級配對懸浮密實結構水穩碎石性能的影響研究

摘 要：本文主要研究了水泥穩定碎石級配在規范允許的范圍內變化時，水泥穩定碎石性能的變化規律。結果表明：級配變化對強度的影響較明顯，且級配中線是7d無側限抗壓強度最大值；級配中線的最大干密度最大，且從級配上線到級配中線的變化過程中最大干密度逐漸增加，而從級配中線到級配下線的變化過程中最大干密度又逐漸變小；隨著含水量的增加，無側限抗壓強度也逐漸增加，達到最佳含水量后隨著含水量的增加，無側限抗壓強度又逐漸減小。

關鍵詞：級配；水泥穩定碎石；性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.023

改革開放后我國公路建設獲得了長足提升，有力的保障了國民經濟的增長以及社會的完善[1]。由于我國幅員遼闊，氣候和環境變化多樣，在公路工程設計和施工中，路面結構形式也多種多樣，同時，隨著社會的進步和經濟條件的逐步改善，路面結構中基層已經大面積使用水泥穩定碎石。加上水泥穩定碎石材料來源廣泛，施工工藝成熟可靠，后期強度高等優點被廣泛使用[2]。水泥穩定碎石性能主要受到原材料性能、級配狀況、水泥劑量、施工工藝及灑水養護等因素的綜合影響[3-5]。半剛性基層的主要作用是承受上部面層傳遞下來的能量，然后傳遞到路基中。通過已有研究成果表面，水泥使用量對水泥穩定碎石能力的作用，但是系統的研究級配對水泥穩定碎石性能的效果目前還沒有報道。本文通過級配的變化來研究級配對水泥穩定碎石性能的作用變化趨勢。

1 原材料

水泥：山水牌PO32. 5 普通硅酸鹽水泥。

水：自來水，符合規范要求

粉煤灰：普通粉煤灰，浙江發電廠。

集料：在測定集料的技術性質和單級配的基礎上，根據實驗需要組合成符合技術指標的三種不同級配。具體性能指標如表1所示：

2 研究方法

本文主要分析級配的變化對水泥穩定碎石性能的影響，基本思路是在水泥使用量固定的情況下，在規范允許的范圍內，以級配最高標準、級配中級標準、級配最低標準三種不同的級配分別拌合水泥穩定碎石，測定水泥穩定碎石的性能，從而推斷出級配對性能的影響元素。

3 實驗結果與分析

水泥劑量固定中最常用5%，做標準擊實實驗以及無側限抗壓特性實驗，分別測定最佳含水量、最大干密度、以及7d抗壓特性，分析級配對其性能的影響。

3.1 級配對最佳含水量的影響

由圖1可以看出，在水泥劑量固定的情況下，最佳含水量的變化時有規律的，從級配上線到級配下線的變化過程中，最佳含水量不斷增加。但是變化規律是不固定的，從級配上線變化至中線，最優含水量從5.0%上升至5.5%，增加了0.5%，而從級配中線到級配下線的變化過程中，最佳含水量只增加了0.2%，最優含水量的變化率遠小于從級配上線到下線。通過研究可以推出因素可能是是在級配的變化過程中，細集料含量逐漸上升，從而導致最佳含水量逐漸上升；但是級配中線是最佳的懸浮密實結構，所以超過級配中線后最佳含水量變化率就減緩。

3.2 級配對強度的影響

由圖2可以看出級配變化對強度的影響較明顯，且級配中線是7d無側限抗壓強度最大值。同時可以觀察到從級配上線到級配中線的變化過程中，7d無側限抗壓強度從3.04Mpa增長到3.68Mpa，增長了21%，分析認為原因是級配中線的粒徑分布廣，雖然還是懸浮密實結構，但是已經有些類似于骨架密實結構，粗骨料形成骨架，細集料填充于粗骨料形成的空隙中，加上水泥的粘結作用，形成既有嵌擠作用，又有粘結作用的密實水泥穩定碎石結構。從級配中線到級配下線的變化過程中強度又變小，但是下降的速率遠小于從級配上線到級配中線的變化。在整個級配形式中，強度從大到小的依次順序為級配中線、級配下線、級配上線，并且從級配中線到級配上線強度的變化遠大于從級配中線到級配下線。

