水泥穩(wěn)定碎石配合比設計及裂縫防治研究

謝洪兵 （安徽建工集團投資管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

近年來，水泥穩(wěn)定碎石層因其具有較好的力學性能和施工工藝簡便常被用作高等級公路路面的主要承重層，水泥穩(wěn)定碎石的配合比設計是路面施工質(zhì)量的關鍵控制點，不合理的配合比通常會導致水泥穩(wěn)定碎石成品強度不足、縱橫向裂縫偏多等問題[1～8]。因此，控制水泥穩(wěn)定碎石配合比的合理性是保證路面質(zhì)量關鍵措施。本文結(jié)合一些實際工程施工中的案例來探討水泥穩(wěn)定碎石配合比設計的合理性及裂縫防治措施。

1 水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)類型

水泥穩(wěn)定碎石是一種由水泥、粗集料、細集料組成的混合料，根據(jù)這三種材料的不同配比組合可形成三種結(jié)構(gòu)形式：懸浮密實、骨架空隙、骨架密實。

1.1 懸浮密實結(jié)構(gòu)

如圖1（a）所示，該種結(jié)構(gòu)形式的水泥穩(wěn)定碎石混合料中細集料較多，粗集料較少且粗顆粒之間不能相互接觸，這種結(jié)構(gòu)的混合料直剪試驗表現(xiàn)為具有較大的c值和較小的φ值，強度較低，且由于細集料過多，易產(chǎn)生收縮裂縫，因而該種結(jié)構(gòu)不適宜用作高等級公路水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)形式。

1.2 骨架空隙結(jié)構(gòu)

如圖1（b）所示，該種結(jié)構(gòu)形式的水泥穩(wěn)定碎石混合料中粗集料較多，細集料較少，細集料不能充滿粗集料之間的空隙，這種結(jié)構(gòu)的混合料直剪試驗表現(xiàn)為具有較大的φ值和較小的c值，強度較大，抗收縮性能較好，但該種結(jié)構(gòu)受重復荷載之后耐久性較差，因而該種結(jié)構(gòu)也不適宜用作高等級公路水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)形式。

1.3 骨架密實結(jié)構(gòu)

如圖1（c）所示，該種結(jié)構(gòu)形式的水泥穩(wěn)定碎石混合料中粗集料能相互接觸形成骨架，細集料也能充實粗集料骨架的間隙，這種結(jié)構(gòu)的混合料直剪試驗表現(xiàn)為既具有較大的φ值又具有較大的c值，強度較大，表現(xiàn)為具有最佳的力學性能，其耐久性與抗收縮性能均較好，因此，高等級公路水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)形式應采用骨架密實結(jié)構(gòu)。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石的三種結(jié)構(gòu)形式

2 水泥穩(wěn)定碎石強度形成機理

水泥穩(wěn)定碎石強度形成機理是非常復雜的，既有化學作用，又有物理作用，還有物理-化學共同作用等。其中最主要的有粗集料的嵌擠摩阻作用和水泥的硬化作用。

2.1 嵌擠摩阻作用

水泥穩(wěn)定碎石混合料中的粗骨料在壓路機碾壓之后緊密地嵌擠在一起，且顆粒之間具有較大的摩擦和阻止顆粒翻動的作用，從而形成水泥穩(wěn)定碎石的骨架，這種作用也是剪切試驗中內(nèi)摩擦力φ值，這種結(jié)構(gòu)具有較高的強度、較好的穩(wěn)定性和抗收縮性能。

2.2 水泥的硬化作用

水泥作為膠凝材料經(jīng)過水化反應生成一系列具有一定強度的硬化物質(zhì)，既把粗細集料膠凝在一起，又通過自身的化學硬化反應提高了水泥穩(wěn)定碎石的整體強度，研究表明，水泥的硬化反應時間可達到1～2年，這期間其強度不斷增長。但水泥因其具有收縮性，級配不良的情況下易造成水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生收縮裂縫。

3 配合比設計的意義

配合比設計即使在滿足原材料和混合料的級配及無側(cè)限抗壓強度符合規(guī)范要求的情況下，還是會存在設計的混合料級配不合理的情況，這樣會導致水泥穩(wěn)定碎石施工及通車后路面存在質(zhì)量問題，如反射裂縫過多、耐久性不足等。因此，配合比設計的級配曲線的準確性及生產(chǎn)過程中級配的控制成為控制水泥穩(wěn)定碎石施工質(zhì)量的關鍵措施，必須對其進行合理的控制。

