水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石最大干密度影響因素研究

周永軍

(四川交投建設(shè)工程股份有限公司)

水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石最大干密度影響因素研究

周永軍

(四川交投建設(shè)工程股份有限公司)

最大干密度是水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石施工過(guò)程中質(zhì)量控制的重要參數(shù)，直接決定基層壓實(shí)度的大小，而壓實(shí)度是反映基層內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)。本文研究了材料密度、含水率、混合料級(jí)配對(duì)最大干密度的影響，為提高水穩(wěn)基層施工質(zhì)量提供了重要依據(jù)。

基層；最大干密度；影響因素

1、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通組成復(fù)雜化，交通量也越來(lái)越大，這對(duì)道路施工質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。底基層、基層是高級(jí)路面主體，是路面抵抗車輛荷載作用的主要承重層。底基層、基層施工質(zhì)量好壞對(duì)路面的使用壽命及服務(wù)水平將起決定作用。為了滿足高速公路重交通的使用要求,路面底基層、基層必需具備抗壓強(qiáng)度高,整體穩(wěn)定性好,抗疲勞能力強(qiáng)的特點(diǎn)。實(shí)踐證明用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石、二灰碎石鋪筑的路面基層、底基層都具備抗壓強(qiáng)度高整體穩(wěn)定性好，抗疲勞、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。因此水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石、二灰碎石已成為我國(guó)高速公路路面工程中理想的基層、底基層材料。最大干密度是水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石、二灰碎石施工過(guò)程中質(zhì)量控制的重要參數(shù)，其直接決定了基層壓實(shí)度的大小，是反映基層內(nèi)在質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，因此在施工中必須嚴(yán)格控制。若基層壓實(shí)度不夠，會(huì)導(dǎo)致基層的抗壓能力不足，影響其路面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗疲勞性，主要表現(xiàn)基層開(kāi)裂，裂縫反射到瀝青面層上，導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂，大大降低瀝青路面的使用性能。本文以遂寧至廣安高速公路項(xiàng)目為依托，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)等技術(shù)手段，研究了材料密度、含水率、混合料級(jí)配對(duì)最大干密度的影響。

2、原材料技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目基層集料采用涪江5cm以上卵石經(jīng)顎破、反擊破和沖擊破后，然后依次通過(guò)28mm、22mm、16mm、11mm、6mm、3mm的振動(dòng)篩篩分成。

碎石采用遂寧涪江卵碎石，分 19-26.5mm、13.2-19mm、9.5-13.2mm、4.75-9.5mm、2.36-4.75mm和0-2.36mm六種規(guī)格，均水洗，其中0-2.36mm為機(jī)制砂。水泥均采用四川蓬溪青山水泥建材有限公司生產(chǎn)的緩凝P.C32.5水泥。各級(jí)碎石經(jīng)篩分后，級(jí)配見(jiàn)表1。

各級(jí)集料篩分級(jí)配 表1

3、混合料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)各級(jí)集料的篩分結(jié)果，參照相關(guān)規(guī)范及以往施工的成功經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)摻配設(shè)計(jì)后，確定基層材料的比例為 19-26.5mm:13.2-19mm:9.5-13.2mm:4.75-9.5mm：2.36-4.75mm:0-2.36mm=18:18:13:14:11:26，合成級(jí)配如表2及圖2-1所示。

集料合成級(jí)配 表2

圖2-1 設(shè)計(jì)礦質(zhì)混合料級(jí)配組成曲線

4、最大干密度的確定

采用上述摻配的級(jí)配碎石，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定制備樣品，摻入水泥，采用振動(dòng)成型方法進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。初定水泥劑量分別為2.8%、3.2%、3.5%（外摻），水的摻量從小至大依次采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%。經(jīng)試驗(yàn)、計(jì)算和制圖可獲得不同水泥劑量下最佳含水率，以及所對(duì)應(yīng)的最大干密度。圖4-1至4-3為水泥劑量分別為2.8%、3.2%、3.5%的兩組平行試驗(yàn)含水率與干密度曲線圖。3種不同水泥劑量下的最佳含水率及最大干密度結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4-1 水泥劑量為2.8%兩組平行試驗(yàn)含水率與干密度曲線

圖4-2 水泥劑量為3.2%兩組平行試驗(yàn)含水率與干密度曲線

圖4-3 水泥劑量為3.5%兩組平行試驗(yàn)含水率與干密度曲線

不同水泥劑量下最佳含水率及最大干密度 表3

從表 3可以看出，隨水泥劑量的增大，所對(duì)應(yīng)的最佳含水率相應(yīng)的增大，而混合料的最大干密度也增大，三者表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。在往水泥碎石混合料中加水時(shí)，水一部分用來(lái)參加了水化反應(yīng)，一部分作為各顆粒之間的潤(rùn)滑劑，同時(shí)在操作過(guò)程中蒸發(fā)損失部分水，因此隨水泥劑量的增加，最佳含水率增大。水泥的比重大，同時(shí)水泥作為填料填入混合料縫隙，成型試件的空隙減小，密度增大。由上可知試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

為了研究現(xiàn)場(chǎng)施工工藝對(duì)成型后水穩(wěn)混合料最大干密度的影響，并驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)的最大干密度與室內(nèi)結(jié)果是否一致，采用室內(nèi)設(shè)計(jì)的混合料及試驗(yàn)確定的最佳含水率（施工時(shí)，水泥劑量采用3.2%，含水率比最佳含水率大0.5-1.0%）鋪筑試驗(yàn)路。對(duì)試驗(yàn)路實(shí)際鋪筑的混合料級(jí)配、水泥劑量及最大干密度進(jìn)行了檢測(cè)。試驗(yàn)路實(shí)測(cè)混合料級(jí)配見(jiàn)表4。

