骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成及室內(nèi)性能試驗(yàn)研究

林百岑

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

路基路面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性跟水的關(guān)系緊密相連，路面內(nèi)部的水能造成或加速路面的損害。排水路面中，透水基層用的材料有排水式瀝青穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石、大粒徑透水性瀝青混合料、骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石和透水水泥混合料，其中骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石混合料，礦料由粗集料和細(xì)集料兩部分組成，粗集料部分充當(dāng)骨架強(qiáng)度結(jié)構(gòu)作用，細(xì)集料和無機(jī)料化合后的反應(yīng)物可以填充骨架空隙。排水瀝青路面結(jié)構(gòu)中的水透過透水基層，滲到骨架密實(shí)型的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的下基層，然后從側(cè)向排到路面邊沿，從而改善路面材料的作用環(huán)境，減輕水損害，延長使用壽命。通過對(duì)骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成和室內(nèi)試驗(yàn)的研究，總結(jié)出配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

1 結(jié)合料及原材料的技術(shù)指標(biāo)

透水基層的水泥穩(wěn)定材料采用水泥、粗集料、少量的細(xì)集料及水分按設(shè)計(jì)空隙率和水灰比結(jié)合穩(wěn)定形成骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石。

集料選用清遠(yuǎn)佛岡飛龍石場的石灰?guī)r，規(guī)格分別有10～25mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm；水泥選用英德海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥；拌合水采用飲用水。

對(duì)所用的粗集料分別進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)、針片狀顆粒含量試驗(yàn)（游標(biāo)卡尺法）、0.075mm以下粉塵含量、軟石含量、顆粒分析等試驗(yàn)，對(duì)細(xì)集料進(jìn)行顆粒分析和＜0.075mm的粉塵含量試驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見表1。表1的技術(shù)要求參照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)及檢驗(yàn)結(jié)果

各檔集料的篩分結(jié)果見表2。表2中的技術(shù)要求參照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》。

表2 集料顆粒分析結(jié)果

進(jìn)行水泥的凝結(jié)時(shí)間測試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。技術(shù)要求參照GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。

表3 水泥凝結(jié)時(shí)間結(jié)果

根據(jù)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T 190-2012，在透水基層混合料的配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求中，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的要求為：水泥采用32.5或42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥；水泥用量宜為8%～12%；水灰比宜為0.39～0.43；材料的空隙率為15%～23%；7d抗壓強(qiáng)度為3.5～6.5MPa。

作為透水基層的混合料，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石必須具有足夠的透水能力。透水能力用透水系數(shù)、連通空隙率指標(biāo)來衡量。連通空隙率是保證排水層發(fā)揮作用的關(guān)鍵，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的連通空隙率是通過減少細(xì)集料的含量來實(shí)現(xiàn)，而細(xì)集料含量少必然導(dǎo)致結(jié)合料的強(qiáng)度變低。因此要控制好水泥的用量，否則強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

為了實(shí)現(xiàn)骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石排水層性能要求，同時(shí)又不影響結(jié)合穩(wěn)定材料的路用性能，確定7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為≥3.5MPa。

2 礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石透水性材料為多孔混合料，它的級(jí)配類型為開級(jí)配，要求空隙率大并且各集料間嵌不密實(shí)和連通，透水性能強(qiáng)，故礦料的級(jí)配設(shè)計(jì)很重要。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD33-2012對(duì)透水性排水基層集料的要求，集料應(yīng)選用潔凈、堅(jiān)硬的碎石，其壓碎值不得大于30%，最大粒徑為20mm或25mm，并不得超過層厚的2/3。

在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004中，用于排水基層的開級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石混合料ATPB-25的礦料級(jí)配范圍見表4。

表4 ATPB-25級(jí)配范圍

在《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 335 0-03-2020中，對(duì)于排水瀝青混合料PA-20的級(jí)配范圍見表5。

表5 PA-20級(jí)配范圍

在《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T190-2012的技術(shù)指標(biāo)中，明確用于透水基層的級(jí)配碎石的空隙率宜大于10%，級(jí)配碎石的級(jí)配范圍見表6；用于透水基層混合料的大粒徑透水瀝青混合料LSPM的公稱粒徑不宜小于26.5mm，選用的級(jí)配范圍見表7。

