淺談骨架密實型水穩基層特性及配合比設計

李 井

1 水泥穩定碎石的材料特性及裂縫成因

半剛性基層主要是水泥處治的復合材料，即如水泥穩定碎石、水泥石灰二灰碎石等。其基本特征是結構強度高，抗變形能力較弱且不確定性。對半剛性材料特性起決定性作用主要包括集料顆粒形狀，表面結構和顆粒級配等可靠的“集料認同特性”。因此集料總體要求是:應采用抗沖刷性能好，干縮系數與溫縮系數小和抗拉強度高。水泥穩定碎石基層，同二灰碎石一樣，最大的通病就是收縮開裂。

水穩基層的溫縮、干縮開裂，是引起路面反射裂縫的主要原因。基層開裂，在擴展至道路表面之前是不可見的。一般表現過程是:起初大多出現于結構兩側，逐漸發展而呈現出近于垂直道路中線且貫穿路幅寬度的橫向裂縫，有時也有少量支縫。裂縫寬度肉眼可見，約1mm～2mm。根據裂縫均有上寬下窄的共同特點和裂縫間距大小不盡等同，但一般每隔一定距離，便產生一道裂縫的比較規則現象，可以判定是屬于非荷載型裂縫。這種非荷載型裂縫，潛在著向路面反射會致使面層開裂之隱性危害，在路面結構中，稱為基層反射裂縫。概括的說，基層反射裂縫是指半剛性基層先于瀝青面層開裂，隨后在荷載應力和溫度應力的共同作用下，在基層開裂處相對應的面層底部，即產生應力集中而導致面層底部開裂，爾后逐漸向上擴張而使裂縫貫穿。面層呈現的裂縫寬度約在0.1mm～2mm之間，若是裂縫暴露時間過長，寬度達到3mm～4mm的也有。

2 骨架密實水泥穩定碎石的結構及適用條件

劃分基層主要根據集料級配和混合料的結構形態，以篩孔尺寸4.75mm為粗、細集料的分界粒徑，按4.75mm以上的粗集料經壓實后，顆粒間空隙與壓實后起填充作用的小于4.75mm的細集料體積之間關系來確定。骨架密實型混合料中，細集料的壓實度體積應“臨界”于粗集料形成的空隙體積，粗集料在壓實混合料中有一定“骨架作用”。這種混合料因為斷去(或缺少)了中間一個或兩個檔次粒徑，所得到的級配曲線是近似S狀態的彎折曲線，具有間斷級配性質。在級配上，骨架密實型4.75mm通過量僅占集料總量的1/4～1/3，不像懸浮密實型4.75mm通過量占集料總量的1/3～1/2。顯然骨架密實型的粗集料相對較多，細集料相對較少，則既有較多數量的粗集料可形成骨架，又有相當數量的細集料可填充骨架的空隙，但非非常飽滿致密程度。根據相關研究表明:在水泥劑量、養生條件相同時，骨架密實型的抗壓強度、抗壓回彈模量、劈裂強度、抗折強度及抗折回彈模量在三種水穩類型中綜合表現評價是最好的，且骨架密實型的平均溫縮系數、平均干縮系數小于懸浮密實型，骨架空隙的兩種收縮系數最小。骨架密實型水泥穩定基層主要使用在一級公路以上的基層或上基層宜適用骨架密實型混合料。

3 骨架密實型水泥穩定碎石集料的最大粒徑及級配范圍

JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范中骨架密實型水泥穩定類級配見表1，不同類型水泥穩定碎石的集料級配見表2。

表1 骨架密實型水泥穩定類級配

表2 不同類型水泥穩定碎石的集料級配

4 骨架密實型水泥穩定碎石基層的實施運用

水泥穩定碎石基層的集料級配，基本上都是按最大密實原理設計的連續級配，也是最為傳統的連續密實級配，但是級配曲線并非非常致密的所謂曲線指數n=0.3～0.5的，在最大粒徑為D的集料中，其篩孔d的通過率ρ(%)=(d/D)n的冪式級配曲線，或者其他類似接近橢圓形、拋物線形等連續密實級配的理想級配曲線。到后來，對2.36mm以下的細集料含量，尤其是0.075mm以下的細料含量的限制提高，連續級配相應得到改良，但均屬于懸浮密實型基層材料。

早期施工的水泥穩定碎石基層，由于細顆粒部分較多，粗集料已經很難形成嵌擠，基層的強度主要依靠無機結合料的劑量。有人認為水泥越多越好(只控制最低劑量，不控制最高劑量，甚至水泥劑量超過5.5%～6%)，強度越高越好，這使半剛性基層強度相應提高，但脆性也相應增大，結果產生收縮開裂及引起反射性裂縫。并通過裂縫反射到路面，成為瀝青面層的水害破壞的重要原因。

