大粒径集料在骨架空隙型水泥稳定碎石基层中的应用研究

杨春燕

（平潭综合实验区城乡建设与交通运输服务中心，福建 平潭 350400）

0 引言

城市道路的路用性能和耐久性与路表水的影响密切相关。道路内部结构的组成设计不合理，无法排出的水会加剧道路内部结构的损害，降低道路的路用性能和耐久性。而骨架空隙型水泥稳定碎石基层在路面排水中，可以起到较好解决路表水造成道路内部结构损坏的问题。大粒径集料作为骨架空隙型水泥稳定碎石的重要组成部位，其中粗集料部分充当骨架和排水的作用，细集料和无机结合料主要起填料和黏合剂的作用，可以填充和稳定骨架。由沥青路面的水透过面层，渗到骨架空隙型的水泥稳定碎石的下基层，将水引导至侧向并排到路面边沿，进一步改善道路结构的作用环境，降低了路表水的侵害，提高了道路的路用性能和耐久性能[1]。本文通过对大粒径集料在骨架空隙型水泥稳定碎石级配组成设计和路用性能的测试，提出优化适合施工工艺的配合比设计，以提升城市道路的路用性能。

1 工程概况

福州市平潭县某城市道路工程，道路全长3340.521米，道路等级为城市次干路，双向四车道，设计速度40km/h。考虑到城市美观及保护生态健康，该工程非机动车道采用全透式透水沥青路面铺装施工工法。全透式透水沥青路面铺装要求采用骨架空隙型水泥稳定碎石基层，具有良好的透水性能（渗透系数不小于0.35cm/s，空隙率为15%～23%）[2]和路用性能（无侧限抗压强度、弯沉值和抗裂性能），保证由沥青面层的路表水可进入路面横向排出，对改善城市生态环境和水平衡具有重要的意义。

2 水泥稳定碎石基层路用性能指标要求

2.1 渗透系数和空隙率要求

渗透系数反映水泥稳定碎石基层混合料级配组成的一个关键性指标。骨架空隙型水泥稳定碎石基层渗透系数测试参照现行行业标准《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450-2019）进行[3]。

水泥稳定碎石基层中的空隙是为了加快路表水进入道路内部会后，由骨架空隙型水泥稳定碎石基层及时排出，降低路表水对道路内部结构的损害，保证水泥稳定碎石基层的路用性能和耐久性能。全空隙率是全空隙体积占混合料总体积的百分比，习惯上简称空隙率，有效空隙率则是指有效空隙体积占混合料总体积的百分比[4]。骨架空隙型水泥稳定碎石基层空隙率采用量体积法测量，参照《透水沥青路面技术规程》（CJJ/T 190-2012）附录A进行[5]。

2.2 无侧限抗压强度、回弹弯沉值及干缩率要求

在骨架空隙型水泥稳定碎石基层配合比设计中，基层无侧限抗压强度是首先要考虑的因素；其次通过测量基层的回弹弯沉值，进一步评定路面整体刚度、强度和抗疲劳性能。基层无侧限抗压强度强度参照现行行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行[6]，且7d无侧限抗压强度不小于4.5MPa[7]；回弹弯沉值测量依据现行行业标准《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450-2019）进行[3]，且弯沉代表值应不大于81.29（0.01mm）。

干缩率是目前用来评价骨架空隙型水泥稳定碎石的最主要指标，通过干缩试验来反映半刚性基层的抗开裂性能。试验方法和干缩率参照现行行业标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）[8]进行。干缩试验采用100mm×100mm×400mm棱柱体试件，按照最终优化后的配合比，以98%压实度标准称料并将料分为3层装入试模，采用静力压实法成型3个试件。试件脱模后的养生过程参照现行行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）进行。在试件养护7d后，移入室温（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%的恒温恒湿养护室中测量试件的长度，取三次测量平均值作为试件的初始长度。此后按1d、3d、7d、14d、28d、60d、90d的时间间隔测量其变形读数，进一步换算得到相应时间间隔的干缩率值。

3 大粒径集料的优化设计与试验

3.1 原材料选择

水泥选用泰州杨湾海螺水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其各项指标应满足现行行业标准《公路路面基层技术细则》（JGJ/T F20-2015）和《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2021）中的相关规定。

集料选用0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm四档石灰岩矿物集料，其各项指标其各项指标应满足现行行业标准《公路路面基层技术细则》中的相关规定。

本文试验研究拌和用水采用饮用水，水质各项指标应满足现行行业标准《混凝土用水标准》（JGJ 63-2006）中的相关规定。

3.2 大粒径集料合成级配组成设计

在不调整水泥剂量的前提下，大粒径集料级配对水泥稳定碎石基层各项路用性能起到至关重要的作用。因此通过研究优化集料级配组成设计，改善骨架空隙型水泥稳定碎石基层的各项路用性能是很有必要的。为更全面地优选出能够满足该工程设计图纸要求的大粒径集料级配，且能够满足渗透系数、孔隙率、无侧限抗压强度等各项路用性能要求，对四挡规格集料分别进行筛分后合成4种合成级配组成设计，见表1和图1所示。

