抗裂型水泥稳定碎石基层在高速公路中的应用研究

刘 伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

水泥稳定碎石基层具有强度高、稳定性好及刚度大等优点，在我国被广泛应用于各级公路尤其是高等级公路的路面基层。然而其自身也存在很大缺陷，水泥稳定碎石基层普遍存在开裂现象，严重的裂缝会扩展到沥青路面形成反射裂缝，严重影响沥青路面使用寿命。基于此本文依托云湛高速公路新阳段项目对抗裂型水稳碎石基层进行研究，该项目设计速度100 km/h，路基宽度26 m，桥梁荷载等级为公路-I 级，路面结构为4.5 cm 中粒式改性沥青混合料GAC-16C 上面层+5.5 cm 中粒式改性沥青混合料GAC-20C 中面层+8 cm 粗粒式沥青混合料GAC-25C 下面层+ 38 cm 水泥稳定碎石基层（水泥掺量5%～6%）+20 cm 水泥稳定碎石底基层（水泥掺量4%～5%）+15 cm 垫层。

影响基层开裂的主要原因分为两类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝主要是由交通荷载作用而产生的疲劳裂缝和一次性荷载作用下的极限断裂。非荷载型裂缝主要为干缩裂缝和温缩裂缝[1]。然而两类裂缝在某些产生机理上是相矛盾的，如灰剂量增大强度变高，荷载裂缝会明显减少，然而干缩裂缝与温缩裂缝会增多，故确定合理的灰剂量范围具有重要意义。此外研究表明骨架密实结构具有良好的抗裂性能，大大减少沥青路面的裂缝率，有效提高沥青路面的耐久性能[2]。故本文从水泥稳定碎石级配与灰剂量两方面对其抗裂性能研究，以在确保强度的同时降低裂缝率。

1 原材料

水泥采用金鹰牌P.O42.5 缓凝水泥，其物理力学性能满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）要求，具体检测结果见表1。

集料选用阳春市井坑石灰岩场生产的0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm 及20～30 mm 四档碎石，各档碎石含泥量、针片状颗粒含量、压碎值等指标均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）要求，具体检测结果见表2。

表1 水泥物理力学性能试验结果

表2 集料技术性能试验结果

2 水泥稳定碎石基层配合比设计及试验研究

2.1 配合比设计

根据碎石筛分结果对颗粒组成进行计算，确定粗、中、细3 种级配，具体级配见表3。粗级配满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）表4.5.4 水泥稳定级配碎石的推荐级配范围C-B-3要求，其适用于极重、特重交通荷载等级的基层，但其级配接近C-B-3 的下限，偏向骨架空隙结构；中级配满足C-B-1 级配要求，属于骨架密实结构；细级配除0.075 筛孔，其他筛孔均满足C-B-2 级配要求，属于悬浮密实结构。

表3 合成级配表 %

根据设计文件要求基层7 d 无侧限抗压强度设计值为5 MPa，分别采用4.5%、5%及5.5%三种灰剂量进行配合比设计。通过重型击实试验共确定了9 种配比的最佳含水量与最大干密度，具体结果见表4。

表4 水稳碎石混合料击实试验结果

由表4 可以看出，随着级配变细，最佳含水率越来越大, 而最大干密度逐渐降低，说明随着级配变细，混合料吸水率越大，当温度升高水分散失，易导致混合料的干缩。由此可见，细料太多对路面基层裂缝产生重要影响。

2.2 力学性能研究

根据确定的9 种水泥稳定碎石配合比进行7 d无侧限抗压强度及干缩试验，通过其强度与干缩系数确定合理级配的灰剂量。

无侧限抗压强度采用静压法按98%压实度成型Φ150×150 mm 圆柱体试件，成型后用塑料袋密封，然后置于温度为20 ℃±2 ℃、相对湿度大于等于95%的标准养护室中养护，试件养护6 d 后，从塑料袋中取出称重，再浸水24 h。其无侧限抗压强度结果见表5 与图1。

按照《公路工程无机集料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）的要求，采用压力机静压成型10 cm×10 cm×40 cm 的中梁试件，每个水泥剂量成型9 个试件，然后养生7 d 进行干缩试验，从移入干缩室的时间起计算，每天读一次数，连续读数7 d，测得其干缩系数如表5 与图2所示。

