骨架密實(shí)型抗裂水穩(wěn)設(shè)計(jì)及研究

1、黃志福1 楊乾2 竇維禹11. 安徽省交通投資集團(tuán)公司摘要：水泥穩(wěn)定碎石因其優(yōu)良的路網(wǎng)性能廣泛用于高等級公路。安徽近二十年修建的高速公路多為80cm石灰改善土路床+20cm石灰土底基層+36cm水泥穩(wěn)定碎石基層+4、6、8cm瀝青混合料結(jié)構(gòu)。由于水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層先天性干縮裂縫導(dǎo)致瀝青砼面層反射裂縫，影響路面使用性能。國內(nèi)關(guān)于水穩(wěn)半剛性基層抗裂及防止反射裂縫研究較多，成果頗豐。本文介紹的骨架密實(shí)型抗裂水穩(wěn)設(shè)計(jì)及研究，成功取得半剛性性水穩(wěn)基層3877m無裂縫最新國內(nèi)紀(jì)錄。骨架密實(shí)型抗裂水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層依托工程為安徽省“四縱八橫”高速公路網(wǎng)第二橫-泗（洪）許（昌）高速公路一期工程泗縣至宿

2、州段91.47km全線使用。統(tǒng)計(jì)兩幅裂縫合計(jì) 道，平均 米一道。最長無裂縫位置為：k50+674-k54+551,長3877m，雙幅近7km無裂縫。施工時間:下層水穩(wěn)2009年10月9日-2010年3月5日 上層水穩(wěn)2009年11月1日-2010年4月16日關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石 半剛性基層 發(fā)射裂縫Abstract:半剛性基層材料具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的使用前景，但在道路的實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了水損害和裂縫等病害。水泥穩(wěn)定碎石基層的裂縫主要源于溫度收縮、干燥收縮和疲勞荷載作用，基層的開裂很有可能引起瀝青面層的反射裂縫。為減少水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮裂縫，國外很多國家都將水泥用量降低到較低的水平，如澳

3、大利亞的為3%以內(nèi)，日本僅為2%左右。本文針對通過率分別為25%、30%以及35%的三種級配，在三種水泥劑量為3%、4%以及5%的情況下進(jìn)行振動擊實(shí)試驗(yàn)，綜合分析抗裂型水泥穩(wěn)定碎石混合料密度、強(qiáng)度和收縮變形的關(guān)系。深入研究抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石在基層的應(yīng)用，并把成果應(yīng)用到泗（洪）許（昌）高速公路一期工程泗縣至宿州段m全線。振動壓路機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要包括：自重和靜線壓力、鋼輪寬度和直徑、離心力、振幅、頻率等；其工作參數(shù)包括壓實(shí)厚度，碾壓速度和遍數(shù)等。振動成型壓實(shí)參數(shù)的確定是抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層推廣應(yīng)用的前提，是首先應(yīng)解決的問題。選擇合理的振動成型參數(shù)力求使其壓實(shí)的效果能和壓路機(jī)的現(xiàn)場壓實(shí)效果等效

4、。本文選用國內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石振動壓實(shí)參數(shù)典型的選取值作為研究參考，如表，由表可知，國內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石振動成型的參數(shù)激振力范圍為68007800N范圍內(nèi)，振動頻率為28Hz35Hz，振幅在左右，振動時間大部分選取為2min。表1.1 國內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石振動壓實(shí)參數(shù)選取表靜壓力激振力振動頻率振幅振動時間備注1900N(108kPa)68006900N2830Hz-混合料振動壓實(shí)達(dá)到指定高度公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D 50-2006）140kPa7612N30Hz2min天津市政工程研究院-所測密度變化趨勢圖達(dá)到穩(wěn)定時的時間哈爾濱工業(yè)大學(xué)東北道路研究所104kPa7639N35Hz標(biāo)準(zhǔn)振實(shí)狀態(tài)或者2

5、min長安大學(xué)為了深入進(jìn)行振動時間的合理選擇研究，級配選取典型的抗裂水泥穩(wěn)定碎石級配進(jìn)行研究，見表1.2。本文分別選取振動壓實(shí)的時間為1min、2min、3min和4min。1min不能成成型試件，4min后期試件成為剛體，會對造成集料破碎和機(jī)器損傷。2min和3min的試驗(yàn)結(jié)果見。表 骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石級配組成表各篩孔尺寸通過率(%)篩孔尺寸(mm)19設(shè)計(jì)級配級配上限級配下限表 水穩(wěn)混合料振動擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總表水泥劑量（%）振動時間/分鐘232323振動成型法最佳含水量(%)振動成型法最大干密度/(g/cm3)7天振動法成型強(qiáng)度平均值（MPa）強(qiáng)度代表值（MPa）由表可以得到，三種水泥

