抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層在高速公路中的應用研究

劉 偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

水泥穩(wěn)定碎石基層具有強度高、穩(wěn)定性好及剛度大等優(yōu)點，在我國被廣泛應用于各級公路尤其是高等級公路的路面基層。然而其自身也存在很大缺陷，水泥穩(wěn)定碎石基層普遍存在開裂現(xiàn)象，嚴重的裂縫會擴展到瀝青路面形成反射裂縫，嚴重影響瀝青路面使用壽命。基于此本文依托云湛高速公路新陽段項目對抗裂型水穩(wěn)碎石基層進行研究，該項目設計速度100 km/h，路基寬度26 m，橋梁荷載等級為公路-I 級，路面結(jié)構為4.5 cm 中粒式改性瀝青混合料GAC-16C 上面層+5.5 cm 中粒式改性瀝青混合料GAC-20C 中面層+8 cm 粗粒式瀝青混合料GAC-25C 下面層+ 38 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層（水泥摻量5%～6%）+20 cm 水泥穩(wěn)定碎石底基層（水泥摻量4%～5%）+15 cm 墊層。

影響基層開裂的主要原因分為兩類，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫主要是由交通荷載作用而產(chǎn)生的疲勞裂縫和一次性荷載作用下的極限斷裂。非荷載型裂縫主要為干縮裂縫和溫縮裂縫[1]。然而兩類裂縫在某些產(chǎn)生機理上是相矛盾的，如灰劑量增大強度變高，荷載裂縫會明顯減少，然而干縮裂縫與溫縮裂縫會增多，故確定合理的灰劑量范圍具有重要意義。此外研究表明骨架密實結(jié)構具有良好的抗裂性能，大大減少瀝青路面的裂縫率，有效提高瀝青路面的耐久性能[2]。故本文從水泥穩(wěn)定碎石級配與灰劑量兩方面對其抗裂性能研究，以在確保強度的同時降低裂縫率。

1 原材料

水泥采用金鷹牌P.O42.5 緩凝水泥，其物理力學性能滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）要求，具體檢測結(jié)果見表1。

集料選用陽春市井坑石灰?guī)r場生產(chǎn)的0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm 及20～30 mm 四檔碎石，各檔碎石含泥量、針片狀顆粒含量、壓碎值等指標均滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）要求，具體檢測結(jié)果見表2。

表1 水泥物理力學性能試驗結(jié)果

表2 集料技術性能試驗結(jié)果

2 水泥穩(wěn)定碎石基層配合比設計及試驗研究

2.1 配合比設計

根據(jù)碎石篩分結(jié)果對顆粒組成進行計算，確定粗、中、細3 種級配，具體級配見表3。粗級配滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）表4.5.4 水泥穩(wěn)定級配碎石的推薦級配范圍C-B-3要求，其適用于極重、特重交通荷載等級的基層，但其級配接近C-B-3 的下限，偏向骨架空隙結(jié)構；中級配滿足C-B-1 級配要求，屬于骨架密實結(jié)構；細級配除0.075 篩孔，其他篩孔均滿足C-B-2 級配要求，屬于懸浮密實結(jié)構。

表3 合成級配表 %

根據(jù)設計文件要求基層7 d 無側(cè)限抗壓強度設計值為5 MPa，分別采用4.5%、5%及5.5%三種灰劑量進行配合比設計。通過重型擊實試驗共確定了9 種配比的最佳含水量與最大干密度，具體結(jié)果見表4。

表4 水穩(wěn)碎石混合料擊實試驗結(jié)果

由表4 可以看出，隨著級配變細，最佳含水率越來越大, 而最大干密度逐漸降低，說明隨著級配變細，混合料吸水率越大，當溫度升高水分散失，易導致混合料的干縮。由此可見，細料太多對路面基層裂縫產(chǎn)生重要影響。

2.2 力學性能研究

根據(jù)確定的9 種水泥穩(wěn)定碎石配合比進行7 d無側(cè)限抗壓強度及干縮試驗，通過其強度與干縮系數(shù)確定合理級配的灰劑量。

無側(cè)限抗壓強度采用靜壓法按98%壓實度成型Φ150×150 mm 圓柱體試件，成型后用塑料袋密封，然后置于溫度為20 ℃±2 ℃、相對濕度大于等于95%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，試件養(yǎng)護6 d 后，從塑料袋中取出稱重，再浸水24 h。其無側(cè)限抗壓強度結(jié)果見表5 與圖1。

按照《公路工程無機集料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）的要求，采用壓力機靜壓成型10 cm×10 cm×40 cm 的中梁試件，每個水泥劑量成型9 個試件，然后養(yǎng)生7 d 進行干縮試驗，從移入干縮室的時間起計算，每天讀一次數(shù)，連續(xù)讀數(shù)7 d，測得其干縮系數(shù)如表5 與圖2所示。

