基于提高抗裂性能的水泥穩定碎石基層級配修正設計研究

章志明

摘要：為保證級配的連續性，在慣用的水泥穩定碎石級配組成設計的基礎上，從使用材料的實際特性出發，按控制空隙率法進行水泥穩定碎石配合比最佳組成設計，按該方法進行的配合比設計，較一般方法進行的水泥穩定碎石強度好、耐久性強，能減少或消除干溫縮裂縫的發生，該方法克服了目前常用的級配調整方法的不足。

關鍵詞：水泥穩定碎石；抗裂性能；密實級配；修正設計

前言

水泥穩定碎石由于其有強度高、穩定性好、剛度大等優點，在公路路面結構層中被廣泛應用。但如果由于材料配合比組成不當，不僅很難發揮水泥穩定碎石的優越性能，反而會導致水泥穩定碎石半剛性基層出現各種早期破壞，目前最主要的早期破壞是水泥穩定碎石出現干溫縮裂縫，導致瀝青路面使用壽命降低低，這是許多道路工程使用不久就出現的“通病”。實踐證明，要充分發揮水泥穩定碎石半剛性基層的優越性能，進行水泥穩定碎石級配最佳組成設計是關鍵。本文在水泥穩定碎石常用的級配組成的基礎上，采用空隙率法進行級配組成設計，很好地發揮了水泥穩定碎石的優越性能，減少了瀝青路面裂縫的發生。

1.基本原理

按控制空隙率法進行水泥穩定碎石級配組成設計的基本原理是，當半剛性基層材料的集料形成骨架，集料顆粒間所形成的空隙率用某個粒

徑以下的集料與水泥組成的膠結體填充，形成骨架密實結構。若膠結體含量過少，則不能形成密實骨架，穩定性差；若膠結體含量過多，不能完全形成骨架，不能很好發揮骨架密實穩定材料的抗裂性能。

2.組成設計公式的推導

2.1.集料參數公式

2.1.1.級配組合后的集料堆積密度和表觀相對密度

假設經過級配調整組合后的各種集料大于9.50mm的含量為Bni%，組合后的堆積密度pi（t/m3）和表觀相對密度ri（t/m3），則：

式中，Pni為各種集料大于9.50mm的堆積密度，Rni為各種集料大于9.50mm的表觀相對密度，n為集料代號。

2.1.2.粗集料的空隙率

已知pi（t/m3）、ri（t/m3）后，根據下式可以計算大于9.50mm的集料的空隙率m：

2.2.膠結體參數公式

已知空隙率m、標準擊實試驗得到的9.50mm以下顆粒的最大干密度P時，可以根據下式計算以大于9.50mm的集料為骨架的單位體積實體中需要9.50mm以下顆粒的含量Q（t）：

2.3.不同集料的合成密度β

2.4.級配修正參數

假設水泥穩定碎石級配由A、B、C、D四種不同規格的集料組成，其中9.50mm以下顆粒存在于C、D中，組成含量分別為AH%、BH%、CH%、DH%，在修正過程中假設A、B、C、D四種材料的組成比例不變，修正的C、D組成含量，方法如下：

（1）按常用級配調整后的C、D比例，將C、D按比例CH：DH與要求的水泥含量組成水泥石混合料，通過標準擊實確定水泥石的最大干密度P和最佳含水量w；

（2）按AH、BH的比例初配A、B混合料Vcm3，V滿足標準擊實所需要的最小體積，通過上述公式求出體積V實體中9.50mm以下顆粒含量Q；

（3）做A、B與9.50mm以下顆粒組成混合料的標準擊實試驗，求最大干密度η、最佳含水量ω；

（4）單位體積實體中A、B含量AH、BH：

（5）在保持C、D原有比例CH：DH不變的情況下，根據下列公式進行單位體積實體中C、D含量修正，求CH、DH：

（6）計算水泥穩定碎石中碎石組成百分含量AH%、BH%、CH%、DH%：

（7）將計算的碎石組成含量代人原級配組合調整曲線重新進行曲線調整；

（8）按規定的水泥劑量和修正后的級配組成進行水泥穩定碎石的標準試驗，含標準擊實試驗、無側限強度試驗等。

3.應用實例

某一級公路改擴建工程，全長27.8km，瀝青混凝土路面結構采用18cm2.5%水泥穩定碎石底基層+36cm4.5%水泥穩定碎石基層+7cmAC-25C瀝青混凝土+6cmAC-20C瀝青混凝土+4cmAC-13C瀝青混凝土，水泥穩定碎石基層擬采用的級配（方孔篩）如下表1。

