水泥稳定碎石基层的最低劈裂强度和抗压强度研究

田宇飞

（乌兰察布市金桥公路工程有限责任公司， 内蒙古 乌兰察布 012000）

水泥稳定碎石基层强度高、整体性好、承载能力大,作为道路的主要承重层,在我国各种道路，特别是高等级道路中得到了广泛应用,为道路交通运输业的发展起了很大的作用。

水泥稳定碎石具有-一定的抗拉强度,环境温度越高、龄期越长,其强度和刚性(回弹模量)也越大.因此其优点是相当突出的。但是水泥稳定碎石混合料经拌和压实后,因水分蒸发和混合料内部发生水化作用而产生体积收缩,以至出现收缩裂缝,引起沥青面层发生所谓的反射裂缝之后，一旦有水分进人，就将影响沥青路面的使用性能和使用寿命。所以,其缺点也是相当明显的。大量研究表明:水泥稳定碎石的强度与其收缩量关系很大，一般规律是强度升高,收缩量增大。因此，制定水泥稳定碎石基层的强度标准时应该考虑在一定的安全度条件下,与其受力状况相适应。

水泥的类型和用量、细集料的含量、颗粒含量和混合料的含水量的因素都影响着水泥碎石强度，因此在实际工程应用中，为了达到施工要求，收缩裂缝，必须改善水泥的级配组成，在满足规范所规定的抗压强度前提下，限制水泥的用量；同时，还要在减少集料中含泥量的情况下，限制细集料的用量，尤其是 0.075mm以下颗粒的含量；另外，还需要考虑实际施工时的气候条件来调节水泥的含水量等。实践证明，这些措施能够有效的改善水泥裂缝情况，但是对于水泥稳定碎石的7d抗压强度的大小却没有明确规定，这一问题仍然困扰着世人。

鉴于以上原因，本文针对高级道路沥青路面中的水泥碎石基层，研究其在施工期间和在设计使用寿命期间可以承受的受力状态，根据研究结果，提出了水泥稳定碎石基层在不同交通等级下的适宜轻度建议标准值。

1 受力状态下水泥稳定碎石基层强度标准值

水泥稳定碎石具有良好的强度、刚度和板体性，较好的水稳定性和抗冲刷能力,在路面基层底基层中得到了广泛的应用。抗压强度是当前规范确定水泥稳定碎石配合比的唯一指标。劈裂强度是确定水泥稳定碎石结构层容许拉应力的关键指标，是水泥稳定碎石结构层设计参数之一。为保证结构承载力,《公路沥青路面设计规范》(JTGD50一2006)规定,水泥稳定碎石基层和底基层的7d无侧限抗压强度分别为2.5-4.5 MPa、不小于1.5 MPa。但在结构设计中并非是以抗压强度作为指标，而是以各层的层底拉应力为指标，抗压强度和劈裂强度之间虽然存在着一定的相关关系,但并不能直接反映层底拉应力的大小，这导致设计指标和施工指标的不一致。

1.1 国内外的相关规定

我国水泥稳定碎石基层作为沥青路面的结构层次,其抗压强度标准(7d浸水)在我国《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034--2000)中有明确规定。该规范还特别注明:设计年限内每一个车道上的BBZ-100kN累计当量轴次Ne<1200*104的公路可采用低限值;Ne>1200*104的公路可采用中值;主要行驶重载车辆的公路应采用高限值;某一具体公路应采用一个值，而不采用某一范围。在即将出版的公路沥青路面设计规范中,按照不同的交通等级,对水泥稳定碎石基层的 7d抗压强度也有具体规定。其中规定:当Ne<150*104时为低交通等级(A); Ne= 150*104-400*104时为轻交通等级(B); Ne=400X104-1200X104时为中交通等级(C); Ne=l200* 104-3 000*104时为重交通等级(D), Ne> 3000*104时为特重交通等级(E)。

日本:在 2001年发布的“路面结构技术标准及解析”中,对水泥稳定碎石用于上基层时的7d抗压强度规定为2. 90 MPa,用于底基层时则规定为0.98 MPa。日本的标准轴载为49 kN.

