低水泥劑量水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)層級(jí)配設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

摘要：為減少水泥劑量、控制半剛性結(jié)構(gòu)層開裂，文章結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)水穩(wěn)碎石原材料及配合比進(jìn)行優(yōu)化。研究可知：使用6級(jí)篩分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)減少材料波動(dòng)、提升材料穩(wěn)定性、有效控制強(qiáng)度富余系數(shù)具有積極作用；粗集料非關(guān)鍵篩孔，在級(jí)配中值上下的變動(dòng)不會(huì)顯著影響水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度指標(biāo)，而僅對(duì)攤鋪面表觀均勻性有影響；進(jìn)行該石灰?guī)r級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵篩孔4.75 mm、0.075 mm篩孔的通過(guò)率對(duì)混合料強(qiáng)度及水泥劑量消耗具有較大的影響，其他篩孔參考中值，4.75 mm篩孔的通過(guò)百分率推薦值為30%～33%，0.075 mm篩孔的通過(guò)百分率推薦值為3%～4%，可取得較好的級(jí)配效果。

關(guān)鍵詞：低水泥劑量；水穩(wěn)碎石；關(guān)鍵篩孔；級(jí)配設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U416.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.020

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0062-02

0引言

水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)層具有較好的強(qiáng)度和剛度，且其平整度好、噪音低、行車舒適、施工工藝簡(jiǎn)單，在我國(guó)的公路建設(shè)中被廣泛使用，但是水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)層對(duì)溫度、濕度變化非常敏感，容易在溫度和濕度影響下產(chǎn)生收縮裂縫，縮短了道路使用壽命［1］。在我國(guó)早期的公路建設(shè)中，由于規(guī)范中對(duì)水穩(wěn)碎石的級(jí)配要求非常寬泛［2］，導(dǎo)致碎石級(jí)配不合理，不能起到很好的碎石嵌擠作用，而僅僅依靠提高水泥劑量的方式達(dá)到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求，使水泥劑量普遍較高，進(jìn)一步加劇了道路裂縫的產(chǎn)生，導(dǎo)致路面出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)層開裂及面層的反射裂縫。路段橫向裂縫平均間距約為20 m，而在我國(guó)北方，半剛性結(jié)構(gòu)層嚴(yán)重路段的裂縫間距僅為3～5 m，嚴(yán)重降低了道路的使用壽命［3］。在探究水穩(wěn)碎石的開裂問(wèn)題上，業(yè)界一致認(rèn)為，減少水泥劑量及細(xì)集料用量是提高結(jié)構(gòu)層抗開裂性能的重要措施［4］，但通過(guò)原材料控制及碎石級(jí)配設(shè)計(jì)，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而顯著優(yōu)化水泥劑量［5-6］、改善開裂病害的實(shí)例卻并不多見。因此，本文將結(jié)合工程實(shí)例，重點(diǎn)從材料的級(jí)配設(shè)計(jì)出發(fā)，探索低劑量級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化方法。

某高速公路工程是國(guó)家高速公路網(wǎng)的重要路段，位于四川省中部，屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有夏熱期長(zhǎng)、冬寒期短、潮濕多雨等特征。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）設(shè)計(jì)公路為TTC3類。主車道路面結(jié)構(gòu)形式為：改性瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13上面層+6 cm中粒式改性瀝青混凝土AC-20C下面層+28 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+28 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+15 cm級(jí)配碎石路基改善層。

