◎ 深圳市鹽田港建筑工程檢測有限公司 劉永紅

1.問題的提出

在我國高等級公路的建設(shè)中，半剛性材料被用作公路路面的基層材料，并在目前的公路建設(shè)中占有越來越重要的位置。在這些材料中，特別是水泥穩(wěn)定碎石基層具有較高的強(qiáng)度和承載能力，主要表現(xiàn)在具有較高的抗壓強(qiáng)度和剛度，一定的抗彎拉強(qiáng)度，并且它們都具有隨著齡期不斷增長的特性，因此水泥穩(wěn)定碎石基層通常具有較小的變形和荷載擴(kuò)散能力。修在這種基層材料的瀝青面層彎拉應(yīng)力值相應(yīng)較小，從而提高了瀝青面層抵抗車荷載疲勞破壞的能力，其次，它還具有較好的穩(wěn)定性。

盡管水泥穩(wěn)定碎石混合料被用作路面基層時有諸多優(yōu)點，但并不是所有采用水泥穩(wěn)定碎石混合料作路面基層的道路結(jié)構(gòu)都能獲得預(yù)期的效果。隨著水泥穩(wěn)定碎石混合料在我國的大量使用，逐漸發(fā)現(xiàn)把它用于基層時也存在著一些有待解決的問題。

由于水泥穩(wěn)定碎石呈脆性，且對溫度、濕度的變化比較敏感，在施工及使用過程中，會在溫度或濕度交替變化時容易產(chǎn)生收縮開裂。從己建成的高速公路使用調(diào)查來看，水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫問題日益突出，并己成為該結(jié)構(gòu)的主要缺陷。

早期的裂縫對行車并無明顯的影響，但隨著表面雨水的侵入，在大量行車荷載反復(fù)作用下，會導(dǎo)致路面強(qiáng)度明顯下降，產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象，使裂縫加寬，裂縫兩側(cè)的瀝青面層碎裂，影響了瀝青路面的使用性能。

鑒于上述問題，有必要對水泥穩(wěn)定碎石混合料作為基層的配合比設(shè)計、路用性能進(jìn)行試驗分析，尋求一種比較合理的集料級配，使其呈現(xiàn)較好的路用性能。這對最大限度地減少收縮裂縫，延長道路使用壽命，有著一定的現(xiàn)實意義。

2.礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計

2.1 水泥穩(wěn)定碎石組成級配類型

2.1.1 連續(xù)級配（骨架密實結(jié)構(gòu)）

連續(xù)級配是某一礦料在標(biāo)準(zhǔn)套篩中進(jìn)行篩分后，礦料的顆粒由大到小連續(xù)分布，每一級都占有適當(dāng)?shù)谋壤?。三軸試驗表明，這種結(jié)構(gòu)的混合料不僅具有較高的內(nèi)摩阻角，而且具有較高的粘結(jié)力。屬于這種結(jié)構(gòu)類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有最優(yōu)的力學(xué)性能，抗收縮性能和抗沖刷性能等。

2.1.2 間斷級配（懸浮密實結(jié)構(gòu)）

在礦料顆粒分布的整個區(qū)間內(nèi)，從中間剔除一個或幾個連續(xù)粒級，形成一種不連續(xù)的級配。這種結(jié)構(gòu)中的細(xì)集料較多，而粗集料較少，且相互之間沒有接觸，不能形成骨架粗顆粒，猶如懸浮于細(xì)顆粒之中。三軸試驗表明，該種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的粘結(jié)力，但內(nèi)摩阻角較低，其強(qiáng)度主要受粘結(jié)力所控制，在外部荷載的作用下，易產(chǎn)生破壞。按這種結(jié)構(gòu)修筑的水泥穩(wěn)定碎石基層，其路用性能受結(jié)合料性質(zhì)的影響較大，特別是其抗收縮性能較差，基層容易產(chǎn)生收縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生嚴(yán)重破壞了基層的整體性，這樣很容易造成路面結(jié)構(gòu)的破壞，因此，應(yīng)避開集料形成懸浮密實結(jié)構(gòu)。