南非:用于其A类道路(主要城市间的高速公路及乡村道路Ne= 100*104-300*104)和 B类道路(城间千道、乡村道路,Ne=300*104-1000*104)时,水泥稳定碎石基层的抗压强度规定为 1.5~3.5MPa;用作底基层时则为 0.75-1.50MPa.南非的标准轴载为80kN.

德国:规定水泥稳定碎石28 d抗压强度平均值≥7.0 MPa,其中每个试件的28 d抗压强度≥3.5MPa。在这种结构中，沥青层的厚度为26厘米。当水泥稳定碎石的28d抗压强度≥9.0MPa时，水泥稳定碎石称重层要切槽、留缝。

法国：规定水泥稳定碎石基层的28d抗弯强度为1.2MPa以上。

由以上及其他资料得出：国外对水泥稳定碎石基层的强度要求都略低于我国。

1.2 形成原理

水泥稳定碎石基层是用碎石、石屑、水泥和水按一定的配合比掺和,经拌和得到混合料，混合料通过摊铺,在最佳含水率状态时压实后经养护成型,抗压强度达到规范要求的一种集料板体结构层。它是以一定级配的碎石为骨料,以石屑为填充料,以水泥为水硬性结合料组合而成的半刚性基层材料。其强度形成与碎石级配、压实度、水泥和粒料之间的水热化学反应等有直接联系。

嵌挤作用决定了水泥稳定碎石混合料中的碎石具有一定的粒径级配范围，经过拌合之后，混合料中的大小颗粒进行重新排列组合,小颗粒填充大颗粒之间的间隙,在机械碾压作用下,大小颗粒紧密地嵌固在一起。 颗粒之间的嵌挤作用和摩阻作用形成结构层的内摩阻力,使水稳层具有一定的强度和稳定性。水泥硬化作用使水泥中的矿物成分与水发生强烈的水解反应和水化反应,同时在溶液中分解出Ca(OH)2形成水化物,各种水化物生成后,有的继续硬化，形成水泥石骨架,有的则与碎石中的其他矿物质发生硬凝作用和碳酸化作用,生成稳定的不易分解的矿物质,从而增大了水泥稳定碎石的强度。另外化学激发作用也是形成的原因之一，石屑中矿物成分的活性被Ca(OH)2激发,与钙离子发生反应生成具有胶凝能力的新矿物质,这些具有胶结作用的物质包裹在碎石颗粒表面，与水泥水化物一起将混凝料中的颗粒凝结成-一个整体。使得水泥稳定碎石基层的强度和水稳定性得到进一步提高。

1.3 实验依据和方法

如前所述，国内外对水泥稳定碎石基层的抗压强度标准值是依据公路等级、交通量大小及其在路面结构中的层次和所发挥的作用定出的.这些依据虽然正确，但都只是宏观的外部条件,要确定其强度标准还应该从受力状态出发,即深入考虑道路运营和施工期间水泥稳定碎石基层在车辆荷载作用下所承受的应力状态.这样的分析方法可使材料的力学特性更为明确,更符合实际情况. 具体方法和步骤如下:(1)针对现行沥青路面常用结构组合,按照相关规范所提供的设计参数,利用弹性层状体系理论的有关计算程序,计算水泥稳定碎石结构层的受力状态;(2)考虑道路所承受的交通量大小,初步确定水泥稳定碎石基层所应具备的抗弯强度标准值;(3)考虑水泥稳定碎石混合料在现场和室内配料、拌和等工序上的变异性;(4)基于我国公路沥青路面设计规范对水泥稳定碎石基层的抗弯强度指标是以试件90 d龄期为依据，而公路路面基层施工技术规范是以抗压强度为指标(在工程实践中抗压强度试验较抗弯强度试验简单、方便),故尚需将水泥稳定碎石基层的90d抗弯强度值转换成抗压强度值;(5)根据水泥稳定碎石基层抗压强度随龄期的增长而增长的规律,计算其7d龄期的抗压强度值.

