骨架密實型水泥穩定碎石混合料配合比設計及路用性能分析

李 浩

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

我國高速公路應用最廣泛的基層形式為半剛性基層，而水泥穩定碎石是半剛性基層的主要材料形式，因此，水泥穩定碎石基層在我國高速公路應用極為普遍。水泥穩定碎石基層的優點為強度高、荷載擴散能力強和穩定性好，缺點主要是易引起瀝青路面反射裂縫[1]。水泥穩定碎石基層所用的水泥為水硬性材料，伴隨著水化反應必然出現溫縮、干縮現象，而收縮是產生水泥穩定碎石裂縫的一個主要原因[2-3]。很多國家在應用水泥穩定碎石基層時通過降低水泥摻量來減少裂縫，澳大利亞將水泥摻量控制在3%以內，日本僅為2%左右[4]。我國瀝青路面的設計思想是“強基薄面”，水泥摻量的降低固然可以減少裂縫的發生，但也會降低強度，不利于路面長期服役性能。通過優化水泥穩定碎石混合料級配，使之達到骨架密實狀態，既可以降低水泥摻量，又能保障混合料的強度，還能減少水泥穩定碎石基層的開裂[5-6]。因此，骨架密實型水泥穩定碎石混合料成為公路工程優先選擇的類型，對其級配設計與路用性能、收縮特性的研究具有重要意義。

國內外學者已經對骨架密實型水泥穩定碎石混合料級配設計理論和設計方法開展大量研究工作，取得了很多有參考意義和應用價值的成果[7-10]。這些研究成果中，逐級填充法、試驗法和體積法應用較多。其中，逐級填充法物理意義明確，易于理解和應用，但過于追求混合料的密實性，結果離散性較大；試驗法簡單明確，但難以確定混合料是否達到骨架密實狀態，缺乏相應的評判理論和方法；體積法以貝雷法和Superpave設計法最為著名，其明確了粗細集料的體積關系，但國內外學者將其應用于水泥穩定碎石混合料級配設計時未對最佳預留空隙率以及水分體積進行考慮[11]。因此，本文通過綜合體積法中的填充干涉理論和我國學者林秀賢提出的i值法設計骨架密實型水泥穩定碎石混合料：采用貝雷法確定粗細集料的分界，采用填充干涉原則設計粗集料的材料組成，采用i值法設計細集料組成。通過室內試驗分析所設計的骨架密實型水泥穩定碎石混合料的路用性能，并應用于都巴高速公路路面B分部，基于實體工程驗證所設計的骨架密實型水泥穩定碎石混合料的抗裂性能。本文研究成果對工程實踐設計骨架密實型水泥穩定碎石混合料有一定的參考意義。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

試驗采用華潤水泥(田陽)有限公司生產的P·C42.5水泥，各項檢測指標如表1所示。

集料均為石灰巖，產自都巴高速公路設吉石場，按照粒徑范圍分為5檔：19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm。各檔集料基本性質及篩分結果如表2～4所示。

表1 水泥技術指標表

表2 粗集料技術指標表

表3 細集料(0～2.36 mm)技術指標表

表4 各檔集料篩分結果表

1.2 粗、細集料配合比

根據貝雷法確定粗細集料的分界點。本文公稱最大粒徑為19 mm，最終確定粗細集料的分界點為4.18 mm。結合規范以及相似性最接近粒級的原則，調整后的粗細集料分界點為4.75 mm。

采用干搗試驗的方法用于設計粗集料的級配。根據體積法中的填充干涉理論原則對粗集料配合比進行設計，最終確定4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～26.5 mm的質量比為28∶44∶28時，組成的混合料骨架間隙率最小。采用i值法設計細集料級配，以0.03為間隔，設計不同i值下的細集料級配；對其進行擊實試驗，得到不同i值下級配的最大干密度以及最佳含水量，試驗結果如表5所示。將不同i值對應級配在最佳含水量的條件下制成試件后進行CBR試驗，試驗結果如表6所示。從表6可知，當i取值0.63時，CBR值最高，表明其密實度最佳。當i取值0.63時，確定細集料配合比為2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm=1∶2.5。

表5 不同i值對應級配的最大干密度和最佳含水量數值表

表6 不同i值對應級配的CBR值表

設計不同比例的粗細集料，控制級配在相關規范C-B-1范圍內，并采用5.0%的水泥摻量制作水泥穩定碎石混合料，以7 d無側限抗壓強度作為驗證指標，優選粗細集料配合比，試驗結果如表7所示。由表7可知，當粗細集料比例在65∶35時，7 d無側限抗壓強度最高。