4 配合比設計及裂縫防治相關問題探討

4.1 水泥穩(wěn)定碎石對原材料的要求

水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層質(zhì)量的重要控制要點之一為原材料的質(zhì)量，從源頭上把控水穩(wěn)原材料的質(zhì)量是配出優(yōu)質(zhì)水泥穩(wěn)定碎石成品的前提條件。水泥宜采用正規(guī)大型水泥生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，但其應選擇終凝時間能夠達到6h以上的水泥，快硬、早強及受潮變質(zhì)的水泥是決不允許使用的。另外，水泥的細度、安定性等指標也必須符合規(guī)范要求。宜采用32.5級低標號水泥。

對于水穩(wěn)混合料中碎石的技術指標要求：最大粒徑控制在31.5mm，針片狀顆粒含量控制在15%以下，且壓碎值、強度、沖擊值、磨耗值、磨光值等各項指標均必須滿足規(guī)范規(guī)定標準。細集料的質(zhì)量應嚴格控制0.075mm粒徑的通過率及含泥量。筆者通過調(diào)查走訪一些實際工地項目，發(fā)現(xiàn)有一些材料存在細集料以次充好的問題，主要表現(xiàn)為0～2.36 mm粒徑的石粉加工采用軟石、風化石等不良材料加工，從顏色上看呈泛白、泛黃色、泛粉紅等，跟粗集料的顏色存在明顯的色差。高等級公路的水穩(wěn)碎石若使用這種不良材料，必然導致路面強度低、裂縫多、壽命短等嚴重的質(zhì)量問題。

拌合水一般采用飲用水即可，如果對水質(zhì)有疑問，必須通過試驗確定水中是否含有對水泥強度發(fā)展有重大影響的物質(zhì)。試驗方法是用該種水拌制的水泥砂漿與蒸餾水拌制水泥砂漿的抗壓強度作比較，兩者強度若相差10%以上，則證明此種水不能用作拌合水，必須另行確定拌合用水。

4.2 級配曲線的合理結(jié)構(gòu)

由前所述，重載公路的水泥穩(wěn)定碎石級配應當優(yōu)先設計為骨架密實結(jié)構(gòu)。理論上來講，級配曲線的理想結(jié)構(gòu)應為級配中值（如圖2所示）。

圖2 理想級配類型

實際工程中在合成級配曲線上,沒有必要刻意把所有級配數(shù)值都取到中值，這是因為根據(jù)實際工程經(jīng)驗，如果把級配的所有數(shù)值都取中值，將導致起到骨架支撐作用的粗集料略顯不足。因此，根據(jù)多個工地的施工經(jīng)驗，水泥穩(wěn)定碎石的合成級配曲線呈“S”形效果更好。

圖3為兩種合理的級配類型，從級配曲線圖上可以看出，這兩種級配曲線呈“S”型，曲線顯示平穩(wěn)、圓滑，接近中值，且在中值線左、右擺幅較少。

圖3 合理級配曲線示例

圖4為兩種不合理級配類型，從級配曲線圖上可以看出，這兩種級配曲線沒有表現(xiàn)出平緩的“S”型曲線，離散性較大，圖4（a）明顯偏級配上限，距離中值線擺幅偏大，且小于0.075mm細集料含量顯然過大。圖 4（b）在 4.75mm 級超級配上限，距離中值線擺幅過大，呈現(xiàn)斷級配形式，這兩種級配小于0.075mm細集料含量均過大。這將對水泥穩(wěn)定碎石的強度、干縮性和溫縮性產(chǎn)生較大的影響。

圖4 不合理級配曲線示例

4.3 級配、水泥劑量對干縮、溫縮的影響

反射裂縫是水泥穩(wěn)定碎石基層的主要病害，其主要原因是干縮和溫縮的作用。干縮是指由于水穩(wěn)碎石成品表面的水分蒸發(fā)及其內(nèi)部發(fā)生水化作用，水穩(wěn)碎石成品的水分不斷減少引起毛細管作用及礦物晶體間水化作用等引起水穩(wěn)碎石成品的體積產(chǎn)生收縮。溫縮是指由于水穩(wěn)碎石成品中固相、液相和氣相等在降溫過程中相互發(fā)生作用，使水穩(wěn)碎石成品的體積產(chǎn)生收縮。

