骨架密实型水泥稳定碎石混合料配合比设计及路用性能分析

李 浩

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

我国高速公路应用最广泛的基层形式为半刚性基层，而水泥稳定碎石是半刚性基层的主要材料形式，因此，水泥稳定碎石基层在我国高速公路应用极为普遍。水泥稳定碎石基层的优点为强度高、荷载扩散能力强和稳定性好，缺点主要是易引起沥青路面反射裂缝[1]。水泥稳定碎石基层所用的水泥为水硬性材料，伴随着水化反应必然出现温缩、干缩现象，而收缩是产生水泥稳定碎石裂缝的一个主要原因[2-3]。很多国家在应用水泥稳定碎石基层时通过降低水泥掺量来减少裂缝，澳大利亚将水泥掺量控制在3%以内，日本仅为2%左右[4]。我国沥青路面的设计思想是“强基薄面”，水泥掺量的降低固然可以减少裂缝的发生，但也会降低强度，不利于路面长期服役性能。通过优化水泥稳定碎石混合料级配，使之达到骨架密实状态，既可以降低水泥掺量，又能保障混合料的强度，还能减少水泥稳定碎石基层的开裂[5-6]。因此，骨架密实型水泥稳定碎石混合料成为公路工程优先选择的类型，对其级配设计与路用性能、收缩特性的研究具有重要意义。

国内外学者已经对骨架密实型水泥稳定碎石混合料级配设计理论和设计方法开展大量研究工作，取得了很多有参考意义和应用价值的成果[7-10]。这些研究成果中，逐级填充法、试验法和体积法应用较多。其中，逐级填充法物理意义明确，易于理解和应用，但过于追求混合料的密实性，结果离散性较大；试验法简单明确，但难以确定混合料是否达到骨架密实状态，缺乏相应的评判理论和方法；体积法以贝雷法和Superpave设计法最为著名，其明确了粗细集料的体积关系，但国内外学者将其应用于水泥稳定碎石混合料级配设计时未对最佳预留空隙率以及水分体积进行考虑[11]。因此，本文通过综合体积法中的填充干涉理论和我国学者林秀贤提出的i值法设计骨架密实型水泥稳定碎石混合料：采用贝雷法确定粗细集料的分界，采用填充干涉原则设计粗集料的材料组成，采用i值法设计细集料组成。通过室内试验分析所设计的骨架密实型水泥稳定碎石混合料的路用性能，并应用于都巴高速公路路面B分部，基于实体工程验证所设计的骨架密实型水泥稳定碎石混合料的抗裂性能。本文研究成果对工程实践设计骨架密实型水泥稳定碎石混合料有一定的参考意义。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

试验采用华润水泥(田阳)有限公司生产的P·C42.5水泥，各项检测指标如表1所示。

集料均为石灰岩，产自都巴高速公路设吉石场，按照粒径范围分为5档：19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm。各档集料基本性质及筛分结果如表2～4所示。

表1 水泥技术指标表

表2 粗集料技术指标表

表3 细集料(0～2.36 mm)技术指标表

表4 各档集料筛分结果表

1.2 粗、细集料配合比

根据贝雷法确定粗细集料的分界点。本文公称最大粒径为19 mm，最终确定粗细集料的分界点为4.18 mm。结合规范以及相似性最接近粒级的原则，调整后的粗细集料分界点为4.75 mm。

采用干捣试验的方法用于设计粗集料的级配。根据体积法中的填充干涉理论原则对粗集料配合比进行设计，最终确定4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～26.5 mm的质量比为28∶44∶28时，组成的混合料骨架间隙率最小。采用i值法设计细集料级配，以0.03为间隔，设计不同i值下的细集料级配；对其进行击实试验，得到不同i值下级配的最大干密度以及最佳含水量，试验结果如表5所示。将不同i值对应级配在最佳含水量的条件下制成试件后进行CBR试验，试验结果如表6所示。从表6可知，当i取值0.63时，CBR值最高，表明其密实度最佳。当i取值0.63时，确定细集料配合比为2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm=1∶2.5。

表5 不同i值对应级配的最大干密度和最佳含水量数值表

表6 不同i值对应级配的CBR值表

设计不同比例的粗细集料，控制级配在相关规范C-B-1范围内，并采用5.0%的水泥掺量制作水泥稳定碎石混合料，以7 d无侧限抗压强度作为验证指标，优选粗细集料配合比，试验结果如表7所示。由表7可知，当粗细集料比例在65∶35时，7 d无侧限抗压强度最高。