3.3 級配對最大干密度的影響

由圖3能夠發現三種級配中，中線的最大干密度最大，且由級配上線到級配中線的變化過程中最大干密度逐漸增加，而從級配中線到下線的變化過程中此密度又逐漸變小。分析認為原因是級配中線情況下粗細集料適當，粗集料懸浮于細集料之中，從而使最大干密度略大于級配上線和級配下線。

3.4 級配中線情況下含水量對強度的影響

根據上面的三個實驗可以得出級配中線時最大干密度和強度都是最佳值，以級配中線為基礎，水泥劑量選擇5%，制作無側限試件，進一步研究其中水量不同對性能的作用效果，水量分別選擇3%、4%、5%、6%、7%、8%，強度變化規律如圖4所示。

由圖4可以看出，級配中線情況下水泥穩定碎石最優水的含量是5%左右。在水的含量比較少的情況下，水的含量由小到大變化時，無側限抗壓特性也逐漸增加，且增長速率基本一致。原因是水在穩定碎石中除了為該物質的水化提供水分外，還起到潤滑作用，是隨著含水量增加，碎石顆粒、細集料和水泥顆粒表面都被水分包裹，減弱了摩擦阻力，使密實度不斷增加，從而使水泥穩定碎石的無側限抗壓強度不斷增加。如果水的含量高于最優水的含量后，伴隨著水的含量的逐漸上升，無側限抗壓特性又逐漸減弱。關鍵因素是由于水量過多，在固定空間內造成碎石和水泥含量的減小，進而造成密實度降低，進而使無側限抗壓強度降低。同時通過該圖能夠發現，水的含量超過最優含水量后強度的下降速率不同。含水量從5%到7%時的下降速率小于從7%到8%的下降速率。

3.5 級配中線情況下水泥劑量對強度的影響

以級配中線為基本，水的含量選擇5%，制作無側限實驗元件，進一步研究水泥劑量不同對強度的影響，水泥劑量分別選擇3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，強度變化規律如圖5所示。

從圖5能夠發現，在級配中線情況下，隨著水泥使用量的不同，抗壓特性也逐漸的改變。水泥使用量處在3.5%～5.0%之間，抗壓特性呈現直線增加。分析認為：水泥使用量逐漸增多，在整個水泥穩定碎石中起作用的水泥有效成分也不斷增多，隨著進一步水化和硬化，水泥對級配碎石的凝結作用不斷增加，所以無側限抗壓強度也會不斷增加；但是水泥劑量從3.5%到4.0%和從4.0%到4.5%之間變化的速率是不同的，前者強度增加了0.6Mpa，后者強度增加了0.8Mpa，速率稍有增加，原因是當水泥使用量在3.5%的時候，水泥數量相對太少，反應生產的水化物也少，不能形成足夠強度。在最佳含水量5%時，無側限抗壓特性達到4.2Mpa，水泥劑量的增多，無側限抗壓特性又有增加，但是增加的幅度非常小，水泥使用量從5%到5.5%時，抗壓強度只增加了0.2Mpa；而且水泥使用量由5.5%變化至6.0時，研究特性幾乎沒有變化。

4 結論

通過以上實驗數據可以得出以下結論：（1）級配變化對強度的影響較明顯，且級配中線是7d無側限抗壓強度最大值；（2）級配中線的最大干密度最大，且從級配上線到級配中線的變化過程中最大干密度逐漸增加，而從級配中線到級配下線的變化過程中最大干密度又逐漸變小；（3）隨著含水量的增加，無側限抗壓強度也逐漸增加，達到最佳含水量后隨著含水量的增加，無側限抗壓強度又逐漸減小。

參考文獻：

[1]王興元.影響水穩碎石強度的級配因素研究[J].交通標準化，2011（10）：28-30.

[2]陳彥超，陳曉.水穩碎石強度影響因素分析[J].科技創新導報，2007（36）：57-58.

[3]李秀廷，王玉果.水穩碎石基層強度影響因素分析[J].交通標準化，2009（05）：28-35.

[4]施磊.水泥劑量及級配對水穩碎石抗壓強度的影響[J].山西建筑，2016（05）：121-123.

[5]李洪波，張辛杰，劉國柱等.骨架密實與懸浮密實結構水穩碎石在焦桐高速登封至汝州段上的對比應用研究[J].公路交通科技，2015（08）：81-83.

作者簡介：劉振川（1973-），男，廣東中山人，工程師，主要從事公路工程建設管理工作。