静压稳定碎石配合比试验研究

赵峰 耿正君 程寅 徐晓山 娄晓钊 沈君 桂启涛

（1漯河市公路管理局，河南 漯河 462000；2交通运输部科学研究院，北京 100029；3漯河信运监理咨询有限公司，河南 漯河 462000；4漯河市公路工程建设总公司，河南 漯河 462300）

1 引言

振动压实是水泥稳定碎石施工中应用最广泛的压实方法，但是由于施工条件的约束，在居民区、商铺或老旧建筑周围等特殊路段振动压实受到极大限制。针对这一现象，提出了一种不需要振动压实，亦能满足性能要求的水泥稳定碎石技术，即静压稳定碎石技术[1]。

不同于道路基层目前所普遍采用的水泥稳定碎石（砂砾）、石灰粉煤灰碎石（砂砾）等半刚性基层存在的石料短缺、成本高、施工影响大及生态破坏大等缺陷，静压稳定碎石技术作为一种可充分利用当地土体资源、经济高效且环保的道路基层修筑技术，可有效解决前述半刚性基层所遇到的建设难题[2]。

现有研究对稳定碎石级配设计理论研究较多[3]，而对稳定碎石的固化剂材料选用、稳定工艺研究相对少。文献[4-6]报道了近村镇道路基层施工多需要机械振动压实，对道路两旁建筑民宅结构影响极大，民众实际诉求与现有施工工艺矛盾突出。因此，充分寻求经济适用高效、对周围环境影响小的道路基层稳定材料及施工工艺是公路工程中迫切的需要。

本文利用废渣材料脱硫石膏作为膨胀剂，对静压稳定碎石进行试验研究，提出可行的静压稳定碎石配合比，为有效解决现有道路基层环境影响难题提出可行方案。

2 原材料

2.1 水泥及膨胀剂

本次试验选用标号为42.5的普通硅酸盐水泥，膨胀剂选用脱硫石膏，水泥主要技术指标见表1，水泥与脱硫石膏主要化学成分见表2。

表1 水泥参数

表2 主要化学成分

2.2 粗集料

本次试验选用由北京怀柔石料场生产的粗集料，材料规格为15～25mm、10～15mm、5～10mm、0～5mm，其各项技术指标检测结果见表3。

表3 粗集料技术指标检测结果

2.3 纤维

按照《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 3354-1999），对三种不同纤维各项指标试验结果记录如下表4。

表4 三种不同纤维力学参数

由表4可知，玄武岩纤维抗拉强度及弹性模量较聚丙烯纤维和玻璃纤维高，故本试验选取玄武岩纤维增强试样的抗拉强度。碎石性能的效果。

2.4 级配选择

试验级配采用悬浮密实型级配，见表5。

表5 悬浮密实型级配

3 静压成型参数确定

3.1 含水率与干密度之间的规律分析

为研究水泥稳定碎石试样在静压和击实两种不同情况下的含水率与干密度之间的关系，分别选取水泥掺量为4%、5%的两种试样进行室内击实与静压试验，得到其含水率与干密度之间的关系曲线如图1所示。

图1 不同水泥掺量试样含水率与干密度关系曲线

由图1可知，在室内静压与击实试验下，水泥掺量为4%、5%试样的含水率与干密度呈显著的二次函数关系。计算最优含水率与最大干密度值见表6。

表6 最优含水率与最大干密度

由表6可知，在水泥掺量为4%、5%时，通过室内静压与击实两种试验方法得出的最佳含水率和最大干密度值均近似相同。

3.2 干密度与最大压力值之间的规律分析

静力压实过程中，影响压实效果的液压压力机参数主要包括最大压力值、加载速率。其中，最大压力值与静力压路机的线压力相关联，加载速率与静力压路机的碾压速度相关联。试验选择400kN、500kN、600kN、700kN、800kN、900kN、1000kN七组最大压力值；考虑实际碾压速度，试验选择1.0kN/s、2.0kN/s、3.0kN/s三组加载速率；考虑实际碾压时长，每次加载达到最大值时，稳定在最大值2min后卸载。选取水泥掺量4%试样，根据相关试验，得到含水率为5.5%的干密度与最大压力值之间的关系曲线，如图2所示。

图2 干密度与最大压力值关系曲线

由图2可知，在三组不同加载速率下，试样的干密度值均随着最大压力值的增加而不断增加。在最大压力值处于400～800KN时，试样干密度值增长较快，当最大压力值超过800 KN后干密度增加幅度较小，且近似趋于平缓稳定。在同组最大压力值条件下，加载速率越大，试样的干密度越大；在加载速率为2KN/s和3KN/s时，试样的干密度值较为接近，说明干密度随加载速率的增加而增大，且随着加载速率的增加，干密度增幅减小。

3.3 压碎率与最大压力值之间的规律分析

压碎率用测量压实前后通过某筛孔的通过率的差值来表示。试验中选取xxmm筛孔的压碎率来进行分析。最大压力值、加载速率及试样同上。测得在xxmm筛孔集料压碎率与最大压力值之间的关系，绘制曲线如图3所示。

图3 压碎率与最大压力值关系曲线

由图3可知，不同加载速率下，试样的压碎率随着最大压力值的增加而不断增大，当最大压力值超过800kN后，压碎率增长缓慢，曲线趋于平缓，主要原因是随着最大压力值的增加，集料间空隙减小，密实度增加，集料的承载能力加强，集料更难被压碎。同时，同组最大压力值条件下，试样的压碎率随着加载速率的增大而增大。

综上所述：室内静力压实模拟现场碾压，当最大压力值达到800kN后，干密度曲线趋于平缓，密实度基本不再增加，当最大压力值超过800kN后，破碎率曲线趋于平缓，故选取最大压力值为800KN；加载速率为3kN/s时的干密度较大，且试验效率更高，故加载速率选取3KN/s；维持最大压力时间2 min[7-9]。

4 免振水泥稳定碎石配合比试验

本试验免振水泥稳定碎石采用：水泥掺量为4%，玄武岩纤维掺量为：0%、0.05%、0.1%、0.15%，膨胀剂的掺量选用0.16%、0.24%、0.32%、0.4%、0.48%、0.56%，开展室内配合比强度试验研究。

为研究试样在不同膨胀剂掺量下7天无侧限抗压强度的变化规律，故选用水泥掺量为4%的试样，设计膨胀剂掺量变量为0.16%、0.24%、0.32%、0.4%、0.48%、0.56%六种，进行室内无侧限抗压强度试验，并关系曲线如图4所示。

图4 膨胀剂掺量与无侧限抗压强度关系曲线

由图4可知，试样无侧限抗压强度随膨胀剂掺量的增加而增加。当膨胀剂掺量为小于0.4%时，强度增长较大，此后增加膨胀剂掺量，曲线趋于平缓。当膨胀剂掺量为0.4%时，7d和28d无侧限抗压强度分别为7.3MPa和8.9MPa，满足规范强度要求，继续增加掺量强度增加有限，且提高施工成本，因此选取膨胀剂最佳掺量为0.4%。

为研究试样在不同玄武岩纤维掺量下无侧限抗压强度的变化规律，故选用水泥掺量为4%、膨胀剂掺量为10%的试样，设计18mm长的玄武岩纤维掺量变量为0%、0.05%、0.1%、0.15%，进行室内无侧限抗压强度试验，并绘制其关系曲线如图5所示。

图5 玄武岩纤维掺量与无侧限抗压强度关系曲线

由图5可知，试样无侧限抗压强度随玄武岩纤维掺量的增加而增大。纤维的加入在水泥稳定碎石内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而产生有效的二级加强效果，提高了结合料的力学强度。选取纤维掺量10%作为试验配合比使用较为合适。免振静压稳定碎石在0.4%膨胀剂掺量、0.1%玄武岩纤维掺量下7d和28d无侧限抗压强度分别为9.4MPa，10.3MPa，满足基层设计强度要求，实际应用具有可行性。

5 结语

1）应用静压成型法，室内静力压实模拟现场碾压，当最大压力值达到800kN后，干密度曲线趋于平缓，密实度基本不再增加，当最大压力值超过800kN后，破碎率曲线趋于平缓，故选取最大压力值为800KN；加载速率为3kN/s时的干密度较大，且试验效率更高，故加载速率选取3KN/s；维持最大压力时间2min。

2）研究了膨胀剂掺量、纤维掺量对无侧限抗压强度的影响，确定膨胀剂掺量为0.4%、纤维掺量0.1%，可作为免振稳定碎石配合比使用。掺入膨胀剂、纤维的免振水泥稳定碎石具有更高的强度、较高的承载力，具有一定适用性。