表5 水穩(wěn)碎石混合料強度與干縮試驗結(jié)果

圖1 灰劑量與無側(cè)限抗壓強度關系圖

圖2 灰劑量與干縮系數(shù)關系圖

由圖1 與圖2 可以看出，隨著灰劑量的增加無側(cè)限抗壓強度與干縮系數(shù)均有相應增大，因此為減少后期水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫，在強度滿足設計要求的前提下，應盡量降低水泥劑量。

由圖1 可以看出，相同灰劑量下骨架結(jié)構水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度相差不大，懸浮結(jié)構強度稍低。

由圖2 可以看出，相同灰劑量下骨架密實結(jié)構（中級配）水穩(wěn)碎石干縮系數(shù)要比懸浮密實結(jié)構（細級配）水泥穩(wěn)定碎石的要小30%左右。骨架密實結(jié)構是因為結(jié)構緊密，顆粒間的約束與牽制作用加強，同時因其空隙率較小，受毛細管張力、吸附水和分子間作用以及層間水作用相對來說也較小，再加上最佳含水率本身較小，所以其干縮性能要優(yōu)于懸浮結(jié)構水泥穩(wěn)定碎石。

骨架空隙結(jié)構（粗集配）水穩(wěn)碎石干縮系數(shù)要稍小于骨架密實結(jié)構，因其結(jié)構強度主要來源于粗集料的相互嵌擠，粗集料受水分的脹縮影響較小，故其干縮性能優(yōu)于骨架空隙結(jié)構水穩(wěn)碎石[3]。自身空隙的存在容易造成水分進入，水分會導致水穩(wěn)基層的早期破壞，故在級配選擇時應選擇骨架密實結(jié)構，基于此云湛高速項目選用了中級配作為施工配比。

水泥穩(wěn)定碎石混合料中主骨架由粒徑大于19 mm 碎石組成，次骨架由大于9.5 mm 碎石組成，為形成骨架結(jié)構必須控制級配上限，建議19 mm 篩孔通過率不宜大于88%；對于級配下限在確保不產(chǎn)生離析的情況下可放寬要求。粒徑4.75 mm 以下集料作為填充料，太多易形成懸浮結(jié)構，太少容易造成離析，芯樣不密實，實踐證明4.75 mm 通過率在32%～36%時水泥穩(wěn)定碎石性能最好，芯樣顯示出較好的骨架密實結(jié)構。通過0.075 mm 的粉料與水泥共同起到黏結(jié)作用，太少造成粗集料黏結(jié)不足而引起離析；太多則會對材料抗裂性能造成影響，結(jié)合規(guī)范要求0.075 mm 以下顆粒用量宜控制在2%～5%。

3 現(xiàn)場檢測結(jié)果統(tǒng)計與分析

水泥穩(wěn)定碎石基層施工結(jié)束后，根據(jù)調(diào)研現(xiàn)場平均裂縫間距確定了幾段具有代表性的攤鋪段落，調(diào)研段落齡期在80～100 d 之間，并查找出了相應的7 d 芯樣無側(cè)限抗壓強度、施工級配及灰劑量，具體段落與調(diào)研檢測結(jié)果見表6。

表6 水泥穩(wěn)定碎石基層典型段落調(diào)研與檢測結(jié)果匯總表

分析表6可知：

a）平均裂縫寬度受級配的影響最為顯著，段落①級配明顯偏細，其平均裂縫寬度最小，產(chǎn)生的裂縫最多。

b）其次受灰劑量的影響較大，段落④級配雖屬于骨架密實結(jié)構，但其灰劑量較大，強度較高，相應的平均裂縫寬度也較小，產(chǎn)生的裂縫較多。

c）段落③級配明顯偏粗，灰劑量偏大，強度高，也產(chǎn)生了部分裂縫，且芯樣表面空隙較多不密實，給后期正常運營留下了隱患。

d）段落②級配屬于骨架密實結(jié)構，灰劑量剛滿足設計要求，其裂縫間距最大，換言之產(chǎn)生的裂縫最少，是工程值得推廣應用的配合比，根據(jù)現(xiàn)場施工調(diào)查結(jié)果與相關文獻建議在強度滿足要求的情況下應盡量降低水泥劑量[4]。

4 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場調(diào)研情況，對水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能進行了研究，研究表明骨架空隙結(jié)構水穩(wěn)碎石干縮系數(shù)要稍小于骨架密實結(jié)構，但其自身空隙的存在容易造成水分進入，水分會導致水穩(wěn)基層的早期破壞，故在級配選擇時應選擇骨架密實結(jié)構，建議19 mm 篩孔通過率不宜大于88%，4.75 mm 通過率在32%～36%之間，0.075 mm以下顆粒用量宜控制在2%～5%；灰劑量的增加與干縮系數(shù)成正比例增長，故在無側(cè)限抗壓強度滿足要求的前提下應盡量降低水泥劑量。