透水水泥稳定碎石材料设计与检验

2018-09-22尹锦明孙刘留王昊武

江苏建材 2018年4期

关键词：筛孔骨架集料

尹锦明，孙刘留，王昊武

（南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州 225300）

0 引言

海绵城市要求城市设施能够发挥“渗、透、蓄、净”等功能，材料具备一定的透水能力是其发挥海绵功能的关键。道路是城市中重要的基础设施，发挥道路的海绵功能将有助于海绵城市目标的实现，基层是我国道路的主要承重层，也是路面结构的主要层次。

水泥稳定碎石是基层常用的材料。本文以骨架密实型水泥稳定碎石配合比为基础，拟定配合比方案，采用贝雷法进行透水水泥稳定碎石设计检验，以孔隙率、透水系数和7 d无侧限抗压强度作为透水基层材料的研究指标。

1 贝雷法概述

贝雷法由美国的Robert Bailey于20世纪80年代提出，来源于其多年工作经验。这种方法将混合料分为粗集料和细集料两部分，粗集料主要作用在于形成骨架，细集料主要起填充粗集料之间孔隙的作用。混合料不含细集料形成的骨架孔隙结构，具备最大的孔隙率，随着细集料的增加，将逐渐演变为骨架密实结构、悬浮密实结构，孔隙率随之减小。这种方法有利于材料设计人员平衡强度与孔隙之间的关系，进行孔隙型混合料设计。目前，贝雷法在沥青混合料的设计中应用较多。

根据贝雷法，材料公称最大粒径记为NMPS，则粗集料和细集料的分界粒径PCS为0.22 NMPS，称为第一控制筛孔；第一控制筛孔以下的细集料再根据0.22 PCS划分为较粗和较细两部分，称为第二控制筛孔（SCS）。依此类推，还有第三控制筛孔TCS为0.22 SCS。贝雷法同时也给出CA、FAC、FAF三个混合料评价指标，其中CA计算见式（1），用于评价粗集料含量和孔隙特征的指标，后两个指标主要用于评价细集料含量以及填充情况的指标，孔隙型水泥稳定碎石细集料含量少。因此，本文选取CA作为孔隙型水泥稳定碎石的评价指标。

式中：PNMPS/2为NMPS/2筛孔通过率；PPCS为 PCS筛孔通过率。

2 试验研究方案

2.1 原材料分析

碎石来自京沪高速扩建项目，产地铜陵，分四档供料，各项指标满足规范要求，各档材料筛分结果见表1，水泥采用泰州产海螺牌普通硅酸盐水泥。《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）推荐水泥掺量为9.5%～11%，本试验采用水泥掺量为10%。

表1 四档碎石筛分结果

2.2 孔隙型水泥稳定碎石级配研究方案

孔隙型水泥稳定碎石应采用骨架结构。以《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）中骨架密实型水泥稳定碎石级配（表2）为基础，分析各档集料对混合料的影响。

表2 骨架密实型水泥稳定类集料级配

当I:II:III:IV质量比为1.4:2.0:0.6:1时，混合料满足规范的级配要求。在此基础上，为分析各档材料对材料的影响以及孔隙型水泥稳定碎石材料设计的需要，拟定材料的级配方案见表3。采用振动成型的方法制作试件，各项试验方法均参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）以及《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）。

3 试验结果与数据分析

混合料公称最大粒径NMPS拟设计为26.5 mm，粗细集料分界粒径PCS则为4.75 mm，第二控制筛孔SCS为1.18 mm，第三控制筛孔TCS为0.3 mm。根据式（1），各级配方案的CA见表4。各级配方案的无侧限抗压强度（UCS）、有效孔隙率（n0）结果见表 4。 UCS、n0与 CA 值的关系见图 1～4。

随着第一档材料比例的增加，CA值不断减小，UCS随之减小，有效孔隙率随之增大，第一档集料比例增加了42.9%，CA值减小了24.6%，有效孔隙率增加了99.4%，UCS下降了45.8%。第一档集料对三者的影响均较显著，增加第一档集料用量，导致PNMPS/2减小，从而导致CA值的减小。为使CA值不大于0.8，混合料达到贝雷的推荐状态，第一档质量比应不小于1.6。第一档以粗集料为主，粒径均大于第一控制筛孔尺寸（PCS），是贝雷法级配设计中形成骨架的部分，增加这部分掺量，有利于增加混合料的孔隙率，但是孔隙之间的填充相对减少，导致了混合料的强度下降。

随着第二档集料用量的增加，CA值和有效孔隙率随之增加，UCS先增大后减小。第二档质量比增加了33.3%，CA值增加了23%，有效孔隙率增加了115%，UCS在规范推荐的混合料级配时达到最大。第二档13.2 mm以下部分较多，其用量增加，导致了PNMPS/2增加，进而导致CA值增加，CA值均超过了0.8，并没有在贝雷法推荐的范围之内，混合料颗粒之间有干涉的现象。第二档集料绝大部分粒径在第一控制筛孔PCS以上，仍属于粗集料，其用量增加，导致孔隙率增加。从强度的角度来看，

符合规范推荐的配合比达到了混合料的结构较优，粗集料形成骨架，细集料填充较充分，干涉现象不显著，因此，强度达到了峰值。

表3 级配方案

图1 第I档材料影响

图2 第II档材料影响

图3 第III档材料影响

图4 第IV档材料影响

表4 试验结果

随着第三档材料用量的增加，CA值随之增加，有效孔隙率随之减小，UCS出现峰值。第三档用量增加了300%，CA值增加了1.8%，有效孔隙率减小了61.5%。增加第三档集料用量，CA值突破了贝雷法的推荐范围，说明第三档用量增加，不利于形成骨架嵌挤结构，但是第三档用量相对较少，所有其对CA值的影响也较小。第三档集料粒径基本都在第一控制筛孔PCS以下，属于贝雷法中的填充料，增加这部分用量，导致了有效孔隙率的下降。填充料的增加，导致混合料密实度增加，强度随之增加，但是当填充料过多，产生了干涉，骨架嵌挤受到影响，强度出现了下降。

随着第四档材料用量的增加，CA值和UCS随之增大，有效孔隙率随之减小，质量比由0增加到1，CA值增加了1.8%，UCS增加了50.7%，有效孔隙率下降了60.4%。增加第四档集料用量，混合料CA值都大于0.8，不利于形成良好的结构。根据贝雷法，第四档集料属于填充料，增加这部分用量，有效孔隙率随之降低，影响较为显著。随着填充料的增加，混合料密实度随之增加，其强度随之增加，但是这部分集料粒径更小，在本研究级配范围内，其干涉作用还未显现，因此，强度未出现峰值。

第五组级配方案是四档集料影响研究的基础上，结合孔隙型水泥稳定碎石的基本要求经过优化而提出的。F5-1～F5-5强度均能满足水泥稳定碎石基层的要求，并且有效孔隙率有了较大提升，强度随着孔隙率的提高而降低，F5-3～F5-5混合料的CA值均在贝雷法推荐的范围内，说明已形成了良好的结构（图5）。