较低剂量骨架密实型水泥稳定碎石级配设计与温缩性能研究

张海龙，王冠军，王东武 ，代金国，刘时俊

（1.山东华潍工程监理咨询有限公司，山东 潍坊 261061；2. 山东绿达景观工程有限公司，山东 潍坊 261041；3.潍坊公路发展集团有限公司，山东 潍坊 261057；4.山东宏昌路桥集团有限公司，山东 潍坊 261061；5. 山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250002）

引言

水泥稳定碎石（简称水稳碎石）是我国路面结构广泛采用的基层或底基层材料，占到基层用量的85%（各级公路基层）至95%（高速公路基层）以上[1]。该材料的优点是强度高，缺点是容易产生温缩裂缝或干缩裂缝，进而可能导致沥青路面的反射裂缝，加速面层的开裂破坏。水稳碎石基层裂缝的产生和发展，与材料自身的收缩特性有着密切的联系，材料的收缩变形越小，其形变产生的收缩应力也就越小，产生较大裂缝的可能性随之降低；而影响收缩性能的内在因素除了级配有一定影响外，水泥剂量影响会更大，较少水泥剂量的水稳碎石必定具有较好的收缩性能，但在追求低剂量水稳碎石时还需兼顾强度性能的要求，因此矿料级配的优化设计是需要重视的问题。在骨架空隙、骨架密实与悬浮密实型级配结构中，骨架密实型为低剂量水稳碎石的实现提供了可能。对满足强度要求的低剂量骨架密实型水稳碎石的收缩性能进行研究，可以发现这类材料的抗裂性能优势。

材料的收缩性能用收缩系数来衡量，根据产生收缩的机理不同分为温缩系数和干缩系数。温缩系数是指单位降温下的自由收缩应变量，反映了材料降温后尺寸收缩的性能；干缩系数是指单位失水率下的自由收缩应变量，反映了材料失水后尺寸收缩的性能。

1 低剂量骨架密实型水稳碎石配比

1.1 骨架密实型矿料级配设计

1.1.1 设计理论

要实现较低剂量的水稳碎石，需要较小的矿料间隙率，而骨架密实型具有较小矿料间隙率特征。文献[2]给出了骨架密实型级配设计方法，提出了骨架密实型级配在粗细集料分界筛孔的通过率由公式（1）计算确定。

式中：x0—粗细集料分界筛孔通过率，%；Vca—合成粗集料的松装骨架间隙率，以小数计；νfa—合成细集料的松装间隙率，以小数计；γca—合成粗集料的毛体积相对密度；γfa—合成细集料的毛体积相对密度。

1.1.2 骨架密实型矿料级配

进行骨架密实型级配设计时，首先分别进行合成粗集料级配和细集料级配设计，进而参照文献[3]通过试验获得公式（1）中所包含的4个参数；然后，通过公式（1），并适当考虑细集料的干涉作用，计算得到粗细分界筛孔通过率，即获得骨架密实型级配。根据文献[4]选择级配的集料公称最大粒径与级配碎石类型，设计得到骨架密实级配见表1。为便于对比，表1中同时设计了级配偏粗的对比级配。

表1 设计的骨架级配及对比级配

1.2 低剂量水稳碎石配比

矿料间隙率较小的骨架密实级配为使用较低的水泥剂量提供了条件与可能，究竟是否满足水稳碎石的强度要求还需要试验验证。将2.5%～4.5%的水泥剂量认定为较低剂量。依据文献[4]，利用PO42.5普通硅酸盐水泥进行2.5%、3.5%和4.5%三个剂量的击实、制件与强度试验，见表2、表3。

表2 骨架密实级配及对比级配水稳碎石击实试验结果

表3 骨架密实级配及对比级配水稳碎石7 d无侧限抗压强度

由表3可知，在各水泥剂量下，骨架密实级配与对比级配的水稳碎石在7 d龄期的无侧限抗压强度代表值均符合文献[4]规定的Rd≥5.0 MPa的要求；同样水泥剂量时，跟对比级配相比，骨架密实级配的强度明显增大，体现了级配优化设计的重要作用。

