抗裂型水泥稳定碎石基层材料在公路中应用研究

刘铁军

（郑州第二市政建设集团有限公司，河南郑州 450099）

道路新建或改扩建工程中伴随着路面结构的选择和优化，道路基层是路面结构的主要承重层，其质量的好坏直接影响道路的使用性能。因此，有必要研究和开发结构强度高、抗裂能力强、使用损坏率低的基层材料[1-3]。道路基层材料一般可以分为半刚性基层和柔性基层，其中，半刚性基层是目前使用和推广的主要基层类型，半刚性基层具有较高的强度和较好的荷载传力效果。在实际的工程建设中，水泥稳定碎石是半刚性基层材料的主要代表，水泥稳定碎石材料是将水泥和碎石等材料按照一定比例拌和而成型的骨架颗粒材料[4]。随着道路使用年限的增长，半刚性基层路面也会逐步产生一定的质量缺陷，其中，道路的裂缝问题是困扰路面结构的主要难题，施工过程中水稳碎石对温度与湿度敏感较强。在温度较高和湿度变化较大时，传统水稳碎石发生了收缩产生裂缝，该现象的产生会导致基层裂缝以及沥青面层的反射裂缝[5-6]。

针对该类问题国内学者也关于水泥稳定碎石基层材料做了大量的研究，围绕材料改性、外掺材料、级配设计等改善水泥水稳碎石的抗开裂性能[7-8]。而铣刨料作为道路回收的废旧材料，将其应用于水泥稳定碎石基层材料中不仅可以解决资源可循环问题，还可以综合提升水泥稳定碎石材料的性能。本文通过研究铣刨料应用于水泥稳定碎石材料中的性能变化规律，推荐出科学的抗裂性水泥稳定碎石材料。

1 抗裂水泥稳定碎石配合比设计

1.1 原材料

（1）水泥

试验选用普通的硅酸盐水泥，强度等级为42.5，水泥的初凝时间大于45min，终凝时间小于600min。

（2）集料

本试验采用河南产石灰岩集料，集料表面洁净无杂质，对新集料的压碎值、软石含量、针片状颗粒含量等技术指标进行测定满足规范要求。

（3）铣刨料

铣刨料是道路改扩建过程中铣刨、破碎、回收的沥青路面材料，其表面附着一层老化沥青，在水泥稳定碎石拌和过程中能增强材料嵌挤性能。本研究使用的铣刨料为广西某二级公路回收的铣刨料，老化程度为轻度老化。

1.2 抗裂水泥稳定碎石级配优化

结合道路施工设计说明技术要求，研究设计了基层抗裂嵌挤型水泥稳定碎石的级配范围，见表1。通过多组水稳碎石材料的级配对比和验证，为满足抗裂嵌挤型水泥稳定碎石的强度和抗裂性能需求，考虑增加碎石的掺量、严格控制用水量等方式进行质量保障。抗裂型水泥稳定碎石混合料中合成碎石的颗粒组成，配合比设计结果如图1所示。

表1 水泥稳定碎石混合料级配范围要求Table 1 Requirements for grading range of cement stabilized macadam mixture

图1 水稳碎石材料级配设计曲线Fig. 1 Grading design curve of water stable macadam

抗裂型水泥稳定碎石基层材料在拌和过程中采用的水泥剂量为4.2%，铣刨料掺量从0%、5%、15%、20%、25%、30%不等，研究不同铣刨料掺量下抗裂型水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度变化关系，铣刨料掺量与最佳含水量、最大干密度变化曲线如图2、图3所示。

图2 铣刨料掺量与最佳含水量关系Fig. 2 Relationship between milling material content and optimum water content

图3 铣刨料掺量与最大干密度关系Fig. 3 Relationship between milling material content and maximum dry density

研究表明：铣刨料掺入水泥稳定碎石基层材料中，在水泥用量固定的前提下，铣刨料掺量的提升会降低水泥稳定碎石基层材料的最佳含水率，与此同时，最大干密度也成先上升后下降的趋势。其主要原因是铣刨料经常年的道路服役使用，材料表面被老化沥青裹附形成半封闭结构，在一定程度上会减少材料的吸水率，铣刨料掺量增加后会增强水泥稳定碎石的嵌挤作用。

2 抗裂型水泥稳定碎石路用性能

研究通过无侧限抗压强度试验、抗压回弹模量试验、抗弯拉强度试验、劈裂强度试验来研究抗裂型水泥稳定碎石基层材料的路用性能。

2.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是表征水泥稳定碎石基层材料强度的重要指标之一，《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中不同等级道路无侧限抗压强度值制定了明确的规范要求。本研究对掺不同掺量铣刨料的抗裂性水泥稳定碎石基层材料进行7d和28d的无侧限抗压强度试验，试验结果如图4、图5所示。

图4 7d无侧限抗压强度Fig. 4 7d unconfined compressive strength

图5 28d无侧限抗压强度Fig. 5 28d unconfined compressive strength

由图4和图5可知，随着铣刨料掺量的提升，7d和28d的无侧限抗压强呈先上升后下降的趋势，其中，铣刨料掺量为15%时，对应的7d和28d的无侧限抗压强度达到最大，分别为4.75MPa和6.59MPa，达到JTG/T F20-2015规范中重载交通一级公路使用要求。铣刨料的增加在一定程度上增强了碎石材料间的嵌挤作用，使得材料骨架结构更完整，受力更趋于均衡。而铣刨料掺量达到一定程度时，由于铣刨料的压碎值较普通碎石材料偏低，若使用数量较多也会在一定程度上降低材料整体的抗压性能。