選取三種不同的級配（見圖5），分別按4%、5%、6%的水泥劑量進行干縮和溫縮試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖5 試驗用三種級配

由圖6試驗結(jié)果可分析得出，對相同級配來說，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均表現(xiàn)出共同的特征，隨著水泥劑量的增加而增加。對相同水泥劑量來說，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)隨著細料含量的變大而變大。在圖6中，C級配的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)整體較高，由于原材料中碎石的溫度收縮系數(shù)本身就較小，這說明溫縮引起收縮程度與細集料有關，尤其是0.075mm以下粉粒顆粒，粉粒以下顆粒溫度收縮性較大。因此，在進行配合比設計過程中，應嚴格控制混合料中0.075mm以下顆粒的含量，使其盡量靠近中值，宜優(yōu)先選擇粗級配和接近中值的級配作為水穩(wěn)碎石的生產(chǎn)級配，這樣能夠增加水穩(wěn)碎石成品的抗裂能力。

圖6 干縮、溫縮試驗結(jié)果

4.4 抗裂型級配

江蘇省曾提出過抗裂型級配，其集料組成如表1所示，該種級配除要求原材料應滿足規(guī)范外，更對0.075mm做了更嚴格的要求，該級配組成的水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂型很好，但施工比較困難，易產(chǎn)生離析，特別是對細集料的控制較為嚴格。在施工條件允許的情況下，可優(yōu)先考慮采用抗裂型級配。

抗裂型水泥穩(wěn)定碎石混合料中合成碎石的顆粒組成 表1

4.5 裂縫處理方法

水泥穩(wěn)定碎石基層作為路面的主要承重結(jié)構(gòu)層，施工中出現(xiàn)裂縫不足為奇，但要分析裂縫的類型及成因，制定針對性的處理措施。筆者根據(jù)多年施工經(jīng)驗總結(jié)，把水穩(wěn)裂縫分為三種：收縮裂縫、搭接離析裂縫、路基不均勻沉降裂縫。

收縮裂縫是水泥穩(wěn)定碎石最常見的病害，其處理措施應視裂縫寬度而定，對細窄裂縫灌注乳化瀝青；對略寬裂縫則灌注熱瀝青；再用抗裂貼或玻纖格柵在裂縫兩側(cè)超過50cm寬度范圍加以粘結(jié)及釘牢處理，然后方可施工瀝青透封層。

搭接離析裂縫是由兩臺攤鋪設備在搭接處產(chǎn)生的離析情況所致，取芯結(jié)果為裂縫處粗集料集中，細集料缺失，對該種裂縫的處理目前采取以裂縫為中心沿裂縫縱向切除寬100cm的結(jié)構(gòu)層，挖除后澆筑C10混凝土，養(yǎng)護結(jié)束后在混凝土和水穩(wěn)層接縫處灌注熱瀝青，按照收縮寬裂縫處理方法處理。

路基不均勻沉降裂縫為路基失穩(wěn)導致的不規(guī)則裂縫，對該種裂縫不能僅處理裂縫，必須對路基進行加固，目前多采用鋼花管注漿加固路基，注漿完成后按照收縮寬裂縫處理方法處理。

5 結(jié)語

①水泥穩(wěn)定碎石混合料的結(jié)構(gòu)形式以骨架密實型結(jié)構(gòu)最優(yōu)，在高等級公路路面設計中應優(yōu)先采用該種結(jié)構(gòu)。

②在配合比設計時，水泥穩(wěn)定碎石的合理級配曲線宜接近中值并呈“S”型，細集料和粉料用量應嚴格控制。在滿足強度要求的前提下，為減少基層反射裂縫，應嚴格控制水泥用量及小于0.075mm細集料含量。建議在施工條件允許的情況下，優(yōu)先考慮采用抗裂型級配。

③裂縫主要分為三種類型：收縮裂縫、搭接離析裂縫、路基不均勻沉降裂縫。處理裂縫應治標治本，按照裂縫類型及相應的處理措施徹底根除病害。