水泥穩(wěn)定碎石混合料成型方法試驗對比研究

摘 要：水泥穩(wěn)定碎石具有強度高，板體性好，經(jīng)濟性好等優(yōu)點，是我國使用最廣泛的半剛性基層材料，比較了靜壓和振動成型方法設(shè)計的級配的強度、最佳含水率等指標(biāo)，說明采用振動壓實法進行配合比設(shè)計，使基層整體強度更加均勻，密實度更高，增強了基層的強度及抗水損害性能。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石;配合比設(shè)計;成型方法;施工工藝;最佳含水率

1 水泥穩(wěn)定碎石概述

水泥穩(wěn)定碎石基層作為半剛性基層瀝青路面中最常用的形式，由于不合理的設(shè)計方法以及水泥穩(wěn)定碎石本身材料特性，其耐久性并不理想，包括易開裂、抗水損性差成為了最突出的問題。影響水泥穩(wěn)定碎石耐久性的因素很多，可分為內(nèi)因和外因，外因有車輛荷載、環(huán)境（溫度和濕度）以及結(jié)構(gòu)組合等，而內(nèi)因最主要的就是不合理的設(shè)計方法。

水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計主要確定：①不同礦料的比例，以確定級配組成;②確定級配組成的最大干密度、最佳含水率;③水泥添加量。

2 兩種試件成型方法試驗比較分析

對于水泥穩(wěn)定碎石層次施工來說，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場壓實功已經(jīng)不匹配：1）當(dāng)前壓實已采用振動壓路機（一般不小于20t），而重型擊實試驗法是對應(yīng)多年前（8～12）t壓路機，已明顯落后于生產(chǎn)實際;2）振動碾壓作用下礦料排列方式與不同于重型擊實（靜壓成型）不同，且集料級配變化情況也不同，導(dǎo)致室內(nèi)靜壓成型水泥穩(wěn)定碎石試件組成結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場振動碾壓成型基層組成結(jié)構(gòu)不吻合，已經(jīng)不能科學(xué)有效地指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計施工，從而影響工程質(zhì)量。

2.1 礦料級配組成分析

為了分析成型方法對級配組成的影響，采用水洗篩分法對成型前后的級配組成進行分析，試驗結(jié)果見表1。

根據(jù)表1可以看出，振動成型后試件的級配與原級配比稍細，但變化不大，說明振動成型法不易使集料振碎影響級配;而靜壓成型后試件的級配發(fā)生了顯著變化，細集料明顯增多。

振動成型法水泥穩(wěn)定碎石通過振動成型法成型試件，通過一定的面壓力及激振力將混合料振動壓實，混合料內(nèi)部粗集料通過排列容易形成一定的主骨架，而細集料在激振力下填充進主骨架的剩余空隙中，從而形成骨架密實型的結(jié)構(gòu)?；旌狭铣尚秃蟮膹姸戎饕揽看旨瞎羌軓姸龋皇莾H僅依靠水泥膠漿的強度。該方法能夠較好地模擬實際施工中強振碾壓成型的實際情況，且不易出現(xiàn)集料破碎現(xiàn)象，級配較為穩(wěn)定，其強度及抗裂性能、抗沖刷性能均將顯著提高^[3、4]。

2.2 最大干密度和最佳含水率比較分析

兩種成型方法確定的同一級配的最大干密度和最佳含水率數(shù)據(jù)，見表2及圖3。

從表2中可以得出，干密度比（振動壓實最大干密度/重型擊實確定的最大干密度）在1.031～1.036。

振動壓實法確定的最佳含水率較重型擊實確定的含水率約低0.3%～1.0%。這是因為集料在振動外力的作用下能夠容易重新排列而不需依靠過多的水來潤滑，從而減少了水的用量。

2.3 試件強度比較分析

對比分析兩種方法確定的強度的異同，見表3及圖4。

從表3及圖4可知，相同水泥添加量時，7d無側(cè)限抗壓強度，R振/R靜（代表值）約為1.5倍;且振動壓實成型的試件強度離散性較小。從而在同一設(shè)計強度要求下，水泥劑量可比靜壓成型水泥劑量低0.5%～1.0%。

3 振動成型法水泥穩(wěn)定碎石的特點

與重型擊實法設(shè)計的水穩(wěn)相比，振動成型法設(shè)計的水穩(wěn)具有以下特點：

3.1 集料破碎率低，對級配影響小，易形成骨架密實結(jié)構(gòu)

振動成型法水泥穩(wěn)定碎石級配范圍有以下特點：① 降低4.75mm通過率，一般控制在30%左右，粗集料的增加，使得在級配范圍內(nèi)能形成骨架密實結(jié)構(gòu)混合料;② 提高9.5～19mm部分集料用量，粗集料自身組成合理，可避免現(xiàn)場攤鋪及碾壓時產(chǎn)生離析;③ 降低0.6mm以下粉料含量，嚴格控制0.075mm通過率不大于3%，可大幅提高水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能。

