超粒径水稳碎石基层性能研究与应用

张朝宝，许明柱，孙立新，张海峰，王文华

（1.德州市公路事业发展中心，山东 德州 253000；2.齐河恒晟公路工程有限责任公司，山东 德州 251100）

引言

路面反射裂缝是影响路面寿命及交通安全的主要病害之一，该裂缝主要是由水稳基层受温度与湿度的影响，产生的干缩或温缩裂缝，由于水稳基层与沥青面层相连接，裂缝易扩展到沥青结构层，造成路表裂缝的产生[1]。目前，工程上常采用大粒径柔性基层作为水稳层与面层的过渡层，通过增加空隙率以减小反射裂缝的传递[2]，但并未解决水稳裂缝的产生。为此，部分学者提出减小水泥用量或设置土工格栅等方法降低水稳层裂缝的形成，起到了一定的效果[3-4]，但降低了整体强度，增加了工程造价；目前规范中推荐的级配主要考虑了对基层承载能力的要求，而对于抗裂性能的考虑很少。大粒径碎石结构中，粗骨料间的嵌挤作用较强，且自身的膨胀系数很小，具有更好的抗裂性能[5]。综上所述，通过级配设计，对采用超粒径级配下的水泥稳定碎石基层进行试验研究，对其强度及抗裂特性进行分析，并进行试验路的铺筑及验证。

1 原材料的选择

1.1 集料

试验采用石灰岩集料均取自省道S242临商经临邑齐河界至禹城秦店子段大中修工程第一合同段施工现场用料，相关技术指标见表1、表2，均符合相关规范要求[6]。细集料砂当量为68%，粗集料的压碎值为14.4%。

表1 集料表观密度

表2 集料含泥量

1.2 水泥

采用水泥强度为42.5普通硅酸盐水泥，技术指标见表3。各项指标均符合水泥稳定碎石原材料的相关规范要求[7]。

表3 水泥的相关指标

2 室内试验分析

由于超粒径水泥稳定碎石的粒径增大后，对结构中集料颗粒的嵌挤等会有一定的影响，所以根据特性，采用无侧限抗压强度指标，对其7 d、28 d的无侧限抗压强度进行试验。

2.1 确定级配

过大或过粗的材料在施工过程中容易发生离析，因此，参考大粒径沥青混合料（LSPM）的级配调整方法，以及采用贝雷法与逐级填充理论[8]，对超粒径水泥稳定碎石进行级配调整，该级配可以较大程度上改善离析状况，最终调整后的级配见表4。

表4 调整后级配比例

由于该级配中采用的大粒径碎石占比较大，水泥的用量较高或较低均会对水稳层造成一定影响，所以根据工程经验，水泥用量采用4%。

2.2 试件制备

首先对试验级配分别进行击实试验，确定每种级配的最佳含水量和最大干密度，由于试料的最大粒径超过25 mm，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中无机结合料稳定土的击实试验丙法进行无机结合料的击实试验，并采用烘干法测定集料的含水量。预定5个不同的含水量，依次相差1%，将集料中加入对应含水量的水，浸润4 h，添加5%的水泥拌和均匀，在击实仪上进行重型击实，称取试件和套筒的重量脱模后测定含水量，根据不同含水量下的干密度，确定每种级配的最大干密度和最佳含水量。

通常情况下，要求试模的尺寸为集料最大粒径的4倍以上，大粒径水泥稳定碎石的最大粒径为40 mm，试模尺寸在16 cm以上，在试验过程中一方面自制模具存在因难，另一方面，采用自制模具制作试件得到的数据很难得到认可，因此试验中仍采用15 cm×15 cm的试模。

根据击实试验测定的最佳含水量和最大干密度，采用静压法制件。保证压实度达到98%以上，在50 t压力机上制成15 cm×15 cm（试件高×底面直径）的圆柱形试件。试件成形约3 h后，脱模并立即用塑料薄膜包覆，置于25 ℃的恒温室内进行养生，制备的试件见图1。

图1 水泥稳定碎石试件

2.3 数据分析

对该级配下的水泥稳定碎石分别进行7 d及28 d的无侧限抗压强度试验。在达到龄期前一天，取出试件浸泡在水中24 h，在道路材料强度试验仪上进行抗压试验。用游标卡尺测量试件的高度后，在路强仪上以1 mm/min的速率加载，记录试件破坏时的最大压力，并计算无侧限抗压强度，得到7 d、28 d龄期的抗压强度试验结果见表5，其抗压强度均满足《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中的要求。

表5 7 d无侧限抗压强度

表6 28 d无侧限抗压强度

3 工程实践

试验路段位于S242临商线临邑齐河界至禹城秦店子大中修工程一合同段，施工工艺与传统水泥稳定碎石铺筑方式相同，由于集料粒径相对较大，根据相关规范中的规定[9]：水泥稳定土中颗粒粒径应在37.5 mm以下。因此，当采用超粒径集料进行施工时，容易在摊铺过程中出现离析现象，使得基层内部上下配比不一致，造成强度不均匀，同时对压实效果及平整度也会造成一定的影响。所以需对现场摊铺过程中的质量严格把控，尽可能避免离析的发生[10]。施工过程见图2～图5。水泥稳定碎石运输时，为避免离析，在装料过程中，应按照料车位置的前-后-中的次序进行装料，可以减小料车向摊铺机装料时因不均匀放料而产生的离析。根据工程经验，在摊铺过程中，采取满铺的方式，可以减小横向与纵向的离析，图3为现场摊铺机在摊铺时的搅笼内部，可以看出基本处于满铺状态。可以看出，基层表面较为均匀平整，级配较为合理，大粒径碎石未发生沉底，没有因超粒径而出现较多的离析现象。

图3 水泥稳定碎石的摊铺

图5 现场取芯

4 结语

通过室内无侧限抗压强度试验与试验路的铺筑效果可以看出，采用超粒径集料进行水稳碎石基层铺筑是可行的，在强度满足要求的情况下，可以通过施工控制，减小铺筑时路面的离析现象，确保基层施工的工程质量。同时，超粒径水稳碎石基层的成功铺筑，可以进一步减小水稳基层裂缝的产生，降低路面反射裂缝等工程病害的发生概率，增加路面的使用寿命。