表7 不同质量比例粗细集料水泥稳定碎石混合料7 d无侧限

综上所述，最终确定配合比为0～2.36 mm∶2.36～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～26.5 mm=25∶10∶18∶29∶18。合成级配如表8所示。

表8 合成级配表

2 路用性能研究

2.1 强度及模量增长规律

水泥稳定碎石基层的各种强度和模量是评价其路用性能的重要指标，是道路结构分析中的重要参数。本文对4.5%和5.0%水泥掺量下不同龄期骨架密实型水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量开展研究，试验过程及养生方法参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)(以下简称《试验规程》)。试验结果如下页图1～3所示。

图1 无侧限抗压强度随龄期变化曲线图

图2 劈裂强度随龄期变化曲线图

图3 抗压回弹模量随龄期变化曲线图

由图1～3可知，随着龄期增长，骨架密实型水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量均有所增长。28 d龄期的各项指标均为7 d龄期的两倍左右，表明水泥稳定碎石混合料在7 d时强度增长已经达到了50%，具备一定的通车能力。5.0%水泥掺量的各项强度指标均优于4.5%水泥掺量，说明水泥掺量是保障水泥稳定碎石混合料强度的重要因素之一。但4.5%水泥掺量下的水泥稳定碎石混合料各项性能均达到规范要求，这表明骨架密实型水泥稳定碎石混合料在降低水泥掺量的前提下仍然具有较高的强度。

2.2 温度收缩试验

对7 d龄期的4.5%水泥掺量骨架密实型和中值级配的水泥稳定碎石混合料开展温度收缩试验，试验过程参考《试验规程》T0855-2009，试验温度变化范围为-30 ℃～30 ℃，自30 ℃起以0.5 ℃/min速率降温，每5 min采集一次数据，每10 ℃算一个温度级别，当温度降到规定的级位时保温3 h，记录保温结束前5 min内数据作为试件的温缩变形，根据温缩变形计算其温缩系数。温缩系数计算结果如表9所示。

表9 温缩系数计算结果表(με/℃)

由表9可知，不同级配的水泥稳定碎石的温缩系数在试验温度区间先减小后增大，在0 ℃附近达到最小值，之后慢慢变缓，到-20 ℃左右时基本不再增大。从数据上看，骨架密实型水泥稳定碎石混合料抗温缩能力较中值级配更优。

2.3 干燥收缩试验

对4.5%水泥掺量骨架密实型和中值级配水泥稳定碎石混合料开展干燥收缩试验，试验过程参考《试验规程》T0854-2009，试验结果如图4所示。由图4可知，两种级配水泥稳定碎石混合料平均干缩系数随龄期增加而逐渐增加，在7 d龄期左右均达到稳定，表明干缩主要发生在7 d龄期以前。骨架密实型水泥稳定碎石混合料与中值级配相比，平均干缩系数较小，且进入干缩稳定期的时间有所提前。

图4 平均干缩系数随龄期变化曲线图

3 工程应用及裂缝统计

将4.5%水泥掺量骨架密实型和中值级配水泥稳定碎石混合料应用于都巴高速公路路面B分部项目，施工3个月后统计这两种级配的裂缝情况，结果如表10所示。由表10可知，骨架密实型水泥稳定碎石混合料路面的裂缝数量远低于中值级配，且裂缝主要由非通缝构成，而中值级配基本为通缝，这说明骨架密实型水泥稳定碎石混合料在抗裂方面具有明显优势。

表10 裂缝调查统计对比表

4 结语

本文通过体积法中的填充干涉理论原则及i值法，依据室内试验，设计并优选骨架密实型水泥稳定碎石混合料，对两种类型水泥稳定碎石混合料的路用性能及工程应用抗裂性能进行研究，得出如下结论：

(1)骨架密实型水泥稳定碎石混合料在水泥掺量为4.5%的前提下依然具有较好的强度，且强度增长规律与5.0%水泥掺量水泥稳定碎石混合料一致，因此骨架密实型水泥稳定碎石混合料可适当降低水泥掺量。

(2)骨架密实型水泥稳定碎石混合料室内温度收缩和干燥收缩性能优于中值级配水泥稳定碎石混合料。

(3)都巴高速公路路面B分部项目实体工程应用表明，骨架密实型水泥稳定碎石混合料抗裂缝能力优于中值级配水泥稳定碎石混合料。