振動擊實試驗下水穩基層材料性能指標分析

汪 勝，郝冠軍，屈允永

（1.中交公路規劃設計院有限公司市政事業部，北京 100088；2.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司路面技術研究所，江蘇南京 210000；3.交通運輸部公路科學研究院公路工程研究中心，北京 100088）

水泥穩定類基層作為一種性能良好的半剛性材料［1］，在公路上得到廣泛的應用，其中水泥穩定碎石結構靠粗骨料的嵌擠和砂漿的填充粘結形成強度［2］。前7d水穩基層的強度增長較快，其原因是水泥砂漿強度以及水泥砂漿與粗骨料粘結強度的形成。只有改變水泥劑量或者用水量，才能改變水泥砂漿自身以及它與粗骨料的粘結強度，從而改變水穩層的抗壓強度。

半剛性基層的主要破壞形式為彎拉疲勞破壞［3］，而水穩層的彎拉強度是決定道路質量的重要指標，水穩層的抗壓強度和彎拉強度有很好的相關性，因此，提高水穩層的抗壓強度對于提高道路的質量尤為重要［4］。施工中，將最佳含水量和最大干密度作為控制指標，而最大干密度未必和最大抗壓強度對應同一個最佳含水量。對于不同級配的水泥穩定類材料，含水量和干密度的曲線規律也不完全相同［5－6］。室內多以振動擊實試驗成型水泥穩定類混合料。本研究擬進行2種類型振動擊實試驗：水泥穩定類混合料含水量與干密度的關系；水泥穩定碎石混合料含水量和干密度與抗壓強度的關系。

1 試驗原材料

水泥穩定混合料的強度直接影響水泥穩定碎石基層的強度，而組成混合料的各種材料的性質對混合料的強度有直接的影響［7－8］。組成水泥穩定碎石混合料的原材料主要有水泥、碎石及石屑。

1）水泥

采用P.O.42.5級水泥，主要技術指標，見表1。

表1 水泥的技術指標檢測結果Table 1 Technical indicators of the cement

2）碎石和石屑

采用石灰巖作為集料，其粒徑依次為（0，5），［5，10），［10，20），［20，30）mm。采用石屑作為細集料。

壓碎值的大小直接影響基層強度，是衡量集料力學物理力學性質的重要指標。集料壓碎值為10%，滿足公路路面基層施工技術規范要求。高速公路和一級公路的集料壓碎值不得大于30%［9］。

2 試驗配比

作者擬選取同一集料配合比的混合料，研究6種不同的含水量條件下抗壓強度與含水量和干密度的關系；水泥穩定類混合料的強度影響因素除本身材料的性質外，還有水泥穩定類混合料的配比，包括集料級配、含水量及水泥劑量。

表2 水泥穩定碎石試驗配比Table 2 Experiment with the ratio of cement－stabilized crushed stone

表3 水泥穩定石屑試驗配比Table 3 Experiment with the ratio of cement－stabilized stone chips

3 試驗結果分析

1）水泥穩定類混合料最佳含水量試驗的分析

水泥穩定碎石和石屑混合料干密度與含水量的關系分別如圖1，2所示。從圖1，2中可以看出，水泥穩定類混合料在不同含水量下有不同的干密度。水泥穩定碎石混合料的最佳含水量為5.06%，對應的最大干密度為2.5g／cm3；水泥穩定石屑混合料的最佳含水量為4.52%～4.98%，對應的最大干密度為2.35g／cm3。水泥穩定碎石的最大干密度要大于水泥穩定石屑的最大干密度。水泥穩定碎石混合料的干密度曲線的峰值較水泥穩定石屑混合料的干密度曲線的峰值明顯。這表明水泥穩定石屑的含水量在最佳含水量附近變化時，水泥穩定石屑的干密度不會有太大的波動。在工程施工過程中，水泥穩定石屑的含水量更容易控制。

圖1 水泥穩定碎石混合料干密度與含水量的關系Fig.1 Relationship between dry density and water content in the cement－stabilized crushed stone mixtures

圖2 水泥穩定石屑混合料干密度與含水量的關系Fig.2 Relationship between dry density and water content in the cement－stabilized chipping mixtures