2.1.3 連續(xù)開級配（骨架空隙結(jié)構(gòu)）

整個礦料顆粒分布范圍較窄，從大到小僅在數(shù)個粒級上以連續(xù)的形式出現(xiàn)，形成連續(xù)開級配。在這種結(jié)構(gòu)中，一般是粗集料較多，而細(xì)集料數(shù)量過少，集料能夠形成骨架，但其殘余空間較大。三軸試驗表明，雖然這種結(jié)構(gòu)粘結(jié)力較低，但其內(nèi)摩阻角較大，其強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩阻力。因此形成的水泥穩(wěn)定級配碎石層，受結(jié)合料性質(zhì)的影響較小，因而其具有收縮性能較好。但這種結(jié)構(gòu)的空隙率太大，使基層的耐久性受到影響。

綜上所述，礦質(zhì)混合料中各組成成分的空間位置排列不同，就會導(dǎo)致混合料整體性質(zhì)發(fā)生變化，而連續(xù)級配中的骨架密實結(jié)構(gòu)汲取了懸浮密實結(jié)構(gòu)和骨架空隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。在振碾工藝條件下，骨架密實結(jié)構(gòu)能夠合粗細(xì)集料之間的緊密嵌擠作用發(fā)揮出來，提高混合料各方面的性能指標(biāo)。

2.2 礦料的組成設(shè)計方法

由于工程實際中由料場提供的各規(guī)格集料往往很難直接滿足設(shè)計級配的要求，所以往往要采用兩種或兩種以上集料結(jié)合起來使用。

2.2.1 計算法進(jìn)行礦料的配合比設(shè)計

（1）建立基本計算方程

以三種規(guī)格的集料進(jìn)行級配設(shè)計為例。設(shè)有A、B、C三種集料在某一篩孔上的分計篩余分別為αA（i）、αB（i）、αC（i），打算配制礦質(zhì)混合料M，混合料M在相應(yīng)篩孔上的分計篩余百分率為αM（i）。設(shè)A、B、C三種集料在混合料中的比例分別為X、Y、Z。則得下式。

（2）基本假設(shè)

在礦質(zhì)混合料中，假定混合料中某一級粒徑的顆粒僅由這三種集料中的一種集料來提供，而其他兩種集料中不含這一粒徑的顆粒，此時這兩種集料相應(yīng)的分計篩余百分率為零。如設(shè)在i粒級僅A集料在此粒級上存在分計篩余，其他兩個集料B和C的分計篩余全部是零，從而簡化計算過程。

（3）計算

根據(jù)上述假設(shè)，式（1-2）成為：

αA（i）X=αM（i）

而A集料在混合料中所占的比例為：

同理，按此假設(shè)可計算C集料在混合料中的比例。設(shè)在j粒級上其他兩個集料A和B在該粒徑上的分計篩余百分率也是零，則有：αC（j）Z=αM（j）

即C集料在混合料中的比例是：

最后得到B集料在混合料中的比例：

Y=100%-X-Z

（4）校核調(diào)整：

對以上計算得到的各集料比例即配合比要進(jìn)行驗算，如得到的合成級配不在所要求的級配范圍，應(yīng)調(diào)整初步配合比并重新驗算，直到滿足級配要求為止。

2.2.2 圖解法進(jìn)行級配設(shè)計

（1）繪制框圖

按比例繪制一矩形框圖，從左下向右上引對角線OO’，作為合成級配的中值，見下圖2-1?？v坐標(biāo)表示通過量百分率刻度；橫坐標(biāo)則表示篩孔尺寸，而各個篩孔具體位置則根據(jù)合成級配要求的某篩孔通過率百分率中值，在縱坐標(biāo)上找出該中值的位置，然后從縱坐標(biāo)引水平線與對角線相交，再從交點處向下做垂線，垂線與橫坐標(biāo)的交點即為該篩孔相應(yīng)位置。依此類推，找出全部篩孔在橫坐標(biāo)上的具體位置。