3.2 最大干密度、最佳含水率確定方式不同

兩種設(shè)計方法的主要區(qū)別是確定最大干密度、最佳含水率的方法不同，一是重型擊實，而另一個是振動壓實。

隨著大噸位壓路機的使用和對壓實度的高要求，采用重型擊實法得到的最大干密度來計算壓實度往往會很容易就能滿足規(guī)范要求，甚至達到100以上。這說明采用傳統(tǒng)最大干密度計算的壓實度來進行施工質(zhì)量的控制已失去意義，無法滿足實際要求。

3.3 成型機理不同，形成骨架密實結(jié)構(gòu)，水泥劑量低但強度高

傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石采用靜壓成型法成型試件，通過一定的靜力將混合料壓實至規(guī)定的密度，該成型方法與最大干密度的確定方法是矛盾的，與實際施工時壓實作用模式也是矛盾的。靜壓成型時，混合料在壓力作用下，其中粗、細集料來不及重新排列就被壓實成型，且粗集料容易被壓碎，該方法成型混合料通常形成懸浮密實型結(jié)構(gòu)，無法形成骨架密實型結(jié)構(gòu)，而此時只能通過增加水泥劑量來使抗壓強度達到設(shè)計要求，繼而抗裂性能無法得到保證。（如圖4）。

4 振動成型法水泥穩(wěn)定碎石施工控制要點

振動成型法水泥穩(wěn)定碎石從級配組成、最佳含水率、最大干密度等方面進行了調(diào)整，然而要得到良好路用性能的水泥穩(wěn)定碎石基層，還需要從下列幾方面進行施工質(zhì)量控制：

4.1 控制好關(guān)鍵篩孔^[5]

粒徑大于19mm集料形成主骨架，粒徑大于9.5mm集料形成次骨架，必須控制級配上限，否則難以形成較強骨架，對于級配下限，如若能保證不離析，可以適當(dāng)放寬要求，不作控制指標(biāo)。

粒徑4.75mm以下顆粒起填充作用，太多易撐開骨架，太小不密實。試驗結(jié)果表明，4.75mm通過率在30～35%時水泥穩(wěn)定碎石路用性能最好，試件切割面和芯樣均顯示出骨架密實結(jié)構(gòu)形成得較好。

0.075mm以下粉料，與水泥一起起到粘結(jié)作用，太少則比表面過小、對粗集料粘結(jié)不足而易引起離析，而且也難以形成密實結(jié)構(gòu);太多則對抗裂不利。要求0.075mm以下顆粒用量宜控制在3%以下。

4.2 控制好水泥質(zhì)量及劑量

由于水泥劑量偏小，在施工過程中尤其要嚴格控制好質(zhì)量和水泥劑量，不超過設(shè)計的±0.2%。水泥劑量太小，拌和均勻性難度加大，強度可能滿足布料承載力要求;水泥劑量太大，既浪費材料，又會對基層抗裂不利，對面層構(gòu)成局部破壞。

4.3 控制好最佳含水率

擊實試驗表明，當(dāng)含水率不同時，相同的混合料在相同的壓實功作用下會產(chǎn)生不同的壓實度。含水率過大時，不僅難以達到最大壓實度，而且提漿作用明顯影響層間結(jié)合和增大干縮裂縫的危險;含水率過小，混合料不但難以碾壓成型，而且因水泥的物理、化學(xué)反應(yīng)不全面而造成結(jié)構(gòu)層強度難以形成，造成板體松散。施工過程中確保碾壓時的含水率接近于振動法確定的最佳含水率，可以達到最大壓實度。

4.4 控制好壓實度

強度試驗結(jié)果表明，壓實度提高1%，強度大約可提高10%。因此，必須確保壓實度滿足要求。

根據(jù)振動成型法水泥穩(wěn)定碎石基層在本項目上應(yīng)用情況及其它相關(guān)研究成果可以得出結(jié)論：與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石不同，振動成型法水泥穩(wěn)定碎石混合料可以達到高強度與良好抗裂性共同存在的最優(yōu)效果。只要級配合理，沒有必要通過增加水泥劑量增加強度來犧牲抗裂性能，采用振動成型法水泥穩(wěn)定碎石可以達到抗裂性能最佳、水泥劑量最少、強度滿足要求的效果，同時還可以降低工程造價，帶來巨大的經(jīng)濟社會效益。

參考文獻：

[1] 周曉華，壓實方式對水泥穩(wěn)定碎石級配的影響研究[J]. 西南公路，2018（1）：53-55。

[2] 于淼、馬骉、李笑盈、田宇翔，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強度的影響因素分析[J]. 路基工程，2018（4）：7-12。

[3] 趙中強， 不同試件成型方法的水泥穩(wěn)定碎石混合料宏細微觀結(jié)構(gòu)性能[J]. 施工技術(shù)，2018（23）：57-63。

[4] 張蕾、惠新、陳龍、王旭東，基于圖像技術(shù)的水泥穩(wěn)定級配碎石加載損傷特征研究[J]. 公路交通科技，2017（6）：38-44。

[5] 肖海健、于淵卓，羅陽高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層級配優(yōu)化調(diào)整[J]. 公路交通科技應(yīng)用技術(shù)版，2018（8）：83-84。

作者簡介：范江，男，1982年1月出生，籍貫：湖南長沙;職稱：公路橋梁工程師，研究方向：公路路面、路基及橋梁施工管理方面。