2 影响水泥稳定碎石基层抗压强度的因素

2.1 水泥掺量及级配对水稳层的基实的影响

试验结果表明:同一级配下,随着水泥掺量的增加，水泥稳定碎石基层的最佳含水量逐渐增大,最大千密度逐渐增大，这是因为掺人的水泥越多,水泥水化反应时需要的水的越多，同时使得颗粒之间的胶结作用更强,使得千密度增大。最佳含水率随着水泥掺量增加而增加的趋势逐渐加快，当水泥掺量从4%增加到6%时，最佳含水率增加了8%左右;当水泥掺量从6%增加到8%时，最佳含水率增加15%左右。最大千密度随着水泥掺量增加而增大趋势逐渐减小，当水泥掺量从4%增加到6%时，最大干密度增大7%左右;当水泥掺量从6%增加到8%时，最大干密度增大2%左右，增长的趋势逐渐平缓。同一水泥掺量下，集料中粗颗粒的含量越多,最佳含水率越低，最大干密度越大;这是因为水泥含量相同时,集料中细集料的含量越多,达到饱和时吸收水分越多,所以导致最佳含水率增大,同时细集料的含量越多，单位体积内质量越小，使得最佳干密度降低。

2.2 水泥掺量及级配对抗压强度的影响

试验结果表明:同-一级配下，随着水泥掺量的增加，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度的平均值和代表值均逐渐增大。这是因为水泥掺量越大，水泥水解和水化作用之后的胶结作用效果越好，固化效果越好,所以抗压强度越大。随着水泥掺量的增加,无 侧限抗压强度增大趋势先慢后快。从试验结果可以看出:掺 4%水泥的稳定碎石的无侧限抗压强度达到底基层的抗压强度要求,而掺6%和掺8%水泥的稳定碎石抗压强度达到路面上基层的要求。同一水泥掺量下，集料中碎石的含量越大，无侧限抗压强度越大,且无侧限抗压强度的变异系数越大。这是因为水泥稳定料中碎石的含量越大,颗粒间咬合作用越好，粗颗粒之间相互嵌挤作用越大,抗压强度越大。级配越靠近中值级配，稳定材料的强度越大。

2.3 级配类型影响

在水泥剂量一定的条件下,各龄期级配3的劈裂强度都明显高于级配1和2。这就证实了不同级配所形成的不同结构类型对于混合料的强度确实有很大影响。级配3表现出较高劈裂强度的原因是其既有相当数量的粗骨料相互嵌挤形成骨架，又有大量细料来填充骨架间的空隙，使混合料形成所谓的骨架密实结构。既充分发挥了骨料间的相互嵌挤作用，又发挥了细料和反应生成物的填隙密实作用，从而使这种级配类型的水泥稳定粒料表现出很高的强度特性。级配 2虽然有较多祖骨料相互嵌挤形成空间骨架,但由于细料太少,不能填充密实骨架间的空隙，使混合料形成骨架空隙结构,在较低的应力水平作用下就发生了破坏。级配I使混合料形成悬浮结构，由于没有粗骨料的嵌挤作用来分担,因而强度要低于级配3。

3 结语

本文根据水泥稳定碎石混合料的室内试验结果及其在路面结构和施工阶段的受力状况分析，提出了水泥稳定碎石基层最低劈裂强度和抗压强度建议标准.根据该标准所确定的水泥稳定碎石基层级配组成、强度均符合要求，且收缩量小,致使其收缩裂缝减少,沥青面层的反射裂缝也相应减少。在实际生产中，要结合实际情况，施工现场提供的碎石和黄砂经过合成级配之后,掺人 4%.6%和 8%的水泥稳定强度能够达到路用要求。同一级配下,掺入水泥的量越多,混合料的最佳含水率、最大千密度及无侧限抗压强度指标均越大。同一水泥掺量下,混合料中碎石的含量越大,最佳含水率越小，最大干密度越大,无侧限抗压强度越大。争取用最优的方案解决关于水泥抗压强度和最低劈裂强度问题。

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