2 温缩性能试验

2.1 试验过程

2.2.1 梁式试件成型方法

依据文献[5]中T0844—2009梁式试件成型方法，用长方体试模静压成型尺寸为10 cm×10 cm×40 cm的中梁试件。依据最大干密度、最佳含水率以及98%压实度计算单个试件的材料用量；进行集料的烘干、加水拌和，然后闷料12 h。在静压成型前，将试料补足预留含水量和加入水泥拌和均匀，将上下压块和试模内壁涂上润滑油，将试料分3层填入试模中，每层均轻轻捣实。静压成型后保持压力2 min再取下，为保证成型的试件脱模时不易发生断裂，成型后放置时间延长至18～20 h。脱模后试件放进塑料袋中封闭移入养护室并覆盖上湿毛巾养护7 d，养护最后1 d取出浸水24 h。

2.2.2 温缩试验

依据文献[5]中T0855—2009试验方法进行温缩试验。饱水后的试件擦去水分，置于烘箱中烘干10 h以上直至恒重，然后置于干燥通风环境冷却至常温，之后测量初始长度。试件两端面贴上玻璃片，将收缩仪移入高低温交变箱中并放置涂抹了润滑油的玻璃棒，将试件放在玻璃棒上并保证方向与收缩仪一致，在两侧端面的中心装上千分表开始试验，见图1。

图1 温缩试验

考虑到山东省一般情况下工程的环境温度变化范围，试验降温范围选为40～-10 ℃，每10 ℃为一个温度等级，同时试验湿度设定为0%，为干燥环境。每次交变箱达到指定温度后恒温3 h，在恒温结束前5 min读取千分表读数。两支千分表的伸长长度总和为试件降温过程中的总收缩长度。

根据文献[5]，温缩系数：

式中：li—第i个温度区间千分表读数和平均值，mm；ti—设定的第i个温度区间，℃；Lo—试件初始长度，mm；εi—第i个温度区间下的平均收缩应变；αt—温缩系数，×10-6/℃。

2.2 试验结果分析

选取3.5%、4.5%的水泥剂量对骨架密实型水稳碎石进行温缩试验，对比级配仅选择3.5%的水泥剂量，计算得到各温度区间的温缩系数见表4。

表4 各温度区间的温缩系数

由表4可知，在40～-10 ℃温度区间中，骨架密实级配不同剂量下的温缩系数较为接近，而对比级配的温缩系数要略小于骨架密实级配；在10～0 ℃温度区间内两者的温缩系数下降幅度均较大；温度下降至-10 ℃后，骨架密实级配、对比级配的温缩系数均略有上升，水泥剂量较大的一组上升较为明显，而水泥剂量较为接近的2组温缩系数也较为接近；推测在0 ℃温度时，混合料中的残留的少量水分开始结冰产生一定的体积膨胀，抵消了整体结构的部分收缩，而在-10 ℃温度时，混合料中水泥石部分的收缩应变比集料部分的收缩应变大，导致剂量较大的混合料温缩系数较大。

通过温缩性能试验可知：（1）相同水泥剂量下，对比级配的温缩系数略低于骨架密实级配的温缩系数，表明对比级配温缩性能较好，这与对比级配的水稳碎石具有较大的空隙率有关。（2）在骨架密实级配的不同水泥剂量下，温缩系数随水泥剂量减少而下降，即温缩性能提升。

由无侧限强度试验和温缩试验的试验结果可得：（1）骨架密实级配结构的密实程度更高、骨架强度更好，在强度、刚度的试验表现较优，但温缩系数大于对比级配，表明温缩性能不及对比级配的好。（2）由于骨架密实级配的细集料含量较高，在40～20 ℃区间内具有较大的温缩变形，因此在温度较高的地区保证基本承载能力的情况下，除了控制水泥剂量外还应控制细集料的含量。

3 结语

（1）基于较小的矿料间隙率既能保障粗集料颗粒充分嵌挤，又可为利用较少的水泥剂量提供可能性的理念，建立了较低剂量骨架密实型水稳碎石的级配设计方法，按该方法可获得较低水泥剂量且强度较高的骨架密实型水稳碎石。（2）无侧限强度试验表明，与级配较粗的水稳碎石相比，水泥剂量相同时骨架密实型水稳碎石具有明显的强度优势。（3）温缩试验表明，与骨架密实型水稳碎石相比，水泥剂量相同时级配较粗的水稳碎石的温缩性能稍优于前者，但强度有所降低；骨架密实型级配的水稳碎石随水泥剂量增大，温缩性能在降低。