2）水泥穩定碎石混合料抗壓強度與含水量的關系

水泥穩定碎石混合料抗壓強度與含水量的關系如圖3所示。從圖3中可以看出，水泥穩定碎石混合料的抗壓強度在含水量小于4%時，隨著含水量的增加而增大。含水量在4%～6%范圍內，水泥穩定碎石混合料的抗壓強度的變化很小，保持在最大值附近。含水量大于6%時，水泥穩定碎石混合料的抗壓強度隨著含水量的增加而減小。其規律與水泥穩定碎石干密度和含水量的關系有些類似，但是，水泥穩定碎石最大抗壓強度不是一個波峰而是一個區間，所對應的含水量是一個范圍。施工中水泥穩定碎石最佳壓實效果指的是最大干密度。

圖3 水泥穩定碎石混合料抗壓強度與含水量的關系Fig.3 Relationship between the compressive strength and water content in the cement－stabilized gravel mixtures

3）水泥穩定碎石混合料抗壓強度與干密度的關系

水泥穩定碎石混合料抗壓強度與干密度的關系如圖4所示。從圖4中可以看出，干密度小于2.37g／cm3時，水泥穩定碎石混合料的抗壓強度隨著干密度的增加而增大。當干密度在2.37～2.45g／cm3時，水泥穩定碎石混合料的抗壓強度保持不變。當干密度為2.47g／cm3時，水泥穩定碎石混合料的抗壓強度急劇減小。當干密度大于2.47g／cm3時水泥穩定碎石混合料的抗壓強度又隨著干密度的增加而增大。作者認為：試驗樣本的數量較少及試驗中的誤差問題，并不影響試驗的總體規律；由于水泥穩定碎石結構靠粗骨料的嵌擠和砂漿的填充粘結形成強度，干密度較小時，隨著干密度的增加，粗骨料的嵌擠效果逐漸變好，通過振動擊實成型的混合料的抗壓強度逐漸變大。當粗骨料的嵌擠效果達到最好時，混合料的抗壓強度不再變化。干密度達到一定值時，抗壓強度急劇減小，此時對應的含水量最大，水泥砂漿的強度以及水泥砂漿與粗骨料的粘結強度較小，因此具備較小的抗壓強度。當干密度繼續增加時，粗骨料的嵌擠達到最好，此時水泥砂漿的強度以及水泥砂漿與粗骨料的粘結強度逐漸變大，抗壓強度逐漸變大。

圖4 水泥穩定碎石混合料抗壓強度與干密度的關系Fig.4 Relationship between the compressive strength and dry density in the cement－stabilized gravel mixture

4 結論

1）水泥穩定碎石混合料的最大干密度處是一個波峰，水泥穩定石屑混合料的最大干密度對應的含水量是一個區間。

2）水泥穩定碎石混合料的最大抗壓強度對應的含水量是一個區間。施工中水泥穩定碎石最佳壓實效果指的是最大干密度，只對應一個最佳含水量，而不是指的最大抗壓強度。

3）水泥穩定碎石混合料結構靠粗骨料的嵌擠和砂漿的填充粘結形成強度，因此，只有在粗骨料的嵌擠效果達到最佳，砂漿強度和砂漿與粗骨料的粘結強度都達到最佳時，混合料才具備最大的抗壓強度。

（References）：

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［3］賈侃.半剛性基層材料的疲勞特性研究［D］.西安：長安大學，2008.（JIA Kan.Study on fatigue properties of semi－rigid materials［D］.Xi’an：Chang’an University，2008.（in Chinese））

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［8］吳渝玲.孔隙率對瀝青混合料水穩定性影響研究［J］.公路工程，2014，39（5）：202－269.（YU Yu－ling.Porosity of the asphalt mixture water stability impact study［J］.Highway Engineering，2014，39（5）：266－269.（in Chinese））

［9］李福普，沈金安.JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術規范實施手冊［M］.北京：人民交通出版社，2004.（LI Fu－pu，SHEN Jin－an.JTG F40－2004，Asphalt pavement construction specifications［M］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese））