水泥稳定碎石底基层配合比设计及性能研究

2020-03-23

中国建材科技 2020年6期

（甘肃省公航旅建设集团有限公司，甘肃兰州 730000）

0 序言

水泥稳定碎石混合料作为沥青路面基层和底基层，具有较高的强度、刚度、稳定性、耐久性和整体性，被广泛应用于高等级公路建设及养护项目[1]。水泥稳定碎石混合料以一定级配范围的碎石为骨料，合理比例的水泥及浆体进行填充，经过摊铺碾压形成整体。水泥稳定碎石混合料的强度主要来自骨料之间的嵌挤和水泥浆体的胶凝作用，因此组成原材料（主要是水泥、集料）和配合比对混合料性能有很大影响，也必然影响施工质量和道路品质[2]。国内外关于水泥稳定碎石混合料开展了广泛的试验研究，JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》调整了水泥稳定碎石混合料的强度标准，增加了高速公路和一级公路集料的分档要求，改进了无机结合料稳定级配碎石的级配设计方法，进一步规范了水泥稳定碎石配合比设计过程及性能测试。因此，本文结合《公路路面基层施工技术细则》对水泥稳定碎石混合料的配合比设计及路用性能开展试验研究。

1 试验用原材料

1.1 水泥

水泥是水泥稳定碎石混合料的关键组成材料，其物理和化学特性对混合料性能有重要影响。水泥细度、颗粒级配形状与水泥活性的发挥和混合料的性能有密切联系。水泥越细，水泥水化反应越快，凝结时间越短，混合料强度增长越快，但是半刚性底基层将会产生大量的收缩裂缝和应力裂缝，不利于整体强度、刚度和稳定性。水泥强度等级越高，混合料强度随之增大，但是相应工程成本也增加，同时出现裂缝的风险也越大。规范要求采用强度等级为32.5或42.5的普通硅酸盐水泥，初凝时间应大于3h，终凝时间应大于6h且小于10h。试验用水泥为32.5号普通硅酸盐水泥，技术指标检测结果如表1所示，均满足规范要求。

表1 水泥指标检测结果

1.2 集料

水泥稳定碎石混合料中包括不同粒径的粗集料和细集料，不同粒径的粗集料按一定比例形成骨架嵌挤结构，细集料填充于粗集料空隙中，形成一种相对密实的结构。试验用粗集料和细集料均为石灰岩，按照粒径大小分为0-5、5-10、10-15、15-20、20-30五档，最大粒径不超过37.5mm，公称最大粒径31.5mm，满足规范关于不少于四档分档要求和最大粒径要求。集料工程特性满足规范要求，检测结果如表2所示[2]。

表2 集料工程特性检测结果

1.3 水

试验拌合用水和养生用水均为自来水。

2 水泥稳定碎石配合比设计

2.1 矿料级配

《公路路面基层施工技术细则》对于高速公路和一级公路水泥稳定底基层给出了C-A-1和C-A-2两种推荐级配范围，其中C-A-2级配整体偏细，且只给出了0.075mm、0.6mm、4.75mm、37.5mm等筛孔的粒径范围，其他筛孔未做具体要求，级配过于宽泛，不利于室内配合比设计和施工现场质量控制。而C-A-1控制筛孔较多，粗细适中，混合料整体强度和抗裂性能均有兼顾，因此配合比设计时采用规范推荐级配C-A-1中值。对0-5、5-10、10-15、15-20、20-30各档集料采用水洗法进行筛分，各筛孔通过率、各档集料配比以及混合料矿料级配如表3所示。

表3 矿料级配设计

2.2 最佳含水率和最大干密度

最佳含水率和最大干密度是水泥稳定碎石配合比设计的重要环节。最佳含水率不仅影响水泥稳定碎石的最大干密度，而且影响混合料的强度、耐久性及施工性能。试验采用重型击实方法，测试不同水泥剂量时混合料的最佳含水率和最大干密度。水泥用量分别采用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，各水泥剂量时矿料质量为7000g，含水率按照2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、6.5%配制。试验中，首先按照一定质量称取各档矿料且混合均匀，加入预定质量的拌合水拌合均匀，焖料4h以上，在击实前1h加入预定质量的水泥，拌合均匀后击实三遍，每遍击实98次[3]。试验结果见表4。

表4 重型击实试验结果

3 强度测试

无侧限抗压强度是评价水泥稳定碎石混合料强度的主要指标。规范要求，高速公路、一级公路在极重、特重荷载等级条件下，底基层水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度达到3.0-5.0MPa。试验按照3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%水泥用量，在各自最佳含水率条件下，采用静压方式成型无侧限抗压试件，每组试件分别成型13个试件。试件脱模称重之后，立即放到养生室内保湿保温养生6d，然后浸泡于水中1d，水面应高出试件顶面25cm。各水泥用量试件无侧限抗压强度测试结果如表5所示。由表中可以看出，水泥用量4.0%即可满足规范要求。

表5 无侧限抗压强度测试结果

4 允许延迟时间测试

施工过程中，由于运输不畅或不能及时摊铺，水泥稳定碎石混合料的施工性能和路用性能会发生很大变化，甚至造成无法使用。水泥稳定碎石混合料的允许延迟时间与水泥凝结时间、水泥剂量、配合比、气候因素等有关[4]。按照设计级配称取矿料，最佳含水率4.5%，水泥用量4.0%，拌和混合料，分别立刻压实、闷料1h压实、闷料2h压实、闷料3h压实、闷料4h压实、闷料5h压实，测得混合料的压实度和无侧限抗压强度如表6所示。

表6 允许延迟时间试验测试结果

通过压实度与延迟时间关系可以得出，延迟时间在4.0h以内；通过无侧限抗压强度与延迟时间的关系可以得出，延迟时间在3.5h以内。因此，混合料允许延迟时间3.5h，大于3.0h，满足拌和、运输、摊铺、碾压等施工要求。水泥稳定碎石混合料从加水拌合到摊铺碾压完成不能超过3.5h，施工过程中需保持拌合工作的节奏、运输道路的畅通及现场摊铺碾压的效率。

5 水泥剂量标准曲线

水泥稳定碎石作为底基层具有较多技术优势，但是在施工过程必须加强混合料中水泥用量的控制。水泥用量过小，导致混合料强度不足；水泥用量过大，不仅增加施工费用，且会出现较多裂缝，基层或底基层裂缝处因引力集中会导致面层出现反射裂缝，雨水下渗又会造成路基含水率过高，承载能力降低，在冬春季节出现冻融破坏[5-6]。因此，针对水稳碎石混合料中水泥用量的准确检测和动态控制是保证工程质量的重要环节。现场施工之前，应在试验室按照不同的水泥用量制备混合料，然后测试不同水泥用量混合料需要的EDTA数量，最后建立标准曲线，作为水泥稳定碎石混合料现场施工过程中水泥用量的控制标准。