分步拌和抗裂型水泥穩定碎石強度和模量規律

安平，徐欽升，丁偉，秦泗龍，閆翔鵬

1.日照公路建設有限公司，山東 日照 276800；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031

0 引言

在我國高速公路建設中，水泥穩定碎石基層已發展成為高等級公路基層的主要結構類型[1-3]，且在今后相當長時間內仍將是高速公路基層建設的主流，與其他材料類型基層相比，水泥穩定碎石基層整體性好，承載力強，抗壓強度大，抗壓回彈模量高，荷載分散作用好，是路面結構的主要承重層，可較好地保證荷載作用在瀝青路面上時整個路面結構不會因強度、模量不足或變形過大而發生破壞[4-6]。但大量工程應用實踐表明，水泥穩定碎石基層在運營過程中出現了大量裂縫和耐久性差等問題[7-11]。為解決這些問題，研究人員從改變水泥穩定碎石攪拌工藝技術開展研究：薛少青[12]研究了振動攪拌技術對水泥穩定碎石性能的影響；楊周曉政[13]研究分離式振動拌和技術對水泥穩定碎石性能的影響；肖棟[14]研究了振動攪拌條件下的水泥穩定碎石混合料的性能及工程應用；蔡長松等[15]研究了基于拌和方式的水泥穩定碎石基層性能；閆翔鵬等[16]研究了分步拌和技術對水泥穩定碎石混合料性能的影響。工藝的改變提升了水泥穩定碎石混合料路用性能，但多采用振動攪拌技術，對水泥穩定碎石在不同拌和技術下力學性能變化規律研究較少，對減少水泥用量和用水量后混合料的性能指標變化規律的研究較少[17-20]。

本文研究分步拌和抗裂型水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的變化規律，分析不同水泥質量分數下分步拌和工藝和常規拌和工藝對水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量規律的影響，以期減少水泥用量,提升水泥穩定碎石基層的耐久性，提高路面的工程質量。

1 試驗

1.1 方案

對基于常規拌和技術和分步拌和技術的水泥穩定碎石混合料進行7 d無側限抗壓強度試驗和抗壓回彈模量試驗，分析不同拌和工藝、不同水泥質量分數和不同養護齡期下的水泥穩定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的變化規律。

試驗方案為：在水泥質量分數分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，養護齡期分別為7、14、28 d條件下測試水泥穩定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度；在水泥質量分數分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，測試水泥穩定碎石混合料養護齡期為7 d的抗壓回彈模量。

1.2 水泥穩定碎石混合料的配合比

1.2.1 原材料

選定粒徑規格為>20～30、>10～20、>5～10 mm的優質粗碎石集料及0～5 mm的優質細碎石集料，集料指標均滿足文獻[21]的技術指標要求，主要檢測結果如表1所示。

表1 選用粗、細碎石集料的主要指標檢測結果

選用P.O 32.5水泥，主要技術指標如表2所示。

表2 水泥主要技術指標

選用可飲用自來水，主要技術指標如表3所示。

表3 所用水質分析試驗結果

1.2.2 級配

按照文獻[22]推薦級配范圍進行水泥穩定碎石混合料配合比設計，合成級配如表4所示。

表4 水泥穩定碎石混合料合成級配

2 試驗結果及數據分析

2.1 無側限抗壓強度

根據試驗方案并按照文獻[23]進行7 d無側限抗壓強度試驗，常規及分步拌和工藝、不同水泥質量分數下的水泥穩定碎石混合料試驗結果如表5、6所示。

表5 常規拌和水泥穩定碎石混合料試驗結果

由表5、6可知：2種拌和工藝下的水泥穩定碎石混合料的R均隨水泥質量分數的增大而增大；水泥質量分數相同時，采用分步拌和工藝的水泥穩定碎石混合料的R更大。原因是分步拌和技術可使水泥與水攪拌均勻，形成有一定稠度的水泥膠漿，減少或避免生成水泥團粒，提高水泥顆粒的擴散均勻度；分步拌和技術也可提升粗集料表面的裹附效果，集料凹陷部位可被拌和均勻的水泥膠漿有效填充，混合料內部的孔隙率降低，材料密度增大，界面處水泥顆粒體積濃度增大，水泥漿與粗集料界面的機械咬合作用增強，集料間的結合更穩固，有效提升水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度。