為提高水泥穩定碎石基層的抗裂能力，在按提供的級配進行級配設計的基礎上，對組成材料的含量進行了優化。

3.1.修正前的集料組成

本次采用A：10-30mm、B：10-20mm、C：5-10mm、D：0-5mm四種不同規格的集料，修正前的組成含量為：AH=20%、BH=35%、CH=25%、DH=20%，A集料與B集料的堆積密度分別是1.52t/m3、1.46t/m3，表觀密度分別是2.61t/m3、2.62t/m3；C與D按比例組成的混合料的最大干密度P=2.360t/m3，A、B、C、D組成混合料的最大干密度η=2.365t/m3。修正前的級配曲線圖如下圖1。

3.2.級配組成的修正

根據修正前的級配組成可以求出：

（1）A、B組成的堆積密度：

A、B組成的表觀密度：

A、B組成的空隙率：

不同集料的合成密度：

根據上述公式進行單位體積實體質量修正：

（1）修正單位體積實體中A、B、C、D含量AH、BH、CH、DH：

（2）修正后單位體積實體中A、B、C、D百分含量：

，同樣可求B、C、D的百分含量分別是40%、21%、16%

（3）將修正后單位體積實體中A、B、C、D百分含量代人原曲線圖，得出修正后的級配曲線如圖1。

圖1 修正前后的級配曲線圖

Figure 1.Correction before and after the grading curve in Figure

3.3.干縮試驗

減少或消除路面基層的干縮裂縫是本試驗研究的主要目的之一，因此，進行室內干縮試驗是必不可少的。本次室內干縮試驗是采用100mm×100mm×515mm的小梁式試件，在自然條件下（平均相對濕度50%，平均氣溫320C）隨時間變化的干縮，為便于比較，做了水泥用量為4.5%級配修正前后兩種不同級配的水泥穩定碎石的干縮試驗，試驗結果如下表2。

從試驗結果可知：在相同的試驗條下，水泥用量相同時，級配修正后的穩定材料干縮應變要比級配修正前的??；從干縮到達最大值時的時間看，級配修正后的比級配修正前的持續時間要長，這說明前者較后者耐干縮；從干縮應變達到的最大值看，級配修正后的比級配修正前的要小，這說明后者較前者容易出現干縮裂縫；從失水量看，級配修正前的比級配修正后的失水量大，而且持續時間短，這說明前者較后者容易失水而出現干縮裂縫。

3.4.試驗路

為便于比較，在全長27.8km的路段就級配修正前后的水泥穩定碎石分別鋪筑了3km和4.8km，鋪筑完成后在相同的齡期進行了取芯檢驗和較長時間的裂縫觀察。在7天養護期結束后，每車道每200米取芯，結果顯示級配修正前后的路段均能取出較完整的芯樣，但修正級配后的芯樣級配更加均勻、密實。裂縫觀察結果表明，級配修正前的路段不到3年的時間就出現多數間距在50m左右貫穿全斷面的橫向裂縫，而級配修正后的路段到第5年止基本沒有發現裂縫。

4.結束語

（1）在水泥穩定碎石連續級配的基礎上進行級配優化修正設計，保持了級配的連續性的同時，也使水泥穩定碎石密度最大，形成了不同于斷級配的骨架密實結構。彌補了現行規范《公路路面基層施工技術規范》（JTJ034-2000）在級配組成設計上的不足。

（2）實踐證明，按照本方法進行的級配優化設計，不僅大大降低了水泥穩定碎石半剛性基層材料的干縮、溫縮裂縫，同時也提高了基層的強度、抗沖刷能力、耐久性，而且從整體上充分發揮了水泥穩定碎石半剛性材料的優越性能，提高了路面的使用壽命。

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