加，一部份水參與水泥水化反應，另一部份水蒸發損失。根據以上試驗數據可以看出，混合料曬干延時后，混合料的水分損失大概為0.65%/h。另外，受曬延時后最大干密度會有所下降。根據以上試驗數據可以看出，混合料每延曬1h，最大干密度會下降約0.03g/cm3。從試驗過程可以看出，受曬延時后混凝土的和易性明顯降低。試驗過程中得知，受曬延時1h 后，混合料可塑性就有明顯下降，表現為難以拌和成型，這樣試件強度變異性會增大。

根據以上試驗得出每種情況下混合料的最大干密度，最佳含水量均取5.38%，然后再分別加入占混合料重量1%、2%的水，以壓實度97%成型試件。

3.3 7d浸水無側限抗壓強度

按照之前設計的試驗要求，將成型好的試件放在標準養護室養生7d，養護溫度為20℃±2℃，相對濕度為95%，在養生的最后1d（第7d）將試件泡水，水的深度應使水面在試件頂上約2.5cm，浸水的水溫與養護溫度相同。本次設計水泥穩碎石作為主干路底基層，其7d 浸水無側限抗壓強度不小于2.5MPa。試件的7d 無側限抗壓強度試驗結果見表6。

表6 7d無側限抗壓強度試驗結果

表6（續）

根據以上試驗數據，對水泥穩定碎石7d浸水無側限抗壓強度進行分析。將不同試驗方法所得強度結果繪制成圖，如圖3所示。

圖3 不同試驗方法的強度分布曲線

從圖3 可以看出，受曬延時2h 以內，7d 無側限抗壓強度均能滿足設計要求，再添加1%、2%的水并不明顯影響混合料強度。受曬延時3h 以后，圖3中設計強度曲線在平均強度曲線上方，說明混合料強度變異增大，平均強度低于設計強度要求。從試驗過程可知，水的加入雖然能增加和易性，但混合料中的水泥漿與細料受曬時形成顆粒并失去大量可塑性，不能很好起到包裹粗集料形成聯結強度的作用，相反延時后，靜壓成型試件時，破壞了水泥已經形成的膠結作用，導致強度降低。

再將標準成型試件不受曬時的平均強度及受曬延時1～3h的平均強度值連成曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，由于受曬時溫度高，加快了水泥反應，延時1h、2h 強度會略有提高，但延時超過2h以后，強度明顯下降。

圖4 延時時間和強度的關系

4 結論

通過以上的試驗分析，可以得到以下結論：水泥穩定碎石混合料從加水起應在2h 內完成攤鋪碾壓成型，超過2h 混合料強度將得不到保證。由于本試驗采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，試驗測得水泥的初凝時間為226s，所以也可以判定由于水泥等膠凝材料，要求水泥穩定碎石施工要在水泥初凝前完成；若延遲時間過長，大于水泥的初凝時間，則碾壓時會破壞已形成的水泥膠體，額外耗費壓實功，影響壓實度，而且已形成的水泥膠結體被破壞后就再不能發揮其膠凝作用，從而造成強度損失。

為了保證水泥穩定碎石施工質量，結合以上試驗結果，提出如下建議：

（1）施工中要求加強施工組織設計和計劃治理，增加現場施工人員的緊迫感和責任感，加快施工進度，加大機械化施工程度，提高機械效率，一般情況下要保證水泥穩定碎石混合料自加水起2h內完成攤鋪碾壓成型；

（2）目前水泥穩定碎石用于城市道路建設一般均采用集中廠拌，設計時可綜合考慮運輸距離等因素，盡量采用初凝時間相對較長的緩凝水泥或通過試驗加入適當的緩凝劑；

（3）在一定的水泥種類和級配前提下，影響水泥穩定碎石最大延遲控制時間和強度的主要因素是含水量和溫度，實際施工過程中，混合料含水量（失水量）的影響更大，溫度通過影響含水量（失水量）而起作用，在水泥穩定碎石實際施工過程中應建議根據不同的水泥、級配以及施工季節的溫度等因素進行相應的試驗，以便更好地指導施工。

[1] CJJ 1—2008，城鎮道路工程施工與質量驗收規范[S].

[2] CJJ 169—2012，城鎮道路路面設計規范[S].

[3] JTG E51—2009，公路無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[4] 王卓婭，劉煒.水泥穩定碎石原材料分析與使用要求[J].遼寧省交通高等專科學校學報，2005（4）：18-20.

[5] 胡龍泉，蔣應軍，陳忠達.骨架密實型水泥穩定碎石路用性能[J].交通運輸工程學報，2001（4）：37-40.