試驗(yàn)路實(shí)測(cè)混合料級(jí)配 表4

經(jīng)檢測(cè)，3次取樣采用EDTA滴定法進(jìn)行滴定試驗(yàn)，獲得混合料的灰劑量分別為3.3%、3.1%、3.1%，與設(shè)計(jì)水泥劑量基本一致。對(duì)各碾壓遍數(shù)下混合料的干密度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5所示。

碾壓遍數(shù)與干密度 表4

從表4可看出，開(kāi)始階段，水穩(wěn)混合料干密度隨振動(dòng)碾壓遍數(shù)的增加而變大，在第 5遍達(dá)到最大值，繼續(xù)碾壓干密度下降。據(jù)此可確定該基層試驗(yàn)段的最大干密度為 2.363g/cm3，最佳含水率為 4.6%，作為本合同段底基層施工時(shí)的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)段混合料的級(jí)配、灰劑量和室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果基本一致，但是干密度相差很大，主原因是現(xiàn)場(chǎng)的碾壓功超過(guò)室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)功。為了切實(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量，因此采用試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)的干密度作為最大干密度作為施工過(guò)程的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)。

5、最大干密度的影響因素

下面將通過(guò)對(duì)遂寧至廣安高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要從材料密度、含水率、混合料級(jí)配等方面研究最大干密度的影響因素。

5.1 材料密度對(duì)干密度的影響

水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石是由碎石和水泥、水組合而成，其干密度的大小取決于材料的密度和其組成比例。本次研究采用了甲、乙2種碎石材料，設(shè)計(jì)同樣的級(jí)配，并使用同一水泥進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

甲、乙類集料最大干密度對(duì)比 表5

從表 5可知，在相同的結(jié)合料劑量條件下，甲類碎石混合料材料密度普遍低于乙類碎石混合料材料密度，最終乙類混合料得到的最大干密度大于甲類混合料得到的最大干密度。因此混合料材料密度越大、比例越高，最終的干密度也就越大。

5.2 混合料含水率對(duì)干密度的影響

為獲得水泥混合料含水率對(duì)其干密度的影響規(guī)律，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同水泥劑量下的混合料采用振動(dòng)成型法進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)不同水泥劑量混合料的含水率與干密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表6。

不同水泥劑量的含水率與干密度關(guān)系 表6

從表 6知：當(dāng)水泥混合料的含水率未達(dá)到最佳含水率時(shí)，干密度隨含水率的增加，但當(dāng)水泥混合料的含水率達(dá)到最佳含水率后，隨著混合料含水率的增加，干密度會(huì)有所降低。從機(jī)理上分析：碎石的填充效果是要通過(guò)壓路機(jī)的碾壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，在碾壓過(guò)程中，合理的含水率，可以對(duì)石料外表面起到較好的潤(rùn)濕，具有一定的潤(rùn)滑作用，便于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)；當(dāng)含水率較大時(shí)，碾壓石料時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，壓實(shí)效果又會(huì)降低，如施工過(guò)程中出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象。因此在實(shí)際工程中，要得到最大干密度、最大壓實(shí)效果，應(yīng)在最佳含水率下進(jìn)行壓實(shí)。

5.3 混合料級(jí)配對(duì)最大干密度的影響

從室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，混合料級(jí)配對(duì)干密度的影響也比較明顯。級(jí)配理論可將水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石密實(shí)的原理解釋為大料的空隙用小料填充，小料之間的空隙用更小的料填充，碎石的級(jí)配合理時(shí)，其填充的比較密實(shí)，干密度會(huì)變大。室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明2.36-4.75mm碎石、小于0.075mm顆粒（粉塵）的含量對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石干密度的影響比較其它各級(jí)料更為明顯。當(dāng)合成級(jí)配中 2.36-4.75mm碎石含量較小時(shí)，碎石的嵌擠效果明顯增強(qiáng)，干密度也會(huì)隨之增大。在本項(xiàng)目的施工中，在水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石合成級(jí)配中 2.36-4.75mm的碎石只有8%左右，其干密度達(dá)到2.382g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量也明顯增強(qiáng)，骨架作用提高，強(qiáng)度增大。小于0.075顆粒（粉塵）含量增大，粉塵的填充效果增強(qiáng)，干密度也會(huì)增大。而水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石合成級(jí)配中2.36-4.75mm的集料超過(guò)12%時(shí)，成型后的混合料干密度明顯下降，2.36-4.75mm含量為14%的混合料對(duì)應(yīng)的干密度為2.347g/cm3。

6、結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石的室內(nèi)試驗(yàn)及試驗(yàn)鋪筑研究，獲得如下結(jié)論：

1）碎石材料的密度越大，成型后混合料的最大干密度越大。

2）當(dāng)混合料處于最佳含水率時(shí)，其干密度為最大干密度。因此施工時(shí)含水率應(yīng)該嚴(yán)格控制。

3）混合料的級(jí)配越接近骨架密實(shí)型級(jí)配，合成級(jí)配減少2.36-4.75mm集料的的含量，所得的干密度越大，基層的壓實(shí)度越大。

4）現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)存在最合理的碾壓遍數(shù)，此時(shí)混合料的干密度達(dá)到最大，其值大于室內(nèi)試驗(yàn)所獲的最大干密度。

[1]《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）

[2]《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）

[3]唐建亞.水泥穩(wěn)定碎石基層壓實(shí)度影響因素的試驗(yàn)研究.公路工程.2013.(12)

[4]熊向輝.高速公路瀝青路面半剛性基層研究.長(zhǎng)安大學(xué).2007.(06)

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1007-6344（2017）02-0012-03