水泥穩(wěn)定碎石混合料成型方法試驗(yàn)對(duì)比研究

摘 要：水泥穩(wěn)定碎石具有強(qiáng)度高，板體性好，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是我國使用最廣泛的半剛性基層材料，比較了靜壓和振動(dòng)成型方法設(shè)計(jì)的級(jí)配的強(qiáng)度、最佳含水率等指標(biāo)，說明采用振動(dòng)壓實(shí)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，使基層整體強(qiáng)度更加均勻，密實(shí)度更高，增強(qiáng)了基層的強(qiáng)度及抗水損害性能。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石;配合比設(shè)計(jì);成型方法;施工工藝;最佳含水率

1 水泥穩(wěn)定碎石概述

水泥穩(wěn)定碎石基層作為半剛性基層瀝青路面中最常用的形式，由于不合理的設(shè)計(jì)方法以及水泥穩(wěn)定碎石本身材料特性，其耐久性并不理想，包括易開裂、抗水損性差成為了最突出的問題。影響水泥穩(wěn)定碎石耐久性的因素很多，可分為內(nèi)因和外因，外因有車輛荷載、環(huán)境（溫度和濕度）以及結(jié)構(gòu)組合等，而內(nèi)因最主要的就是不合理的設(shè)計(jì)方法。

水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計(jì)主要確定：①不同礦料的比例，以確定級(jí)配組成;②確定級(jí)配組成的最大干密度、最佳含水率;③水泥添加量。

2 兩種試件成型方法試驗(yàn)比較分析

對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石層次施工來說，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場壓實(shí)功已經(jīng)不匹配：1）當(dāng)前壓實(shí)已采用振動(dòng)壓路機(jī)（一般不小于20t），而重型擊實(shí)試驗(yàn)法是對(duì)應(yīng)多年前（8～12）t壓路機(jī)，已明顯落后于生產(chǎn)實(shí)際;2）振動(dòng)碾壓作用下礦料排列方式與不同于重型擊實(shí)（靜壓成型）不同，且集料級(jí)配變化情況也不同，導(dǎo)致室內(nèi)靜壓成型水泥穩(wěn)定碎石試件組成結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場振動(dòng)碾壓成型基層組成結(jié)構(gòu)不吻合，已經(jīng)不能科學(xué)有效地指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)施工，從而影響工程質(zhì)量。

2.1 礦料級(jí)配組成分析

為了分析成型方法對(duì)級(jí)配組成的影響，采用水洗篩分法對(duì)成型前后的級(jí)配組成進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

根據(jù)表1可以看出，振動(dòng)成型后試件的級(jí)配與原級(jí)配比稍細(xì)，但變化不大，說明振動(dòng)成型法不易使集料振碎影響級(jí)配;而靜壓成型后試件的級(jí)配發(fā)生了顯著變化，細(xì)集料明顯增多。

振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石通過振動(dòng)成型法成型試件，通過一定的面壓力及激振力將混合料振動(dòng)壓實(shí)，混合料內(nèi)部粗集料通過排列容易形成一定的主骨架，而細(xì)集料在激振力下填充進(jìn)主骨架的剩余空隙中，從而形成骨架密實(shí)型的結(jié)構(gòu)?；旌狭铣尚秃蟮膹?qiáng)度主要依靠粗集料骨架強(qiáng)度，而不是僅僅依靠水泥膠漿的強(qiáng)度。該方法能夠較好地模擬實(shí)際施工中強(qiáng)振碾壓成型的實(shí)際情況，且不易出現(xiàn)集料破碎現(xiàn)象，級(jí)配較為穩(wěn)定，其強(qiáng)度及抗裂性能、抗沖刷性能均將顯著提高^[3、4]。

2.2 最大干密度和最佳含水率比較分析

兩種成型方法確定的同一級(jí)配的最大干密度和最佳含水率數(shù)據(jù)，見表2及圖3。

從表2中可以得出，干密度比（振動(dòng)壓實(shí)最大干密度/重型擊實(shí)確定的最大干密度）在1.031～1.036。

振動(dòng)壓實(shí)法確定的最佳含水率較重型擊實(shí)確定的含水率約低0.3%～1.0%。這是因?yàn)榧显谡駝?dòng)外力的作用下能夠容易重新排列而不需依靠過多的水來潤滑，從而減少了水的用量。

2.3 試件強(qiáng)度比較分析

對(duì)比分析兩種方法確定的強(qiáng)度的異同，見表3及圖4。

從表3及圖4可知，相同水泥添加量時(shí)，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，R振/R靜（代表值）約為1.5倍;且振動(dòng)壓實(shí)成型的試件強(qiáng)度離散性較小。從而在同一設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求下，水泥劑量可比靜壓成型水泥劑量低0.5%～1.0%。

3 振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石的特點(diǎn)

與重型擊實(shí)法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)相比，振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)具有以下特點(diǎn)：

3.1 集料破碎率低，對(duì)級(jí)配影響小，易形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)