1原材料

1.1水泥

水泥采用P.O42.5級(jí)緩凝水泥，初凝時(shí)間≥3 h，終凝時(shí)間≥6 h且≤10 h。

1.2粗細(xì)集料

碎石原材料主要來(lái)源于附近石灰?guī)r料場(chǎng)。材料試樣壓碎值為18%～19％，洛杉磯磨耗損失為20%～21％，吸水率＜1％。石灰?guī)r采用三級(jí)連續(xù)破碎工藝加工，水洗除塵設(shè)備控制材料潔凈度及細(xì)粉含量。依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，集料的分檔越細(xì)，對(duì)級(jí)配穩(wěn)定性控制越有利，因此，綜合考慮材料級(jí)配穩(wěn)定性要求及加工成本，該項(xiàng)目碎石按照6級(jí)篩分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，整篩尺寸要求分別為30 mm、22 mm、16 mm、11 mm、6 mm、3 mm，材料分檔分別為19～31.5 mm（1#）、13.2～19 mm（2#）、9.5～13.2 mm（3#）、4.75～9.5 mm（4#）、2.36～4.75 mm（5#）、0～2.36 mm（6#），如圖1所示。為了盡量地保持設(shè)計(jì)級(jí)配且減少水泥的消耗量，粗細(xì)集料要求除了滿足規(guī)范規(guī)定的物理力學(xué)指標(biāo)外，還應(yīng)重點(diǎn)控制粗集料針片狀顆粒含量≤18%（避免碎石破碎影響級(jí)配），粒徑＜0.075 mm顆粒含量≤1%；細(xì)集料粒徑＜0.075 mm顆粒含量控制在10%。

2配合比設(shè)計(jì)及性能檢測(cè)

2.1配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)水穩(wěn)碎石層的級(jí)配控制要求，初擬以下三種碎石級(jí)配，如表1所示，級(jí)配曲線如圖2所示。

A、B級(jí)配的含石率均為68%，即粗細(xì)集料的比例為68∶32。9.5 mm以上篩孔粗集料通過(guò)率參考中值，9.5 mm、4.75 mm、0.075 mm篩孔的通過(guò)率控制在中值以上，即中值偏細(xì)級(jí)配。B級(jí)配在A級(jí)配的基礎(chǔ)上微調(diào)了粗集料的用料比例，9.5 mm篩孔通過(guò)率降低，即增加了粒徑＞9.5 mm篩孔粗集料在整個(gè)粗骨架的占比，但含石率不變，也就是說(shuō)4.95 mm篩孔和0.075 mm篩孔的通過(guò)率無(wú)較大變動(dòng)。

C級(jí)配的含石率為71%，即粗細(xì)集料的比例為71∶29，粗集料其他篩孔的通過(guò)率在中值左右波動(dòng)，關(guān)鍵篩孔4.75 mm篩孔的通過(guò)率控制在中值偏下，即中值偏粗級(jí)配，粉料0.075 mm篩孔含量控制在級(jí)配中值附近。

2.2現(xiàn)場(chǎng)施工及指標(biāo)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)拌和使用了性能較好的800型雙拌缸拌和機(jī)進(jìn)行拌和，每個(gè)拌缸的拌和長(zhǎng)度≥3 m。為了明確大規(guī)模拌和對(duì)材料級(jí)配波動(dòng)的影響，試驗(yàn)小組針對(duì)三種配合比在大規(guī)模生產(chǎn)中的出料均勻性及重要篩孔波動(dòng)范圍進(jìn)行了跟蹤。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

不同生產(chǎn)日期內(nèi)，在施工現(xiàn)場(chǎng)按照每日兩次的頻率，抽取混合料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件制件。制件方式采用靜壓成形法，每組試驗(yàn)制件數(shù)量≥9個(gè)。經(jīng)室內(nèi)檢測(cè)，得出不同碎石級(jí)配及水泥劑量下，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如表3所示。

3結(jié)果分析

從生產(chǎn)中出料均勻性檢測(cè)情況看，當(dāng)使用6級(jí)篩分標(biāo)準(zhǔn)的碎石原材進(jìn)行混合料拌和時(shí)，各配合比的強(qiáng)度最小值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值間的差異可控制＜0.4 MPa，表明當(dāng)原材料使用穩(wěn)定的6級(jí)篩分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)混合料均勻性有顯著的提升，可有效減少由于材料波動(dòng)引起的強(qiáng)度不合格情況，降低材料的強(qiáng)度富余系數(shù)，節(jié)省水泥。

通過(guò)對(duì)比A、B、C三個(gè)碎石級(jí)配的水泥消耗量及強(qiáng)度指標(biāo)可知，在A、B、C三個(gè)碎石級(jí)配中，C級(jí)配的力學(xué)嵌擠最佳，達(dá)到要求的材料強(qiáng)度時(shí)，水泥消耗量最少。

