防裂性水泥穩定碎石配合比設計試驗研究

程喬

【摘 要】隨著我國經濟高速發展，公路所承受的交通量和載重越來越大，相應路面病害也越來越多，如何設計高強度高穩定結構來提高路面使用壽命就顯得尤為重要。水泥穩定碎石路面基層作為路面的主要承重層結構以其強度高、水穩性好等特點得到了很快的應用和普及。但是水泥穩定碎石基層通病是容易開裂，本文通過在水泥穩定碎石中添加一部分天然砂和粉煤灰改變配合比組成，達到了防裂抗裂的目的。

【關鍵詞】水泥穩定碎石；配合比；防裂；試驗

0 引言

筆者曾經參加在陜北修建的一條高速公路，設計路面基層采用水泥穩定碎石，這條路因為工期緊，設計這種材料結構優點是：強度形成快且高，只要鈣化成型便不怕水長期侵蝕，具有水泥混凝土的一些性質，而且板結性、抗凍性都較石灰穩定土好。但是，這種結構隨著水泥水化、水分蒸發散失，表層裂紋越來越多，越到后期每隔20～30m就形成一道約1～2mm左右的橫向貫通裂縫（尤其陜北冬寒夏熱，風沙氣候多，這種病害更為明顯），針對這種現象，早期如果不加以預防，后期反射性裂紋升至瀝青路面，就會引起路面車轍、開裂、唧漿等病害不斷出現。因此如何設計出既經濟合理，又能達到防裂抗裂的水穩碎石配合比就是本文試驗研究的目的。

1 裂縫的成因分析

水泥穩定碎石中摻了水泥，水泥凝結硬化后混合料有收縮性能，有資料表明如果水泥劑量從5%增加到7%，干縮系數增加20%～30%，水泥劑量在5%～6%時，其收縮系數最小，超過6%后，混合料的收縮系數增大。其次水泥穩定碎石材料組成設計中參加了一定比例的石屑料，其中含有一定的石粉，石粉具有干縮濕脹的效應；再其次就是陜北晝夜溫差有時較大，也容易產生溫縮現象。

由此可見，水泥穩定碎石基層裂縫的內部成因主要是由干縮和溫縮現象引起的。

2 材料組成分析及措施

根據以上分析：從配合比設計上如果在保證設計強度要求，適當降低水泥的用量；在滿足規范和設計要求的級配范圍，不改變骨架密實結構前提下，采用收縮變形小的材料取代部分石屑將有助于裂縫的減少。

從國內外目前施工現狀來看，普遍采用了粉煤灰來取代部分石屑用量，因為粉煤灰以球形玻璃體的形式存在，這種球形玻璃體比較穩定，表面又相當致密，不易水化中，本身收縮變形的性能小；而且粉煤灰中含有大量SiO2、AL2O3等能反應產生凝膠的活性物質，水泥水化生成氫氧化鈣通過液相擴散到粉煤灰球形玻璃體表面，發生化學吸附和侵蝕，生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，大部分水化產物開始以凝膠體出現，隨著凝期的增長，逐步轉化為纖維狀晶體，并隨著數量的不斷增加，晶體相互交叉，形成連鎖結構，填充混合物的孔隙，形成較高的強度。可見使用粉煤灰，不但能減少干縮裂縫，而且還能增加后期強度，這就是普遍采用粉煤灰的原因。

但是在實際施工中，粉煤灰又存在如下幾個問題：

（1）目前市面上粉煤灰質量優劣相差較大，不容易控制。

（2）粉煤灰含水量不易控制，運至施工現場的粉煤灰多為濕灰，含水率從百分之十幾到百分之幾十都有，稍微時間長點，有的還結成了大團大塊，給攪拌和施工帶來了很多不便。

（3）基層施工一般都是在路基轉序至路面時集中施工，往往是幾臺拌合設施、幾個工作面同時施工，粉煤灰需求量大，經常供不應求，造成中途停工待料

（4）目前市面上粉煤灰價格也較高

為此，我們只要在保證骨架結構形式，不降低結構的強度前提下，適當降低粉煤灰用量，改用天然砂取代石屑，應當是可行的。因為天然砂干縮系數比石屑小得多，也能有效增加早期主動防裂效果，而且天然砂強度高、表面光圓，在混合料壓實過程中能起到材料快速排列、擠壓，使壓實度短期快速完成，降低過程持續時間。

3 配合比調整

從上述的分析中知道：石屑中的粉塵含量高導致混合料收縮變形越大，因此降低其在配合比中的比例，減少集料中的粉塵含量，有助于使成型混合料收縮變形的減小、裂縫的減少。

原配合比：31.5～19：19～9.5：9.5～4.75：4.75～0=20：38：14：28，外摻4.5%的水泥

摻5%的天然砂，8%的粉煤灰取代13%的石屑

調整后配合比：31.5～19：19～9.5：9.5～4.75：4.75～0：天然砂：粉煤灰=20：18：14：15：5：8，外摻4.2%的水泥

4 試驗結果

4.1 擊實試驗結果

采用重型擊實試驗方法確定水泥穩定碎石混合料最佳含水量和最大干密度。具體試驗方法參照《公路工程無機結合料穩定材料實驗規程》（JTJ057-94）相關要求。

4.2 強度試驗結果

按照圖紙設計要求，水穩碎石設計強度基層不小于3.5MPa。

以重型擊實試驗確定的最大干密度和最佳含水量為成型依據， 按98%的壓實度成型15cm×15cm圓柱試件；養生溫度20±2℃，養生濕度90%，養生期的最后一天浸水24小時。各種混合料的7d無側限抗壓強度試驗結果見下表2。

5 實體工程驗證

通過在神佳米高速公路K19+350～K19+850鋪筑試驗段，結果表明混合料均勻、不離析，易于質量控制，加之攤鋪、碾壓、養生等控制，壓實后的水穩混合料紋理豐富，沒有產生裂縫，開放工程車輛后，表面基本無松散。通過后期觀察，主動抗裂效果均比較好，反射裂縫數量極少，僅有1條不規則的裂紋。

6 總結

通過以上配合比的調整，雖然達到了防裂的效果，但在施工過程中我們還要加強原材料質量檢驗和控制，特別是0～4.75mm規格中0.075mm的通過率。另外配合比一旦確定，拌合時計量一定要準確，攪拌要均勻，因為試驗研究表明，粉煤灰和天然砂摻量過低，不能較好的起到主動防裂所顯現的成果，反之用量過大則會對早期強度起到不利影響，再者，水泥穩定碎石施工后，一定要覆蓋保濕養生至少7天齡期，不然也會因為表面水分散失太快引起干縮裂縫。

[責任編輯：王偉平]