6、劑量下，3min振動時間的試件最大干密度比2min振動時間的試件有所提高。三個水泥劑量下的提高幅度分別為：3.0%水泥劑量為0.7%、4.0%水泥劑量為0.8%、5.0%水泥劑量為0.2%。最佳含水量隨著振動時間的增加則有略微的減小。2min和3min下3.0%、4.0%和5.0%水泥劑量水穩(wěn)混合料水穩(wěn)混合料擊實(shí)試驗(yàn)，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：三種水泥劑量下，3min振動時間的試件的7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比2min振動時間的試件有較大幅度的提高。在強(qiáng)度代表值方面，3.0%水泥劑量時，3min振動時間的試件比2min振動時間的試件提高了9.1%，4.0%水泥劑量下則提高了36.8%，5.0%水

7、泥劑量下提高了37.1%。對于強(qiáng)度平均值，3.0%水泥劑量下提高了12.2%、4.0%水泥劑量提高了31.7%、5.0%水泥劑量則提高了31.4%?？梢娬駝映尚蜁r間對水穩(wěn)混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，隨著水泥含量的增加越來越明顯。為了確定振動成型時間對于水穩(wěn)混合料最大干密度的影響，采用不同的振動時間進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果見圖。圖 振動成型時間對于水穩(wěn)混合料最大干密度的影響從圖可以看出，在0120s內(nèi)，隨著振動時間的增加，最大干密度不斷增加，在120s180s時，最大干密度達(dá)到峰值，此后隨時間的增加，干密度逐漸減少。這是由于在達(dá)到最大干密度后，集料破碎后發(fā)生膨脹造成的。由此可見，抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎

8、石基層振動成型時間初步確定在120s180s（2min3min）的范圍內(nèi)。室內(nèi)成型試件干密度與現(xiàn)場混合料干密度的比較確定振動成型時間的最主要原則就是在典型的碾壓條件下，室內(nèi)成型試件的干密度和現(xiàn)場水穩(wěn)混合料的干密度要基本相當(dāng)。課題組研究比較了不同室內(nèi)振動成型時間的水穩(wěn)混合料和現(xiàn)場水穩(wěn)混合料的干密度，結(jié)果見表。表 室內(nèi)成型試件干密度與現(xiàn)場混合料干密度的比較工程室內(nèi)不同時間振動成型試件干密度（g/cm3）現(xiàn)場水穩(wěn)混合料干密度（g/cm3）2min3min鎮(zhèn)溧高速公路寧靖鹽高速公路鹽城北段石灰?guī)r玄武巖從表的結(jié)果可見，振動成型2min的水穩(wěn)試件干密度和現(xiàn)場混合料的干密度是基本相當(dāng)?shù)?，而振動成?min的

9、水穩(wěn)試件干密度則比現(xiàn)場混合料的干密度要高出許多。不同室內(nèi)振動成型時間的水穩(wěn)混合料和現(xiàn)場水穩(wěn)混合料的干密度的比較也說明2min的振動成型時間是合適的。通過室內(nèi)成型試件干密度與現(xiàn)場混合料干密度的比較分析，表明水泥穩(wěn)定碎石基層混合料采用2min的振動成型時間是合理的。水泥穩(wěn)定碎石混合料通過率對水泥穩(wěn)定碎石混合料級配組成非常重要，結(jié)合級配設(shè)計(jì)成果，選用不同通過率級配進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度試驗(yàn)，以研究確定合適的通過率。采用表的三種級配，三種級配的通過率分別是25%、30%、35%。表 不同通過率下的水泥穩(wěn)定碎石級配組成表各篩孔尺寸通過率(%)篩孔尺寸(mm)19級配1級配2級配3級配上限級配下限針對通過率

10、分別為25%、30%以及35%的三種級配，在三種水泥劑量（3%、4%以及5%）的情況下進(jìn)行振動擊實(shí)試驗(yàn)，得到各個水泥劑量下的最大干密度和最佳含水量見表2.2。表 水穩(wěn)混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總表水泥劑量（%）通過率（%）253035253035253035最佳含水量(%)最大干密度(g/cm3)由表可知，對于同樣的級配，水泥劑量越大，最大干密度越大。相同的水泥用量下，通過率為30%的最大干密度最大，這主要是因?yàn)樵谕ㄟ^率為25%時可能會導(dǎo)致混合料產(chǎn)生少量松散，而通過率為35%時，呈現(xiàn)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。對不同水泥劑量下三種篩孔通過率的水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)，結(jié)果見表2.3。表2.