表5 水稳碎石混合料强度与干缩试验结果

图1 灰剂量与无侧限抗压强度关系图

图2 灰剂量与干缩系数关系图

由图1 与图2 可以看出，随着灰剂量的增加无侧限抗压强度与干缩系数均有相应增大，因此为减少后期水泥稳定碎石基层裂缝，在强度满足设计要求的前提下，应尽量降低水泥剂量。

由图1 可以看出，相同灰剂量下骨架结构水泥稳定碎石无侧限抗压强度相差不大，悬浮结构强度稍低。

由图2 可以看出，相同灰剂量下骨架密实结构（中级配）水稳碎石干缩系数要比悬浮密实结构（细级配）水泥稳定碎石的要小30%左右。骨架密实结构是因为结构紧密，颗粒间的约束与牵制作用加强，同时因其空隙率较小，受毛细管张力、吸附水和分子间作用以及层间水作用相对来说也较小，再加上最佳含水率本身较小，所以其干缩性能要优于悬浮结构水泥稳定碎石。

骨架空隙结构（粗集配）水稳碎石干缩系数要稍小于骨架密实结构，因其结构强度主要来源于粗集料的相互嵌挤，粗集料受水分的胀缩影响较小，故其干缩性能优于骨架空隙结构水稳碎石[3]。自身空隙的存在容易造成水分进入，水分会导致水稳基层的早期破坏，故在级配选择时应选择骨架密实结构，基于此云湛高速项目选用了中级配作为施工配比。

水泥稳定碎石混合料中主骨架由粒径大于19 mm 碎石组成，次骨架由大于9.5 mm 碎石组成，为形成骨架结构必须控制级配上限，建议19 mm 筛孔通过率不宜大于88%；对于级配下限在确保不产生离析的情况下可放宽要求。粒径4.75 mm 以下集料作为填充料，太多易形成悬浮结构，太少容易造成离析，芯样不密实，实践证明4.75 mm 通过率在32%～36%时水泥稳定碎石性能最好，芯样显示出较好的骨架密实结构。通过0.075 mm 的粉料与水泥共同起到黏结作用，太少造成粗集料黏结不足而引起离析；太多则会对材料抗裂性能造成影响，结合规范要求0.075 mm 以下颗粒用量宜控制在2%～5%。

3 现场检测结果统计与分析

水泥稳定碎石基层施工结束后，根据调研现场平均裂缝间距确定了几段具有代表性的摊铺段落，调研段落龄期在80～100 d 之间，并查找出了相应的7 d 芯样无侧限抗压强度、施工级配及灰剂量，具体段落与调研检测结果见表6。

表6 水泥稳定碎石基层典型段落调研与检测结果汇总表

分析表6可知：

a）平均裂缝宽度受级配的影响最为显著，段落①级配明显偏细，其平均裂缝宽度最小，产生的裂缝最多。

b）其次受灰剂量的影响较大，段落④级配虽属于骨架密实结构，但其灰剂量较大，强度较高，相应的平均裂缝宽度也较小，产生的裂缝较多。

c）段落③级配明显偏粗，灰剂量偏大，强度高，也产生了部分裂缝，且芯样表面空隙较多不密实，给后期正常运营留下了隐患。

d）段落②级配属于骨架密实结构，灰剂量刚满足设计要求，其裂缝间距最大，换言之产生的裂缝最少，是工程值得推广应用的配合比，根据现场施工调查结果与相关文献建议在强度满足要求的情况下应尽量降低水泥剂量[4]。

4 结语

本文通过室内试验与现场调研情况，对水泥稳定碎石基层的抗裂性能进行了研究，研究表明骨架空隙结构水稳碎石干缩系数要稍小于骨架密实结构，但其自身空隙的存在容易造成水分进入，水分会导致水稳基层的早期破坏，故在级配选择时应选择骨架密实结构，建议19 mm 筛孔通过率不宜大于88%，4.75 mm 通过率在32%～36%之间，0.075 mm以下颗粒用量宜控制在2%～5%；灰剂量的增加与干缩系数成正比例增长，故在无侧限抗压强度满足要求的前提下应尽量降低水泥剂量。