水泥稳定级配碎石最大干密度影响因素研究

2017-04-27周永军

四川水泥 2017年2期

关键词：碎石含水率压实

周永军

(四川交投建设工程股份有限公司)

水泥稳定级配碎石最大干密度影响因素研究

周永军

(四川交投建设工程股份有限公司)

最大干密度是水泥稳定级配碎石施工过程中质量控制的重要参数，直接决定基层压实度的大小，而压实度是反映基层内在质量的关键性指标。本文研究了材料密度、含水率、混合料级配对最大干密度的影响，为提高水稳基层施工质量提供了重要依据。

基层；最大干密度；影响因素

1、引言

随着我国经济的高速发展，交通组成复杂化，交通量也越来越大，这对道路施工质量的要求也越来越高。底基层、基层是高级路面主体，是路面抵抗车辆荷载作用的主要承重层。底基层、基层施工质量好坏对路面的使用寿命及服务水平将起决定作用。为了满足高速公路重交通的使用要求,路面底基层、基层必需具备抗压强度高,整体稳定性好,抗疲劳能力强的特点。实践证明用水泥稳定级配碎石、二灰碎石铺筑的路面基层、底基层都具备抗压强度高整体稳定性好，抗疲劳、寿命长的优点。因此水泥稳定级配碎石、二灰碎石已成为我国高速公路路面工程中理想的基层、底基层材料。最大干密度是水泥稳定级配碎石、二灰碎石施工过程中质量控制的重要参数，其直接决定了基层压实度的大小，是反映基层内在质量的一项重要技术指标，因此在施工中必须严格控制。若基层压实度不够，会导致基层的抗压能力不足，影响其路面结构的整体稳定性和抗疲劳性，主要表现基层开裂，裂缝反射到沥青面层上，导致沥青路面开裂，大大降低沥青路面的使用性能。本文以遂宁至广安高速公路项目为依托，通过室内试验、现场施工检测等技术手段，研究了材料密度、含水率、混合料级配对最大干密度的影响。

2、原材料技术指标

本项目基层集料采用涪江5cm以上卵石经颚破、反击破和冲击破后，然后依次通过28mm、22mm、16mm、11mm、6mm、3mm的振动筛筛分成。

碎石采用遂宁涪江卵碎石，分 19-26.5mm、13.2-19mm、9.5-13.2mm、4.75-9.5mm、2.36-4.75mm和0-2.36mm六种规格，均水洗，其中0-2.36mm为机制砂。水泥均采用四川蓬溪青山水泥建材有限公司生产的缓凝P.C32.5水泥。各级碎石经筛分后，级配见表1。

各级集料筛分级配表1

3、混合料组成设计

根据各级集料的筛分结果，参照相关规范及以往施工的成功经验，经掺配设计后，确定基层材料的比例为 19-26.5mm:13.2-19mm:9.5-13.2mm:4.75-9.5mm：2.36-4.75mm:0-2.36mm=18:18:13:14:11:26，合成级配如表2及图2-1所示。

集料合成级配表2

图2-1 设计矿质混合料级配组成曲线

4、最大干密度的确定

采用上述掺配的级配碎石，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的规定制备样品，掺入水泥，采用振动成型方法进行室内试验。初定水泥剂量分别为2.8%、3.2%、3.5%（外掺），水的掺量从小至大依次采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%。经试验、计算和制图可获得不同水泥剂量下最佳含水率，以及所对应的最大干密度。图4-1至4-3为水泥剂量分别为2.8%、3.2%、3.5%的两组平行试验含水率与干密度曲线图。3种不同水泥剂量下的最佳含水率及最大干密度结果见表3。

图4-1 水泥剂量为2.8%两组平行试验含水率与干密度曲线

图4-2 水泥剂量为3.2%两组平行试验含水率与干密度曲线

图4-3 水泥剂量为3.5%两组平行试验含水率与干密度曲线

不同水泥剂量下最佳含水率及最大干密度表3

从表 3可以看出，随水泥剂量的增大，所对应的最佳含水率相应的增大，而混合料的最大干密度也增大，三者表现出良好的相关性。在往水泥碎石混合料中加水时，水一部分用来参加了水化反应，一部分作为各颗粒之间的润滑剂，同时在操作过程中蒸发损失部分水，因此随水泥剂量的增加，最佳含水率增大。水泥的比重大，同时水泥作为填料填入混合料缝隙，成型试件的空隙减小，密度增大。由上可知试验结果与理论分析结果一致。