表6 級(jí)配碎石的級(jí)配范圍

參考表4～表7數(shù)據(jù)，遵循空隙率為15%～23%、水灰比為0.39～0.43的設(shè)計(jì)原則，通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，利用密度與空隙率的關(guān)系，采用體積法驗(yàn)證改善，確定最終的級(jí)配范圍，見表8。

表7 大粒徑透水性瀝青混合料LSPM-25推薦級(jí)配范圍

根據(jù)表2各集料的篩分結(jié)果，計(jì)算各集料的用量比例，使得合成的礦料級(jí)配在表8的上下限范圍內(nèi)且接近S線。骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見圖1。

圖1 合成礦料級(jí)配曲線圖

表8 骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配范圍

3 室內(nèi)物理性能分析

3.1 測定各指標(biāo)的試驗(yàn)方法

根據(jù)CJJ/T 190-2012設(shè)計(jì)規(guī)范中水泥用量宜為8%～12%的要求，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石采用規(guī)范范圍內(nèi)的5個(gè)水泥用量與設(shè)計(jì)的礦料級(jí)配進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)方法采用丙法擊實(shí)，得到的擊實(shí)結(jié)果和水灰比結(jié)果如表9所示。

表9 不同水泥劑量的結(jié)合料的擊實(shí)和水灰比結(jié)果

按不同的水泥劑量，根據(jù)各自穩(wěn)定材料的最大干密度和最佳含水量，采用設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行配料，按照靜壓法成型試件用于測試穩(wěn)定材料的連通空隙率，其中成型試件的壓實(shí)度取值81%。壓實(shí)度是參照CJJ/T 190-2012規(guī)范中空隙率為15%～23%的設(shè)計(jì)要求取中值，即系數(shù)0.77～0.85的中值為0.81。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7天后按不同的水泥劑量為標(biāo)的分別測定連通空隙率、透水系數(shù)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.1.1 連通空隙率

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的連通空隙率主要試驗(yàn)步驟如下：

⑴骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在5個(gè)不同水泥劑量按各自的擊實(shí)結(jié)果，采用設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行配料，按100×100的標(biāo)準(zhǔn)樣品規(guī)格計(jì)算每份材料的加水量、水泥的質(zhì)量、粗細(xì)集料顆粒的質(zhì)量，每份由人工充分?jǐn)嚢瑁?/p>

⑵按最佳含水量的一半水量添加至礦料中分別充分拌和均勻，然后悶料浸潤30min；

⑶在把試樣裝入模前，加入準(zhǔn)備好的水泥并拌和均勻，把預(yù)留的水量噴灑至混合料后中充分拌勻，直到混合料達(dá)到最佳含水量的狀態(tài)。

⑷攪拌均勻后的混合料裝入試模，用力壓平試模兩端的壓板，試件靜置8～12小時(shí)后再脫模，脫模時(shí)間不能太早，因?yàn)樵嚰募?xì)集料含量比較小，不能完全包裹住粗集料，早脫模容易導(dǎo)致試件脫落松散導(dǎo)致費(fèi)件。

⑸把脫模后的試件放在專用的塑料袋中密封并進(jìn)行編號(hào)，然后放到養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7天。

⑹每組試驗(yàn)至少三個(gè)試件，把養(yǎng)生后的試件用卡尺測取直徑和厚度（精確至0.1mm），測直徑時(shí)選取兩個(gè)位置，測厚度時(shí)取4個(gè)（交互90°），用各自的平均值計(jì)算試件的體積（V）。

⑺將試件在室溫干燥空氣中風(fēng)干至質(zhì)量不再發(fā)生變化后，測定常溫、干燥狀態(tài)下的試件質(zhì)量（A）。

⑻將試件置于常溫下的水中約1min后，測定其水中重量（C）。測定時(shí)，用木槌輕輕敲打試件，將空隙中殘存的空氣排出。

連通空隙率應(yīng)按公式⑴、⑵進(jìn)行計(jì)算：

式中，

VV＇——通空隙率（%）；

V＇——混合料和封閉空隙的體積（mm3）；

V——試件的體積（mm3）；

A——試件常溫、干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；

C——試件在水中的質(zhì)量（g）；

ρw——常溫水的密度（1.0g/cm3）。

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)以平行試驗(yàn)的連通空隙率的平均值表示。連通空隙率的試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在不同的水泥劑量下，在7d的齡期進(jìn)行混合料的連通空隙率試驗(yàn)，結(jié)果見表10。