2.2 抗压回弹模量试验

水泥稳定碎石是介于柔性材料和刚性材料之间的半刚性材料，研究中通常采用抗压回弹模量来评价水泥稳定碎石的刚度，是表征材料的抗裂性能的方法之一。试验参照《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》中的要求对7d和28d的抗裂型水泥稳定碎石基层材料进行抗压回弹模量试验，试验结果如图6、图7所示。

图6 7d抗压回弹模量Fig. 6 7d compressive modulus of resilience

图7 28d抗压回弹模量Fig. 7 28d compressive modulus of resilience

由图6和图7所示，随着铣刨料掺量的增加，抗裂型水泥稳定碎石的抗压回弹模量逐渐降低且下降速率不断减缓。当铣刨料掺量达到15%时，7d和28d抗压回弹模量分别为978MPa和1287MPa，铣刨料的压碎值一般要远小于天然碎石，而抗压回弹模量又与材料的压碎值直接相关。因此，为保障抗裂性水泥稳定碎石的抗压回弹模量在设计要求范围内，应对铣刨料掺量进行严格控制。

2.3 抗弯拉强度试验

抗弯拉强度又称为抗折强度，是表征水泥稳定碎石基层材料在极限破坏时所承受的弯拉荷载。研究采用400mm×150mm×150mm的梁式试件进行三分点加载破坏试验，7d和28d的抗裂型水泥稳定碎石基层材料抗弯拉强度如图8、图9所示。

图8 7d抗弯拉强度Fig. 8 7d flexural tensile strength

图9 28d抗弯拉强度Fig. 9 28d flexural tensile strength

由图8和图9可知，随着铣刨料掺量的增加，抗裂型水泥稳定碎石的抗弯拉强度呈先上升后下降的趋势，其中，7d和28d抗弯拉强度最大分别为0.44MPa和0.69MPa。此外，研究还发现铣刨料掺量提升的同时，水泥稳定碎石基层材料28d的抗弯拉强度较7d的提升速率减缓。铣刨料掺量为0时，水泥稳定碎石的28d抗弯拉强度较7d抗弯拉强度提升了64%；而铣刨料掺量为15%时，提升率为57%；30%的铣刨料掺量时，其提升率仅为41%。因此，研究表明铣刨料掺量超过一定程度时会削减水泥稳定碎石的长期抗弯拉强度。

2.4 劈裂强度试验

劈裂强度是评价水稳碎石基础材料抗开裂性能最为关键的指标，参照《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》中疲劳强度试验要求，分别对不同铣刨料掺量下7d和28d水泥稳定碎石材料进行试验研究，测试结果如图10、图11所示。

图10 7d劈裂强度Fig. 10 7d splitting strength

图11 28d劈裂强度Fig. 11 28d splitting strength

由图10和图11可知，随着铣刨料材料掺量的增加，抗裂型水泥稳定碎石的最大劈裂强度呈先上升后下降的趋势，7d和28d水泥稳定碎石的最大劈裂强度分别为0.38MPa和0.57MPa，劈裂强度是表征材料抗开裂最为关键的指标，研究表明：铣刨料以适宜的掺量加入到水泥稳定碎石中能够增强材料的抗裂性能。综上，结合无侧限抗压强度、抗压回弹模量、抗弯拉强度、劈裂强度等试验指标，研究认为15%的铣刨料掺量为最佳掺量，能够综合提升水泥稳定碎石材料的路用性能。

3 工程应用

2018年4月，研究对抗裂型水泥稳定碎石基层材料进行了实地工程应用，双幅路铺筑长度为4.2公里，道路等级为一级公路。本次试铺段施工经检测，水泥稳定碎石材料各项数据合格，施工后压实度等指标达到技术要求，路面外观质量较好。 在2019年上半年对使用抗裂水泥稳定碎石基层材料的道路进行路面病害检查，调查结果见表2。

表2 裂缝调查情况Table 2 Crack investigation

从表2中可以看出，使用抗裂型水泥稳定碎石基层材料的路段，其路面裂缝数量、裂缝宽度和裂缝长度均小于传统水泥稳定基层材料道路，说明针对抗裂水泥稳定碎石基层材料在实际工程中应用的有效性。

4 结语

研究采用铣刨料代替部分天然碎石的方法制备抗裂性水泥稳定碎石材料，通过研究不同铣刨料掺量下7d和28d水泥稳定碎石的无侧限抗压强度、抗压回弹模量、抗弯拉强度、劈裂强度等试验指标，研究表明：铣刨料的掺入会有效提升材料的抗压强度和抗裂性能，但铣刨料掺量的过多也会对其产生不利影响。因此，需严格把控水泥稳定碎石基层材料中铣刨料的具体使用掺量，研究对于提升道路综合服役性能尤其是缓解基层反射裂缝问题具有重要借鉴意义。