表7 不同質量比例粗細集料水泥穩定碎石混合料7 d無側限

綜上所述，最終確定配合比為0～2.36 mm∶2.36～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～26.5 mm=25∶10∶18∶29∶18。合成級配如表8所示。

表8 合成級配表

2 路用性能研究

2.1 強度及模量增長規律

水泥穩定碎石基層的各種強度和模量是評價其路用性能的重要指標，是道路結構分析中的重要參數。本文對4.5%和5.0%水泥摻量下不同齡期骨架密實型水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量開展研究，試驗過程及養生方法參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)(以下簡稱《試驗規程》)。試驗結果如下頁圖1～3所示。

圖1 無側限抗壓強度隨齡期變化曲線圖

圖2 劈裂強度隨齡期變化曲線圖

圖3 抗壓回彈模量隨齡期變化曲線圖

由圖1～3可知，隨著齡期增長，骨架密實型水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量均有所增長。28 d齡期的各項指標均為7 d齡期的兩倍左右，表明水泥穩定碎石混合料在7 d時強度增長已經達到了50%，具備一定的通車能力。5.0%水泥摻量的各項強度指標均優于4.5%水泥摻量，說明水泥摻量是保障水泥穩定碎石混合料強度的重要因素之一。但4.5%水泥摻量下的水泥穩定碎石混合料各項性能均達到規范要求，這表明骨架密實型水泥穩定碎石混合料在降低水泥摻量的前提下仍然具有較高的強度。

2.2 溫度收縮試驗

對7 d齡期的4.5%水泥摻量骨架密實型和中值級配的水泥穩定碎石混合料開展溫度收縮試驗，試驗過程參考《試驗規程》T0855-2009，試驗溫度變化范圍為-30 ℃～30 ℃，自30 ℃起以0.5 ℃/min速率降溫，每5 min采集一次數據，每10 ℃算一個溫度級別，當溫度降到規定的級位時保溫3 h，記錄保溫結束前5 min內數據作為試件的溫縮變形，根據溫縮變形計算其溫縮系數。溫縮系數計算結果如表9所示。

表9 溫縮系數計算結果表(με/℃)

由表9可知，不同級配的水泥穩定碎石的溫縮系數在試驗溫度區間先減小后增大，在0 ℃附近達到最小值，之后慢慢變緩，到-20 ℃左右時基本不再增大。從數據上看，骨架密實型水泥穩定碎石混合料抗溫縮能力較中值級配更優。

2.3 干燥收縮試驗

對4.5%水泥摻量骨架密實型和中值級配水泥穩定碎石混合料開展干燥收縮試驗，試驗過程參考《試驗規程》T0854-2009，試驗結果如圖4所示。由圖4可知，兩種級配水泥穩定碎石混合料平均干縮系數隨齡期增加而逐漸增加，在7 d齡期左右均達到穩定，表明干縮主要發生在7 d齡期以前。骨架密實型水泥穩定碎石混合料與中值級配相比，平均干縮系數較小，且進入干縮穩定期的時間有所提前。

圖4 平均干縮系數隨齡期變化曲線圖

3 工程應用及裂縫統計

將4.5%水泥摻量骨架密實型和中值級配水泥穩定碎石混合料應用于都巴高速公路路面B分部項目，施工3個月后統計這兩種級配的裂縫情況，結果如表10所示。由表10可知，骨架密實型水泥穩定碎石混合料路面的裂縫數量遠低于中值級配，且裂縫主要由非通縫構成，而中值級配基本為通縫，這說明骨架密實型水泥穩定碎石混合料在抗裂方面具有明顯優勢。

表10 裂縫調查統計對比表

4 結語

本文通過體積法中的填充干涉理論原則及i值法，依據室內試驗，設計并優選骨架密實型水泥穩定碎石混合料，對兩種類型水泥穩定碎石混合料的路用性能及工程應用抗裂性能進行研究，得出如下結論：

(1)骨架密實型水泥穩定碎石混合料在水泥摻量為4.5%的前提下依然具有較好的強度，且強度增長規律與5.0%水泥摻量水泥穩定碎石混合料一致，因此骨架密實型水泥穩定碎石混合料可適當降低水泥摻量。

(2)骨架密實型水泥穩定碎石混合料室內溫度收縮和干燥收縮性能優于中值級配水泥穩定碎石混合料。

(3)都巴高速公路路面B分部項目實體工程應用表明，骨架密實型水泥穩定碎石混合料抗裂縫能力優于中值級配水泥穩定碎石混合料。