實際工程中水泥穩定碎石基層一般設計無側限抗壓強度為4.5～5.0 MPa，在保證設計強度的前提下，分步拌和技術所用水泥質量分數最小約為3.0%～3.5%，常規拌和技術所用水泥質量分數最小約為4.0%～4.5%，證明采用分步攪拌技術可在同一水泥質量分數下提高水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度。若要求同一無側限抗壓強度，可減少水泥用量，也間接表明分步拌和工藝可改善混合料抗裂性能。

由表6可知：在不同的水泥質量分數下，分步拌和工藝的水泥穩定碎石混合料Cv明顯小于常規拌和，Cv約減小24%～47%(同一水泥質量分數下，分步拌和工藝的Cv與常規拌和工藝的Cv的差與常規拌和工藝的Cv的比值)，表明分步拌和工藝可有效改善水泥穩定碎石混合料的拌和狀態，提升混合料拌和均勻性。

表6 分步拌和水泥穩定碎石混合料試驗結果

水泥穩定碎石混合料7 d無側限抗壓強度增量

式中：σf為分步拌和混合料7 d無側限抗壓強度；σc為常規拌和混合料7 d無側限抗壓強度。

根據表6試驗數據，計算2種拌和工藝、不同水泥質量分數下水泥穩定碎石混合料的Eσ，如表7所示。

表7 2種拌和工藝、不同水泥質量分數下水泥穩定碎石混合料的Eσ

由表7可知：水泥穩定碎石混合料所用水泥質量分數較低時，基于分步拌和工藝的水泥穩定碎石混合料7 d無側限抗壓強度約比常規拌和技術高28.44%；隨著水泥質量分數增加，強度增長趨勢逐漸減小。總體來看，分步拌和工藝在相同水泥質量分數下7 d無側限抗壓強度更高；若要求同一無側限抗壓強度，可減少水泥穩定碎石混合料的水泥用量，提高混合料抗裂性能。

2.2 抗壓回彈模量

參照文獻[24]要求對2種拌和工藝下的水泥穩定碎石混合料進行抗壓回彈模量試驗，采用UTM-100萬能試驗機進行加載(分6級加載，單位壓力為0.5～0.7 MPa，加載速率為1 mm/min，正式試驗前，先預壓2次)，2種拌和工藝、不同水泥質量分數水泥穩定碎石混合料抗壓回彈模量結果如表8所示。

表8 不同水泥質量分數時2種拌和工藝的水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量

由表8可知：2種拌和工藝下的水泥穩定碎石混合料抗壓回彈模量均隨水泥質量分數的增大而升高；與常規拌和工藝相比，相同試驗條件下，基于分步拌和工藝的水泥穩定碎石混合料抗壓回彈模量更高；在水泥質量分數較低時，分步拌和成型的水泥穩定碎石混合料抗壓回彈模量更大，約比其常規拌和高29.07%；隨水泥質量分數的增大，分步拌和成型的水泥穩定碎石混合料抗壓回彈模量增長幅度逐漸減小，但總體來看，在相同水泥質量分數下分步拌和工藝可獲得更高的抗壓回彈模量，強度/剛度更大，變形更小，基層耐久性相對更佳；在相同抗壓回彈模量指標要求前提下，基于分步拌和工藝的水泥穩定碎石混合料可以在水泥質量分數較低時滿足要求，降低混合料的水泥用量，可有效減少水泥穩定碎石的開裂，提升混合料的抗裂性能。

3 結論

1)相同條件下，基于分步拌和與常規拌和工藝的水泥穩定碎石混合料7 d無側限抗壓強度和抗壓回彈模量整體變化趨勢一致，均隨水泥質量分數的增大而增大。

2)同一水泥質量分數下，分步拌和水泥穩定碎石混合料的抗壓強度和抗壓回彈模量更大。

3)分步拌和工藝可在相同7 d無側限抗壓強度和抗壓回彈模量設計指標下，降低水泥穩定碎石混合料的水泥質量分數，縮減成本。