（2）確定各集料用量

將參與級配合成的各集料的通過量繪制在框圖中，用折線的形式連成級配曲線。假設(shè)以四種集料進(jìn)行級配合成，根據(jù)框圖中相鄰兩條級配曲線的關(guān)系，確定各集料在混合料中的摻配比例。

（a）重疊關(guān)系∶

相鄰兩條曲線相互重疊，圖2-1集料A的級配曲線下部與集料B

圖2-1

的級配曲線上部搭接。針對這種相鄰關(guān)系，在兩條級配曲線之間引一條垂線AA’，要求該垂線與集料A的級配曲線和集料B的級配曲線所截取的截距相等，即a=a’。此時垂線與AA’對角線OO’相交于點M，再通過點M引水平線與縱坐標(biāo)交于P，OP線段的幾何長度就是集料的A的用量比例。

（b）相接關(guān)系：相鄰兩條曲線首尾相接，圖2-1中集料B的末

端與集料C的首端正好相接。針對這種相鄰關(guān)系，此時只需從C集料的首端向B集料的末端引垂線BB’，該垂線與對角線OO’相交于點N，過點N引水平線與縱坐標(biāo)交于點Q，則PQ線段的幾何長度就是B集料的用量比例（%）。

（c）分離關(guān)系：相鄰兩條曲線分離，圖2-1中集料C的級配曲線與集料D的級配曲線在水平方向彼此分離。此時做一條垂線CC’平分這段水平距離，要求b=b’。垂線CC’與對角線OO’交于點R，通過該點引水平線與縱坐標(biāo)交于點S，則OS線段的幾何長度就代表集料C的用量比例（%）。剩余的ST即為集料D的用量比例。

（d）與試算法相同，根據(jù)圖解過程求得的各集料用量比例，計算出合成級配的結(jié)果。當(dāng)合成級配超出級配范圍時，說明圖解法得到的比例不是很合適，需要進(jìn)行各集料的用量調(diào)整，直到滿足設(shè)計級配的要求為止。

2.2.3 計算法進(jìn)行級配設(shè)計實例

［題目］深圳市大工業(yè)區(qū)金牛西路市政工程水泥穩(wěn)定碎石層礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計

表2-1

［原始資料］現(xiàn)有5～31.5mm碎石、5～10mm碎石、石粉渣三種礦質(zhì)材料，計算法過程列如表2-1

按計算法由此得出的水泥穩(wěn)定級配碎石的摻入比例為：

5～31.5mm碎石占40%；

5～10mm碎石占30；

石粉渣占30%。

3.水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能研究

通過前面的試驗，確定了水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比的試驗方法，為了評價用以上方法進(jìn)行配合比設(shè)計的效果，必須對設(shè)計的配合比進(jìn)行一些路用性能試驗。如力學(xué)性能、抗沖刷性能、抗收縮性能等指標(biāo)。

3.1 力學(xué)性能分析

3.1.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長規(guī)律

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評價水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的一個重要指標(biāo),在《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JGJ034-2000)中,對水泥穩(wěn)定碎石混合料應(yīng)用于各級公路的指標(biāo)就是混合料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但7d強(qiáng)度不能反映出其后期強(qiáng)度特性。對于水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度，不但要了解其早期的變化規(guī)律，還需要了解其發(fā)展規(guī)律。本文分別對水泥穩(wěn)定碎石混合料的7d、28d、90D強(qiáng)度進(jìn)行了測試，從而掌握其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度長期性能的規(guī)律性。

將養(yǎng)生至齡期且飽水24h后的試件放在路面材料強(qiáng)度試驗儀的升降臺上，使試件的形變以約1mm/min的等速率增加進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。

抗壓強(qiáng)度結(jié)果表現(xiàn)如表3-1：

由上圖可以看出，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度隨齡期的增加而增長，在齡期小于28d時，其強(qiáng)度增長幅度最大；在齡期大于28d時，強(qiáng)度基本上呈線性增長趨勢且增長趨勢變緩?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》（JTJ034-2000）對水泥穩(wěn)定碎石混合料用在高等級公路的基層時，7d的強(qiáng)度要求為3～5MPa。而用第二章的方法配制的水泥穩(wěn)定碎石混合料的7d強(qiáng)度超過了這個范圍的最大值的5%，28d超過最大值的20%左右。

