水泥穩定砂巖碎石路面基層的性能研究

劉紅譽，劉偉

（1.微山縣東方建設工程監理有限公司，山東 濟寧277600；2.濟寧市公路發展中心微山公路局，山東 濟寧277600）

1 引言

經濟飛速發展的背景下，我國的公路里程不斷增加，基本建成了全面覆蓋的公路網絡。而在當前的技術條件下，多數公路基層采用的都是半剛性材料，如水泥穩定碎石，本身具備較強的抗彎拉強度和穩定性，其良好的基層性能使路面鋪筑環節產生的彎拉應力和彎拉應變較小，能夠很好地承受車輛荷載的反復作用，并且使用壽命較長。

2 水泥穩定碎石研究現狀

水泥穩定碎石是一種以級配碎石為骨料，借助一定的膠凝材料和灰漿對骨料空隙進行填充壓實，使其具備一定的密實度，通過碎石間的嵌擠鎖結獲得足夠的強度。水泥穩定碎石具備較高的初期強度，而且伴隨著齡期的增長，強度還會不斷提升，在結成相應的板體后，還會具備很好的抗滲性及抗凍性[1]。

水泥穩定碎石基層中，水泥的劑量和力學性能會對路面的使用壽命產生直接影響，一些研究人員結合具體工程案例，對不同級配和不同水泥摻量的水泥穩定碎石基層的性能進行了研究。結果顯示，在相同級配條件下，水泥在混合料中摻加的比例越高，混合料的最佳含水率和7 d無側限抗壓強度越大。而且當水泥摻加量增大時，混合料最佳含水率會在前期呈現出快速增長的趨勢，受水化反應的持續影響，經過一定時間后，混合料最佳含水率的增長速度也會有所下降；如果水泥在混合料中的摻加量固定，增加粗集料的含量后，混合料的最佳含水率會有所下降，相應的最大干密度和水泥穩定碎石的無側限抗壓強度也會減小。運用平行試驗對不同混合料配比以及不同齡期的水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度、劈裂強度等性能進行研究，結果顯示，混合料的配比對水泥穩定碎石的強度影響巨大，適當增加混合料中水泥材料占比，水泥穩定碎石的力學性能會隨之提高，較快的水化反應使水泥穩定碎石具備很好的初期強度，而且隨著齡期的增加，水泥穩定碎石的強度會進一步增大，并最終達到穩定狀態[2]。

3 水泥穩定砂巖碎石路面基層性能研究

3.1 技術要求

水泥穩定碎石混合料屬于無機結合穩定材料，穩定性強，抗凍能力優越，但從實際應用的角度分析，經常會出現開裂問題。因此，水泥穩定碎石混合料一般被用于路面基層或底基層的施工。路面基層主要承受來自車輛的豎向荷載，并且能夠將路面承受的應力轉移到基層，減小路面結構承受的壓應力，減緩路基不均勻沉降對面層的影響。不同面層結構對于基層有不同的要求，結合相應的工程實踐，水泥穩定碎石基層有以下3個關鍵技術要求：

1）具備較高的強度和穩定性，以避免道路在使用過程中出現基層嚴重變形的情況。

2）具備良好的水穩定性和抗凍性能，并配合相應的排水措施來保證基層施工效果，以避免水因素引發的基層濕軟問題。

3）具備較長的疲勞壽命。從力學特性的角度對半剛性材料和線彈性材料進行分析，可以發現二者有很大的相似性。當車輛在路面行駛時，產生的荷載會經由面層傳遞到基層和底基層，產生累計破壞，當累計次數達到上限時，基層和底基層就會完全破壞[3]。因此，在對路面基層以及底基層材料進行選擇的過程中，應確保其具備較長的疲勞壽命，以保證路面結構的穩定性。

3.2 集料性能試驗

為了更好地研究水泥穩定砂巖碎石中集料的性能，對使用的砂巖和石灰巖進行了相應的性能試驗。

3.2.1 篩分

對照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》中的集料篩分試驗，對集料進行3檔篩分：砂巖為0～9.5 mm、2.36 ～13.2 mm、9.5 ～26mm；石灰巖為0～4.75 mm、2.36 ～13.2 mm、4.75 ～19mm。經過篩分后，可以確定砂巖和石灰巖集料存在部分重疊粒徑，從集料物理性質研究的角度，對表觀密度、吸水率以針片狀3個物理指標進行對比分析[4]。具體分析結果見表1。

表1 集料物理性質指標

3.2.2 壓碎值

壓碎值是對集料路用性能進行評價的重要指標，選擇粒徑在9.5 ～13.2 mm的砂巖和石灰巖集料，烘干后晾至室溫，稱取900 g樣本平均分為3組，使用國家標準試桶分3次填料，振搗密實，使用電液壓力試驗機進行加載，將加載速度控制在0.67 kN/s，連續加載10m in，當壓力達到400 kN后，穩壓5 s然后卸載。對壓碎集料中粒徑不超過2.36 mm的細粒料進行稱取，集料壓碎值對比結果如圖1所示。

圖1 集料壓碎值對比

3.3 混合料級配設計

級配設計在水泥穩定碎石配比設計中非常重要，集料本身的級配會直接影響其性能參數，如孔隙率、堆積密度等。目前，混合料級配設計的常用方法有2種：數解法和圖解法。2種方法在實際應用中都要求對級配參數以及目標級配范圍進行確定。通過砂巖和石灰巖集料的級配設計，確定集料在水泥穩定碎石混合料中的比例以及各材料的最佳配比，保證水泥穩定碎石的強度和穩定性。

3.4 混合料擊實試驗

借助相應的擊實試驗結果繪制混合料含水量-干密度曲線，確定砂巖和石灰巖混合料的最佳含水量及最大干密度：最佳含水量分別是5.8 %和5.4 %，最大干密度分別是2.284 g/cm3和2.345 g/cm3。對照相應的曲線可以得出，在水泥用量固定的情況下，隨著用水量的增大，干密度會先達到相應的峰值，然后逐步下降，石灰巖最佳含水量相對砂巖較小。其原因主要是砂巖吸水性更好，而石灰巖的最大干密度相對砂巖較大，主要是粗骨料較多，單位體積質量大[5]。

4 結語

在工程建設中，要提高水泥穩定砂巖碎石的強度，可以增加水泥用量或增大擊實功，但從實際應用的角度考慮，前者會導致工程成本的增加，而且容易引發路面開裂問題；后者則會導致基層結構穩定性下降。對此，可以利用一定比例的石灰巖來替換砂巖，形成水泥穩定碎石混合料，在充分保證水泥穩定砂巖碎石強度和質量的同時，實現對資源的充分利用，有效節約資源，降低工程造價。對于實踐環節，工程技術人員應結合具體情況，做好替換比例的計算，使替換后的水泥穩定混合料能夠更好地適應路面基層的施工要求。