为了研究现场施工工艺对成型后水稳混合料最大干密度的影响，并验证现场的最大干密度与室内结果是否一致，采用室内设计的混合料及试验确定的最佳含水率（施工时，水泥剂量采用3.2%，含水率比最佳含水率大0.5-1.0%）铺筑试验路。对试验路实际铺筑的混合料级配、水泥剂量及最大干密度进行了检测。试验路实测混合料级配见表4。

试验路实测混合料级配表4

经检测，3次取样采用EDTA滴定法进行滴定试验，获得混合料的灰剂量分别为3.3%、3.1%、3.1%，与设计水泥剂量基本一致。对各碾压遍数下混合料的干密度进行了检测，结果见表5所示。

碾压遍数与干密度表4

从表4可看出，开始阶段，水稳混合料干密度随振动碾压遍数的增加而变大，在第 5遍达到最大值，继续碾压干密度下降。据此可确定该基层试验段的最大干密度为 2.363g/cm3，最佳含水率为 4.6%，作为本合同段底基层施工时的压实度控制标准。

试验段混合料的级配、灰剂量和室内振动压实试验的结果基本一致，但是干密度相差很大，主原因是现场的碾压功超过室内振动压实试验的压实功。为了切实控制现场的施工质量，因此采用试验路现场的干密度作为最大干密度作为施工过程的压实控制标准。

5、最大干密度的影响因素

下面将通过对遂宁至广安高速公路施工现场及室内试验的数据进行分析，主要从材料密度、含水率、混合料级配等方面研究最大干密度的影响因素。

5.1 材料密度对干密度的影响

水泥稳定级配碎石是由碎石和水泥、水组合而成，其干密度的大小取决于材料的密度和其组成比例。本次研究采用了甲、乙2种碎石材料，设计同样的级配，并使用同一水泥进行试验。试验结果见表5。

甲、乙类集料最大干密度对比表5

从表 5可知，在相同的结合料剂量条件下，甲类碎石混合料材料密度普遍低于乙类碎石混合料材料密度，最终乙类混合料得到的最大干密度大于甲类混合料得到的最大干密度。因此混合料材料密度越大、比例越高，最终的干密度也就越大。

5.2 混合料含水率对干密度的影响

为获得水泥混合料含水率对其干密度的影响规律，通过室内试验对不同水泥剂量下的混合料采用振动成型法进行了试验，并对不同水泥剂量混合料的含水率与干密度进行统计，结果见表6。

不同水泥剂量的含水率与干密度关系表6

从表 6知：当水泥混合料的含水率未达到最佳含水率时，干密度随含水率的增加，但当水泥混合料的含水率达到最佳含水率后，随着混合料含水率的增加，干密度会有所降低。从机理上分析：碎石的填充效果是要通过压路机的碾压来实现，在碾压过程中，合理的含水率，可以对石料外表面起到较好的润湿，具有一定的润滑作用，便于现场压实；当含水率较大时，碾压石料时，又会产生相对滑移，压实效果又会降低，如施工过程中出现“弹簧”现象。因此在实际工程中，要得到最大干密度、最大压实效果，应在最佳含水率下进行压实。

5.3 混合料级配对最大干密度的影响

从室内试验和现场检测数据分析来看，混合料级配对干密度的影响也比较明显。级配理论可将水泥稳定级配碎石密实的原理解释为大料的空隙用小料填充，小料之间的空隙用更小的料填充，碎石的级配合理时，其填充的比较密实，干密度会变大。室内试验及现场检测表明2.36-4.75mm碎石、小于0.075mm颗粒（粉尘）的含量对水泥稳定级配碎石干密度的影响比较其它各级料更为明显。当合成级配中 2.36-4.75mm碎石含量较小时，碎石的嵌挤效果明显增强，干密度也会随之增大。在本项目的施工中，在水泥稳定级配碎石合成级配中 2.36-4.75mm的碎石只有8%左右，其干密度达到2.382g/cm3，现场的施工质量也明显增强，骨架作用提高，强度增大。小于0.075颗粒（粉尘）含量增大，粉尘的填充效果增强，干密度也会增大。而水泥稳定级配碎石合成级配中2.36-4.75mm的集料超过12%时，成型后的混合料干密度明显下降，2.36-4.75mm含量为14%的混合料对应的干密度为2.347g/cm3。