基于CAVF法的高寒地区水泥稳定碎石基层设计及其性能

荆强强，李传海，张荣华，乔鸿超

1.山东高速基础设施建设有限公司，山东济南 250014；2.山东高速工程检测有限公司，山东济南 250002；3.山东高速建设管理集团有限公司，山东济南 250014

0 引言

水泥稳定碎石基层广泛应用于我国高等级公路沥青路面结构的承重层[1-2]。我国各地气候差异较大，尤其在高海拔寒冷地区，对水泥稳定碎石材料的抗冻性能与温缩性能要求较高[3]。通常在水泥稳定碎石混合料中加入早强剂提高水泥稳定碎石的早期力学性能和抗裂性能[4-5]。但掺入过多早强剂易导致水泥稳定碎石产生后期强度倒缩、开裂等病害，又因水泥稳定碎石收缩较大，基层易开裂，导致路面出现反射裂缝，降低路面使用寿命[6-8]。

为有效减少基层开裂现象，黄祯敏等[9]、雷力[10]、邹桂莲等[11]、葛折圣等[12]在级配设计方面提出了填充式大粒径水泥稳定碎石混合料设计方法，此方法结合柔性基层与半刚性基层的优点，又克服了二者的缺点，对解决基层开裂现象效果明显。但填充式大粒径水泥稳定碎石混合料的填充料与粗集料的级配(粒径)及二者间的质量比均根据工程经验判断，影响该材料的推广应用效果，现场施工需要二次拌和，施工效率低。

本文通过调整并优化主骨架空隙填充(coarse aggregate voids-filling method，CAVF)法中的设计空隙等参数设计水泥稳定碎石混合料，研究通过新型级配设计方法获得的水泥稳定碎石混合料的力学性能、抗冻性能和温缩性能，为后期工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 水泥

胶凝材料采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，技术指标如表1所示。

表1 水泥技术指标

1.1.2 集料

取自某新建高速公路的集料粒径分别为20～30、>3～5(即2.36～4.75)、0～3(即0～2.36) mm，表观密度分别为2.745、2.731、2.703 g/cm3，粒径为20～30 mm集料的紧装密度为1.586 g/cm3。按照文献[13]测得不同粒径范围集料的级配结果，如表2所示。

表2 不同粒径范围集料的级配

集料的空隙率

VCA=(1-ρSC/ρC)×100%，

式中：ρC为粗集料的表观密度，ρSC为粗集料的紧装密度。

经计算，粗集料的空隙率为42.22%。先确定2种粒径范围细集料的质量比，采用旋转压实法确定不同细集料质量比混合后的最小空隙率，结果如表3所示。根据试验结果，最终确定>3～5 mm、0～3 mm两档细集料间的比例为3:7。

表3 不同细集料比例间的空隙率

1.2 配合比

根据经验确定水泥用量和混合料空隙率，粗集料、细集料质量分数的计算公式为

qc(VCA-Vv)/(ρSC×100%)=(qf/ρf)+(qs/ρs) ，

(1)

式中：qc、qf、qs分别为粗集料、细集料、水泥的质量分数，Vv为水泥稳定碎石混合料设计空隙率，ρf、ρs分别为细集料、水泥的表观密度。

通过式(1)计算粗集料、细集料的质量分数。在水泥稳定碎石混合料体系中，水泥作为胶结料与水发生反应，未参与反应的水在水泥稳定碎石混合料中形成空隙。设计水泥稳定碎石混合料时需优化Vv，减小水泥稳定碎石混合料的空隙，使其更加密实。初选水泥质量分数为4%条件下，Vv分别为0、-5%、-10%，得到不同设计空隙率下不同粗、细集料质量比的3种水泥稳定碎石混合料，分别记作JP-0、JP-5、JP-10，3种水泥稳定碎石混合料20～30、>3～5、0～3 mm粒径集料的质量比分别为：67:7:26、64:7:29、61:8:31，级配曲线如图1所示。

图1 不同设计空隙率的水泥稳定碎石混合料级配曲线

1.3 击实试验

不同设计空隙条件下水泥稳定碎石混合料的击实曲线如图2所示。

图2 不同级配混合料的击实曲线

由图2可知：水泥稳定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度均随水泥稳定碎石混合料设计空隙率绝对值的增大而增大。JP-0级配水泥稳定碎石混合料最佳含水率为3.7%，最大干密度为2.410 g/cm3；与JP-5和JP-10相比，JP-0中细集料较少，不能填充粗集料形成的骨架，混合料内部有较多空隙，JP-0的最大干密度均小于JP-5和JP-10。细集料比粗集料吸水率更高，随设计空隙率绝对值的增大，粗集料用量减少，细集料用量增加，水泥稳定碎石混合料最佳含水率增大[14]。

2 试验结果分析

2.1 力学性能

根据第1章结果成型Ф150 mm×150 mm圆柱体试件，压实度为98%。JP-0、JP-5、JP-10的7 d无侧限抗压强度分别为6.8、7.5、8.4 MPa。