工程實踐證明，隨著混合料中4.75mm，2.36mm 和0.075mm的通過量減少，尤其是0.075mm的通過量減少，增加粗粒料用量，對抗裂和抗沖刷性能明顯提高。

5 必須注重集料級配和混合料配合比控制

骨架密實狀態是否形成是混合料組成的關鍵。必須根據具體級配和混合料配合比進行檢驗。

1)集料級配必須符合“骨架密實型”級配范圍。

在混合料級配合成中須把握好粗、細集料合成曲線上的9.5mm，4.75mm，2.36mm 和 0.075mm 等幾個起控制作用的關鍵點通過率。若當其中任何一個點波動變化，則拉動著整個級配的波動變化。集料最大粒徑以31.5mm為佳。

2)骨架密實型混合料組成設計。

確定骨架密實狀態的基本方法，是在確定級配試驗時，應先將粗集料分成2檔～3檔，通過表面振動壓實的方法，逐級填充，并計算振動密實度和空隙率，直到找到振實密度最大的粗集料組成，在此基礎上用體積法計算確定細集料與結合料的壓實體積和重量，從而確定細集料的組成和結合料的比例。

實際設計混合料組成的基本步驟:集料最大粒徑為31.5mm，分為1號16mm ～31.5mm，2號 4.75mm ～16mm，3號 0mm ～4.75mm三種規格，根據各號料的篩孔通過百分率，按照合成級配規范要求，得出每種規格比例通過百分率，繪制級配圖。完成集料合成計算;再根據設計水泥劑量，如水泥劑量為5.5%的基層，可按照4%，4.5%，5%，5.55%，6%水泥劑量進行擊實試驗，確定各種混合料的最佳含水量和最大干密度;按照設計規定的壓實度，分別計算不同的水泥劑量的試件干密度，但試件不應按擊實試驗所得的最大干密度制作，而是應按與規定的現場壓實度相應的干密度制作。

施工過程中，不宜一個配合比用到底，使用過程中，應對集料級配和混合料配合比進行校核檢驗，因粗細集料這類散粒材料的離散性、不均勻性因素，將直接影響到壓實度。壓實度的大小取決于實測的壓實度，同樣也與標準密實度的大小有關，如果標準密度值發生變化，則檢測的壓實度百分率就不準確，甚至誤判合格。

3)必須嚴格控制集料中小于0.075mm顆粒的含量。

級配標準要求通過0.075mm的含量不大于3%。小于0.075mm顆粒來源于顆粒上粘土涂覆和石料破碎作業形成的過分粉塵。試驗中，用濕篩法清除通過0.075mm的顆粒—粘土與脆弱顆粒或絮凝粘土、粉塵，均被歸類為含泥量。

含泥量過大，使混合料的水穩性不足，集料之間粘性差，若以團塊形式存在，其危害性更大:a.團塊在碾壓作用下，位于或臨近表面，易發生槽坑式損壞;b.團塊存在于混合料中，最終因干、濕作用被破碎而引起剝落、松散。

含泥量過大，對骨架密實型混合料來說，是一種擾亂因子:a.因小于0.075mm的顆粒，具有親水保水性，而額外耗用了水分其耗用量難定，使混合料最佳含水量遭受干擾;b.由于上述原因使混合料含水量控制較難，含水量多時“料濕”，碾壓易“反彈”，含水量少時“料干”，甚至有離析，壓實困難。0.075mm以下顆粒成分主要是絮凝粘土、礦料和粉塵，規范規定集料中不宜含有有塑性指數的土。含有塑性指數的土時，其收縮性大，反之，收縮性小。塑性指數(PI)是量度通過0.075mm篩孔材料的塑性程度，一般都有嚴格限制。對含泥量的有效控制，最好從石料場生產碎石集料源頭抓起。

骨架密實型水泥穩定碎石基層，自2000年起在河南、河北、山東等北方地區開始實施，近些年已陸續推廣到湖南、廣西、上海等南方省市。實踐證明，在路面工程施工中，按照骨架密實型集料級配要求，并努力控制好含水量等系列減少干燥收縮和溫度收縮的措施，使得路面的收縮開裂的反射裂縫有了明顯的減少，間距有了明顯的拉長。有些瀝青面層較厚的高速公路甚至幾乎很少發現反射裂縫。

［1］ JTJ 014-97，公路瀝青路面設計規范［S］.

［2］ JTJ 057-94，公路無機結合料穩定材料試驗規程［S］.

［3］ 張登良，鄭南翔.半剛性材料抗裂性能研究［D］.西安:長安大學，1988:30-40.

［4］ 張紅春.骨架密實路面理論及配套施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.