振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍有以下特點(diǎn)：① 降低4.75mm通過率，一般控制在30%左右，粗集料的增加，使得在級(jí)配范圍內(nèi)能形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料;② 提高9.5～19mm部分集料用量，粗集料自身組成合理，可避免現(xiàn)場攤鋪及碾壓時(shí)產(chǎn)生離析;③ 降低0.6mm以下粉料含量，嚴(yán)格控制0.075mm通過率不大于3%，可大幅提高水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能。

3.2 最大干密度、最佳含水率確定方式不同

兩種設(shè)計(jì)方法的主要區(qū)別是確定最大干密度、最佳含水率的方法不同，一是重型擊實(shí)，而另一個(gè)是振動(dòng)壓實(shí)。

隨著大噸位壓路機(jī)的使用和對(duì)壓實(shí)度的高要求，采用重型擊實(shí)法得到的最大干密度來計(jì)算壓實(shí)度往往會(huì)很容易就能滿足規(guī)范要求，甚至達(dá)到100以上。這說明采用傳統(tǒng)最大干密度計(jì)算的壓實(shí)度來進(jìn)行施工質(zhì)量的控制已失去意義，無法滿足實(shí)際要求。

3.3 成型機(jī)理不同，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，水泥劑量低但強(qiáng)度高

傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石采用靜壓成型法成型試件，通過一定的靜力將混合料壓實(shí)至規(guī)定的密度，該成型方法與最大干密度的確定方法是矛盾的，與實(shí)際施工時(shí)壓實(shí)作用模式也是矛盾的。靜壓成型時(shí)，混合料在壓力作用下，其中粗、細(xì)集料來不及重新排列就被壓實(shí)成型，且粗集料容易被壓碎，該方法成型混合料通常形成懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，無法形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，而此時(shí)只能通過增加水泥劑量來使抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，繼而抗裂性能無法得到保證。（如圖4）。

4 振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石施工控制要點(diǎn)

振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石從級(jí)配組成、最佳含水率、最大干密度等方面進(jìn)行了調(diào)整，然而要得到良好路用性能的水泥穩(wěn)定碎石基層，還需要從下列幾方面進(jìn)行施工質(zhì)量控制：

4.1 控制好關(guān)鍵篩孔^[5]

粒徑大于19mm集料形成主骨架，粒徑大于9.5mm集料形成次骨架，必須控制級(jí)配上限，否則難以形成較強(qiáng)骨架，對(duì)于級(jí)配下限，如若能保證不離析，可以適當(dāng)放寬要求，不作控制指標(biāo)。

粒徑4.75mm以下顆粒起填充作用，太多易撐開骨架，太小不密實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，4.75mm通過率在30～35%時(shí)水泥穩(wěn)定碎石路用性能最好，試件切割面和芯樣均顯示出骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)形成得較好。

0.075mm以下粉料，與水泥一起起到粘結(jié)作用，太少則比表面過小、對(duì)粗集料粘結(jié)不足而易引起離析，而且也難以形成密實(shí)結(jié)構(gòu);太多則對(duì)抗裂不利。要求0.075mm以下顆粒用量宜控制在3%以下。

4.2 控制好水泥質(zhì)量及劑量

由于水泥劑量偏小，在施工過程中尤其要嚴(yán)格控制好質(zhì)量和水泥劑量，不超過設(shè)計(jì)的±0.2%。水泥劑量太小，拌和均勻性難度加大，強(qiáng)度可能滿足布料承載力要求;水泥劑量太大，既浪費(fèi)材料，又會(huì)對(duì)基層抗裂不利，對(duì)面層構(gòu)成局部破壞。

4.3 控制好最佳含水率

擊實(shí)試驗(yàn)表明，當(dāng)含水率不同時(shí)，相同的混合料在相同的壓實(shí)功作用下會(huì)產(chǎn)生不同的壓實(shí)度。含水率過大時(shí)，不僅難以達(dá)到最大壓實(shí)度，而且提漿作用明顯影響層間結(jié)合和增大干縮裂縫的危險(xiǎn);含水率過小，混合料不但難以碾壓成型，而且因水泥的物理、化學(xué)反應(yīng)不全面而造成結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度難以形成，造成板體松散。施工過程中確保碾壓時(shí)的含水率接近于振動(dòng)法確定的最佳含水率，可以達(dá)到最大壓實(shí)度。

4.4 控制好壓實(shí)度

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)度提高1%，強(qiáng)度大約可提高10%。因此，必須確保壓實(shí)度滿足要求。

根據(jù)振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石基層在本項(xiàng)目上應(yīng)用情況及其它相關(guān)研究成果可以得出結(jié)論：與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石不同，振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石混合料可以達(dá)到高強(qiáng)度與良好抗裂性共同存在的最優(yōu)效果。只要級(jí)配合理，沒有必要通過增加水泥劑量增加強(qiáng)度來犧牲抗裂性能，采用振動(dòng)成型法水泥穩(wěn)定碎石可以達(dá)到抗裂性能最佳、水泥劑量最少、強(qiáng)度滿足要求的效果，同時(shí)還可以降低工程造價(jià)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

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作者簡介：范江，男，1982年1月出生，籍貫：湖南長沙;職稱：公路橋梁工程師，研究方向：公路路面、路基及橋梁施工管理方面。