随设计空隙率绝对值的增大，细集料掺加量增大，水泥稳定碎石混合料体系密实度增大。相较于JP-0，JP-10的7 d无侧限抗压强度提高23.5%。在此水泥稳定碎石混合料体系中，骨架嵌挤效应在抗压强度中起主要作用[15-16]，粗集料的嵌入效果较好，说明颗粒间嵌入更稳定，水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度更高。与嵌挤效应相比，细集料的填充效应对提高抗压强度有辅助作用。当水泥稳定碎石混合料体系的骨架稳定时，增大细骨料的质量比可使水泥稳定碎石混合料更致密，力学性能更好。

试件7 d无侧限抗压强度试验的破型外观如图3所示。由图3可知：试件破坏以粗集料的压碎为主，说明按照CAVF法设计的水泥稳定碎石混合料可发挥粗集料间石-石骨架嵌挤作用；随细集料掺量的增加，细集料和水泥浆体填充粗骨料间隙，试件的整体结构更密实，可进一步保证水泥稳定碎石混合料的力学性能[17]。

图3 破型试件外观

2.2 抗冻性能

按照无侧限抗压强度试验方法，成型Ф150 mm×150 mm圆柱体试件分别养护7、28 d后，放入(-18±3)℃低温箱内15～17 h，再移至(20±3)℃水槽中放置8～10 h，重复上述步骤5次，采用冻融前、后的抗压强度比EBDR评价混合料的抗冻性能，计算公式为

EBDR=RDC/RC×100%，

式中：RDC为冻融循环后的抗压强度，RC为冻融循环前的抗压强度。

不同养护龄期试件的冻融强度比如表4所示。

表4 不同养护龄期试件的EBDR %

由表4可知：养护7 d的试件在冻融循环后的抗压强度略有增长，强度增大1.03%～2.36%。养护28 d的试件经冻融循环试验后力学性能均出现不同程度的降低。因养护周期较短，养护7 d后的水泥稳定碎石混合料中的水泥未完全水化，随冻融循环周期的延长，水泥不断进行水化反应，水化产物增多，试件内集料间的黏结力提高，EBDR均大于1。此阶段内，相比冻融循环作用，水泥水化产物的黏结作用对力学性能的影响占主要作用[18]。养护28 d后，水泥水化速度降低，力学强度增大较缓慢，冻融循环作用对力学性能的影响占主导地位，试件内的空隙水经循环结晶膨胀作用影响体系的力学性能。对比3种混合料，随设计空隙的减小，试件的EBDR小幅提高，主要原因是细集料质量比增大使水泥稳定碎石混合料更密实，水泥稳定碎石混合料内自由水的质量分数降低，水-冰晶体转化的膨胀效应减弱，对水泥稳定碎石混合料力学性能的影响减少。

2.3 温缩性能

采用静压法成型400 mm×100 mm ×100 mm的试件，压实度为98%。按照规程试件养护7 d后放入105 ℃烘箱内干燥至恒重，测量试件原始长度L0。设定温度区间为-20～40 ℃，降温梯度为10 ℃，先将试件放置于40 ℃环境中保温3 h，其中仪器降温速度控制为0.5 ℃/min，降至设定温度后保温3 h，保温结束前最后3 min读取数据，以此类推，直到温度降至-20 ℃。

第i个温度区间的温缩应变

εi=(li-li+1)/L0，

第i个温度区间的温缩系数

αi=εi/(ti-ti+1) ，

式中：li为第i个温度区间千分表读数之和的平均值;ti为温度控制程序设定的第i个温度区间，区间范围为10 ℃。

不同级配混合料的温缩系数随温度的变化曲线如图4所示。

图4 不同级配混合料的温缩试验结果

由图4可知：在高于0 ℃时，各个级配混合料的温缩系数均随温度的降低而逐渐减小。即水泥稳定碎石混合料在高温区间，集料粒径对温度变化的敏感性较大，在-10～0 ℃内，水泥稳定碎石混合料的温度敏感性最小。相同温度区间内，随设计空隙率的增大，水泥稳定碎石混合料的温缩系数减小。在高温环境下，水泥稳定碎石混合料试件发生热膨胀，体积较常温有所增加，为后续冷却过程提供了收缩空间。当温度开始下降时，试件体积变化迅速，收缩较大。在收缩过程中，骨料与胶结料越来越紧密，黏结强度逐渐增加。随温度的降低，水泥稳定碎石混合料试件内部的材料接触更紧密，体积变小。这是因为骨料和胶结料间的接触点增多，导致强度更高，可接受的收缩空间更小。温度越低，水泥稳定碎石混合料的收缩越小[19]。

3 结论

1)水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度试验结果表明，采用优化空隙率等参数的CAVF法设计水泥稳定碎石混合料可行。设计空隙率绝对值为0～10%时，水泥稳定碎石混合料的力学性能与设计空隙绝对值呈正相关。

2)随设计空隙率绝对值的增大，水泥稳定碎石混合料的抗冻性能逐渐提高，设计空隙率为-5%、-10%的水泥稳定碎石混合料试件养护28 d的冻融强度比不小于95%，抗冻性能优异。

3)温缩试验结果表明，采用CAVF法设计的水泥稳定碎石混合料可有效避免基层发生温缩开裂，在0～-10 ℃内，水泥稳定碎石混合料的温度敏感性最小。