3.1.2 抗壓回彈模量試驗

抗壓回彈模量的測定采用頂面法。首先用水泥凈漿和0.25～0.50mm的細(xì)砂將試件的兩個端面整平并浸水24h。將浸水24h的試件取出用布擦干并放在加載底板上，在試件頂面撤少量的細(xì)砂，以增加頂板與試件的接觸面積。把試件放到路面材料強(qiáng)度試驗儀的升降臺上，然后安置千分表。安置千分表時，應(yīng)使千分表的腳支在加載頂板直徑線的兩側(cè)并離試件中心距離大致相等。為了能夠使加載頂板與試件表面緊密接觸，調(diào)整千分表的指針，以便試驗過程中數(shù)據(jù)的記錄。將預(yù)定的單位壓力分成5～6個等分，作為每次放回的壓力值。施加第1級荷載（為預(yù)定最大荷載的1/5），待荷載作用達(dá)1min時，記錄千分表的讀數(shù)，同時卸去荷載，讓試件的彈性變形回復(fù)。到0.5min時記錄千分表的讀數(shù)。如此逐級進(jìn)行，同時卸去荷載，讓試件的彈性變形回復(fù)。以單位壓力P為橫坐標(biāo)，以回彈形變?yōu)榭v坐標(biāo)，繪制曲線，修正曲線開始段的虛假變形。按下式計算回彈模量E：

E=PH/l

式中：P—單位壓力（MPa）

H—試件高度（mm）

l—試件回彈變形（mm）

表3-3

回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)之一。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對基層的回彈模量要求是比較嚴(yán)格的。因為基層的路用性能對回彈模量的大小變化非常敏感，嚴(yán)重影響基層的抗裂性。試件在不同齡期的抗壓回彈模量變化規(guī)律結(jié)果見表3-2

從圖3-2可以看出，回彈模量增長規(guī)律同強(qiáng)度增長規(guī)律基本一致?；貜椖Ａ吭鲩L規(guī)律解釋是：穩(wěn)定類材料抗壓回彈模量取決于原材料本身模量、反應(yīng)生成物模量及其組成結(jié)構(gòu)型式等。初期由于反應(yīng)則進(jìn)行，膠結(jié)料的形成不足以使混合料具有較高的強(qiáng)度，因此早期回彈模量主要由材料組成結(jié)構(gòu)形成及原材料本身模量決定，所以表現(xiàn)為很小。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，膠結(jié)物不斷生成，合顆粒之間連接和整體結(jié)構(gòu)逐步加強(qiáng)，所以在圖上表現(xiàn)為回彈模量逐步增大。由第二章配制的水泥穩(wěn)定混合料具有較好的回彈模量。

3.2 壓實度試驗

通過第二章配制的混合料配合比，摻入6%的P.C32.5水泥 ,制成6%水泥穩(wěn)定級配碎石混合料。用機(jī)械攪拌,混合料的攤鋪采用WTU95D型攤鋪機(jī),壓路機(jī)采用3Y18×21型壓路機(jī)、YZ14B型振動壓路機(jī)和YZ20JC型振動壓路機(jī)。碾壓的過程為：先用YZ14B型振動壓路機(jī)靜壓兩遍，再用YZ20JC型振動壓路機(jī)振碾三遍，然后用3Y18×21型壓路機(jī)靜壓一遍。碾壓完成后，進(jìn)行壓實度試驗，試驗采用灌砂法。試驗結(jié)果如表3-3：

小結(jié)：

從力學(xué)性能無側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過規(guī)范的要求并且回彈模量指標(biāo)也較好，壓實度指標(biāo)均勻性好，具有穩(wěn)定的壓度度，對于提高基層的路用性能非常重要。因此，采用第二章設(shè)計的水泥穩(wěn)定級配碎石混合料，即骨架型水泥穩(wěn)定碎石層具有較好的綜合路用性能。

表3-1

表3-2