當(dāng)水泥劑量同為3.0%時(shí)，A級(jí)配與B級(jí)配的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值及強(qiáng)度富余系數(shù)值均相當(dāng)，表明粗集料非關(guān)鍵篩孔在級(jí)配中值上下的變動(dòng)不會(huì)顯著影響水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度指標(biāo)。但通過(guò)攤鋪后的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層表面狀態(tài)看，B級(jí)配更均勻，縱向離析帶較A級(jí)配窄，雖然A、B級(jí)配強(qiáng)度差異小，但級(jí)配曲線上端材料占比多時(shí)（即1#材料在粗骨架中占比多），混合料攤鋪離析情況比粗骨架中間級(jí)配材料多時(shí)更不易控制。

當(dāng)B、C級(jí)配水泥劑量均為2.8%時(shí)，由于C級(jí)配關(guān)鍵篩孔4.75 mm及粉料篩孔0.075 mm的通過(guò)百分率明顯降低，即材料骨架明顯變粗，因此C級(jí)配對(duì)水泥劑量的消耗顯著降低，同時(shí)表明關(guān)鍵篩孔變粗對(duì)水穩(wěn)材料強(qiáng)度的提升具有正面作用。當(dāng)4.75 mm篩孔的通過(guò)百分率保持在中值偏下即級(jí)配骨架較粗、并控制0.075 mm篩孔以下粉料含量在中值上下時(shí)，有利于減少水泥劑量。

綜合A、B、C級(jí)配及出料均勻性檢測(cè)結(jié)果可知，針對(duì)此石灰?guī)r進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，4.75 mm、0.075 mm的篩孔通過(guò)率對(duì)材料強(qiáng)度及水泥劑量消耗具有較大的影響。在其他篩孔參考中值時(shí)，4.75 mm篩孔通過(guò)百分率的推薦值為30%～33%、0.075 mm篩孔的通過(guò)百分率推薦值為3%～4%時(shí)，可得到較好的級(jí)配效果，水泥消耗量低。

分別對(duì)B級(jí)配和C級(jí)配的水泥劑量按照0.2%的梯度進(jìn)行優(yōu)化，B級(jí)配2.8%的水泥劑量與C級(jí)配2.6%的水泥劑量相當(dāng)，當(dāng)C級(jí)配的水泥劑量降低到2.4%時(shí)，剛好能夠滿足水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度要求，且其富余可控制在1.1以內(nèi)。通過(guò)級(jí)配優(yōu)化，水泥劑量為2.4%時(shí)的材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4.0 MPa以上，在國(guó)內(nèi)的施工實(shí)例中是比較少見的。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)選取四川省某高速公路項(xiàng)目水穩(wěn)碎石級(jí)配設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化和總結(jié)，取得了較好的試驗(yàn)效果，通過(guò)分析水泥劑量?jī)?yōu)化的方法，得出了基于原材控制及關(guān)鍵篩孔控制的級(jí)配控制方法。

（1）使用6級(jí)篩分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碎石原材料及原材料粉塵加以控制，對(duì)減少材料波動(dòng)，提升材料穩(wěn)定性，減少?gòu)?qiáng)度富余系數(shù)具有積極作用。同時(shí)，該項(xiàng)目中采用3 mm、6 mm、11 mm、16 mm、22 mm、30 mm整篩控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行碎石生產(chǎn)是合理的組合。

（2）粗集料非關(guān)鍵篩孔在級(jí)配中值上下的變動(dòng)不會(huì)顯著影響水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度指標(biāo)，僅對(duì)攤鋪面表觀均勻性有影響。

（3）進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，4.75 mm、0.075 mm的篩孔通過(guò)率對(duì)材料強(qiáng)度及水泥劑量消耗具有較大的影響。其他篩孔參考中值，4.75 mm篩孔通過(guò)百分率的推薦值為30%～33%，0.075 mm篩孔的通過(guò)百分率推薦值為3%～4%。

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作者簡(jiǎn)介：劉麗（1989—），碩士，工程師，主要從事高速公路工程建設(shè)路面技術(shù)咨詢及科研創(chuàng)新工作。

收稿日期：2024-05-16