表10 連通空隙率試驗(yàn)的結(jié)果

3.1.2 透水系數(shù)

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的透水系數(shù)試驗(yàn)主要步驟如下：

⑴把養(yǎng)生后的試件用卡尺測取直徑和厚度（精確至0.1mm），測直徑時(shí)選取兩個(gè)位置，測厚度時(shí)取4個(gè)（交互90o），用各自的平均值計(jì)算試件的橫截面面積（A）。

⑵將試件放進(jìn)套筒，與套筒的周邊接觸處用密封材料密封，使其不會(huì)在套筒的內(nèi)側(cè)壁漏水，水僅僅從試件的上下表面進(jìn)行滲透。

⑶裝有試件的套筒上接透水圓筒后放入溢流水槽，打開外部水源向套筒內(nèi)供水，調(diào)節(jié)水閥大小，直至溢流孔保持常水位。

⑷進(jìn)水在常水壓條件下向下滲透，滲透通過試件的水用量筒收集，測定5s左右的透水量。

透水系數(shù)按式⑶、⑷計(jì)算：

式中，

Crw——透水系數(shù)（㎝/s）；

Q——滲透經(jīng)過試件的水量(㎝3)；

t——滲透經(jīng)過試件的時(shí)間（s）；

L——試件的高度（㎝）；

H——水頭高度（㎝）；

A——試件的橫截面面積（㎝2）；

K20——標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）時(shí)試件的透水系數(shù)；

ηT——T℃時(shí)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)；

η20——20℃時(shí)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)。

以3個(gè)試件的測定結(jié)果的平均值作為最終的透水系數(shù)結(jié)果，透水系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在不同的水泥劑量下，在7d的齡期進(jìn)行混合料的透水系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果見表11。

表11 透水系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果

3.1.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法按JTG E51-2009 T0805來執(zhí)行，檢驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

表12 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果

3.2 室內(nèi)性能試驗(yàn)的綜合分析

綜合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果描繪相關(guān)的關(guān)系曲線。連通空隙率與水泥劑量的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 連通空隙率與水泥劑量的關(guān)系圖

透水系數(shù)與水泥劑量的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 透水系數(shù)與水泥劑量的關(guān)系圖

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥劑量的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥劑量的關(guān)系圖

由三個(gè)關(guān)系曲線圖可以看出，隨著水泥劑量的增加，連通空隙率和透水系數(shù)逐漸減少，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸遞升。根據(jù)規(guī)范[5]的設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度要求≥3.5MPa，水灰比為0.39～0.43，因此確定骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石中水泥的最佳劑量為10%。

4 結(jié)語

通過對(duì)骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石所用原材料進(jìn)行優(yōu)選，然后優(yōu)化骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配組成設(shè)計(jì)，參照多種透水路面材料的級(jí)配要求綜合估算出合適的級(jí)配范圍，按擊實(shí)結(jié)果的大小作為強(qiáng)度相關(guān)性的依據(jù)，通過力學(xué)性能綜合分析、合適的水灰比以及路用性能、施工難易程度分析，選擇19%的空隙率即壓實(shí)系數(shù)為0.81，水泥劑量為10%的骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石。

根據(jù)骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石透水性材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水對(duì)材料的影響，總結(jié)規(guī)律如下：

⑴無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)值并不很高，擊實(shí)結(jié)果最大干密度和水泥劑量呈正相關(guān)，要平衡好強(qiáng)度和水泥劑量的關(guān)系，盡量選擇高密度的材料以對(duì)沖整體穩(wěn)定材料的強(qiáng)度的不足。

⑵隨著水泥劑量的增加，連通空隙率和透水系數(shù)逐漸減少，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸遞升。

⑶水灰比與擊實(shí)結(jié)果成正比，在水泥劑量一定下，控制好最佳含水率等于控制好水灰比。