图1 四种合成级配结果

表1 大粒径集料合成级配各档集料比例组成

3.3 无侧限抗压强度及空隙率试验

本文取水泥剂量为5.0%，按表1中的合成级配各档集料比例组成，通过击实试验及绘制骨架空隙型水泥稳定碎石混合料的含水量-干密度关系曲线确定最大干密度和最佳含水量。在此基础上，分析并计算出各原材料用量，通过静力压实法成型试件，测试不同合成级配条件下7d无侧限抗压强度、空隙率和干缩率，试验结果见表2和表3所示。

表2 不同合成级配的混合料试件无侧限抗压强度、空隙率

表3 不同合成级配的试件干缩率

由表2和表3可知，由合成级配2作为目标配合比，混合料试件的强度（无侧限抗压强度平均值和代表值）达到最大，空隙率最大，干缩率最小；由合成级配3作为目标配合比，混合料试件的强度（无侧限抗压强度平均值和代表值）达到最小，空隙率较少，干缩率最大。在骨架空隙型结构中，大粒径集料起到骨架嵌挤结构作用，保证混合料的强度，而细集料（0～4.75mm）和水泥作为填料，分散在大粒径粗集料之间，形成密实结构。因此，适当的细集料（0～4.75mm）占比（少于25%），细集料与粗集料的嵌挤作用与各原材料的粘聚力和摩阻力的作用达到平衡，使得混合料试件既能满足强度和最佳含水率的要求，又能达到最理想的空隙率和干缩率要求。当细集料（0～4.75mm）占比达到25%以上时，细集料各集料之间的嵌挤作用已超出各原材料的粘聚力和摩阻力的作用，使得细集料分散于原本用于排水的空隙中，且混合料内部结构不再稳固，在相同载荷条件下，混合料强度和空隙率降低，干缩率增大，严重影响骨架空隙型水泥稳定碎石的路用性能。

3.4 干缩率试验

大粒径集料骨架空隙型水泥稳定碎石混合料1～90d龄期干缩率结果见表3和图2。结合表3和图2可以看出，合成级配3和4（细集料占比超出25%）的骨架空隙型水泥稳定碎石1～90d龄期的干缩率均高出合成级配1和2（细集料占比小于25%）的水泥稳定碎石。随龄期的增长，水泥稳定碎石内部结构强度随之提升，伴随着结构内部自由水的蒸发、与胶凝材料的水化作用、各原材料间的嵌挤、摩擦等作用导致水泥稳定碎石体积收缩，表现出干缩开裂情况。对于1和2合成级配，各集料之间结构结合、嵌挤、约束更加紧密、稳固，所以其干缩性能要优于3和4合成级配。

图2 不同合成级配干缩率随时间变化图

综上分析对比验证，最终确定试验段最佳生产配合比为水泥剂量5.0%，集料（0～4.75）mm:（4.75～9.5）mm:（9.5～19）mm:（19～31.5）mm=21%:32%:14%:33%，含水率为5.2%。

3.5 路用性能测试

为了进一步验证大粒径集料骨架空隙型水泥稳定性碎石的路用效果，根据最终确定最佳生产配合比，在该城市道路工程非机动车道铺筑一条长度500m，厚度为300mm，大粒径集料含量5%的水泥稳定碎石基层作为试验路段。铺筑施工、养护及路用性能测试期间，试验路段进行相应限行交通管制处理。

在试验路段铺筑当天，取施工现场厂拌的水泥稳定性碎石混合料成型无侧限抗压强度试件，测试7d无侧限抗压强度。分别在试验段铺筑后的第7d和28d进行路面弯沉试验，随后采用路面取芯机钻取直径为150mm芯样试件，进行空隙率和渗透系数的测定。7d无侧限抗压强度、路面弯沉代表值、空隙率和渗透系数测试结果见表4。

从表4可以看出，左右幅非机动车道试验路段的任意两个测试桩号，7d无侧限抗压强度，7d和28d路面弯沉代表值、空隙率和渗透系数均能满足设计要求。从总体上看，大粒径集料水泥稳定碎石基层的各项路用性能均能达到设计要求。

表4 试验路段无侧限抗压强度、路面弯沉代表值、空隙率和渗透系数测试结果

4 结束语

本文结合福州市平潭县某市政道路非机动车道新建工程，明确了水泥稳定碎石基层路用性能指标主要考虑渗透系数、孔隙率、无侧向抗压强度、回弹弯沉值及干缩率；通过原材料选择和大粒径集料合成级配组成设计进行了大粒径集料的设计，并应用于骨架空隙型水泥稳定碎石基层中，通过无侧限抗压强度及孔隙率试验以及干缩率试验得到的试验结果进行了优化设计，并通过路用性能测试验证了设计的合理性，研究成果可供相关人员参考借鉴。