11、3 水穩(wěn)混合料7天振動法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果水泥劑量（%）通過率（%）2530352530352530357天振動法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值（MPa）抗壓強(qiáng)度代表值（MPa）7天振動成型法劈裂強(qiáng)度平均值（MPa）劈裂強(qiáng)度代表值（MPa）由表可知，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著通過率的增加而增加；在相同的水泥劑量下，劈裂強(qiáng)度隨著的通過率增加而減小。綜合水泥穩(wěn)定碎石混合料干密度試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，通過率為30%左右的水泥穩(wěn)定碎石混合料綜合性能最佳。水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響研究為了研究不同水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度的影響，選擇三個水泥劑量，分別是3%、4%和5%，比較研

12、究4.75mm通過率分別在25%、30%和35%的水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度性能。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表2.5。相同級配不同水泥劑量下水泥穩(wěn)定碎石基層混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表2.6。表2.5 水穩(wěn)混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總通過率（%）253035水泥劑量（%）振動成型最佳含水量(%)振動成型最大干密度(g/cm3)表 水穩(wěn)混合料7天振動法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果通過率（%）253035水泥劑量（%）7天振動法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值（MPa）抗壓強(qiáng)度代表值（MPa）7天振動法成型劈裂強(qiáng)度平均值（MPa）劈裂強(qiáng)度代表值（MPa）對于所研究的三種級配：由表，水泥劑量越大，混合料的最大干密

13、度越大。由表2.6，水泥穩(wěn)定碎石基層混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度都隨著水泥劑量的增加而增加。這和我們的認(rèn)識以及以前的研究結(jié)論也是一致的。從試驗(yàn)結(jié)果看，即便水泥劑量在3%時，振動成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍然在6MPa以上，遠(yuǎn)高于水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度的要求，這就為我們在應(yīng)用水泥穩(wěn)定碎石基層中進(jìn)一步降低水泥劑量提供了依據(jù)。集料類型對于水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度具有明顯的影響，以往對這方面的研究相對較少。本次采用江蘇省常用的玄武巖和石灰?guī)r進(jìn)行抗裂水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度對比研究，兩種集料的合成級配見表。兩種集料的不同水泥劑量情況下的水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度見表2.8。表 不同集料類型

14、的水泥穩(wěn)定碎石級配 石料類型通過下列篩孔（方孔篩，mm）的質(zhì)量百分率(%)19石灰?guī)r玄武巖表2.8兩種巖石水穩(wěn)混合料振動成型法成型試驗(yàn)結(jié)果水泥劑量（%）試驗(yàn)項(xiàng)目石灰?guī)r最佳含水量(%)/最大干密度(g/cm3)玄武巖最佳含水量(%)/最大干密度(g/cm3)從表可知，玄武巖水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量大于石灰?guī)r的最佳含水量，隨著水泥劑量的增加，兩者的最佳含水量趨同。石灰?guī)r的最大干密度大于玄武巖的最大干密度。針對上述不同的集料類型分別進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石7天振動成型強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示：石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石在3.5%，4.0%和4.5%的水泥劑量下的、0.335和0.253，強(qiáng)度代表值分別為Mpa、Mpa和M

15、pa；玄武巖水泥穩(wěn)定碎石在3.5%、4.0%和4.5%的水泥劑量下的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分別為、和，強(qiáng)度代表值分別為Mpa、Mpa和Mpa。石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石、玄武巖水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度都隨水泥劑量的增加而增加。石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的變異系數(shù)基本相同，玄武巖水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度變異系數(shù)隨水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的增加而增加。水泥穩(wěn)定碎石混合料干燥收縮是指由于其內(nèi)部含水量的變化而引起整體宏觀體積收縮的現(xiàn)象。因此含水量是影響水泥穩(wěn)定碎石混合料干燥收縮最重要的因素。干燥收縮系數(shù)采用千分表測試，用所測得的試件干縮量和相應(yīng)的失水量，按(1)式和(2)式計(jì)算出試件的干縮應(yīng)變 和平均干縮系數(shù)。 (1) ； (2)式中，為干縮應(yīng)變，

16、指由水分損失引起的試件單位長度的收縮量，×10-6；l表示兩測定應(yīng)變片中點(diǎn)間的距離，取15cm；干燥收縮系數(shù)指某失水量時，試件單位失水率的干縮應(yīng)變。為了比較抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石混合料和傳統(tǒng)型的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗干縮的性能的差異，課題組選擇了表所示的A、B級配形式，對比研究了級配A（傳統(tǒng)型水泥穩(wěn)定碎石、骨架懸浮型）與級配B（抗裂型水泥穩(wěn)定碎石、骨架密實(shí)型）的干縮系數(shù)的大小差異。表水泥穩(wěn)定碎石級配組成表各篩孔尺寸通過率(%)篩孔尺寸(mm)19級配A級配B結(jié)果表明，級配相同，水泥劑量越大，混合料的干縮系數(shù)越大，5%水泥劑量的A、B混合料干縮系數(shù)分別是4%劑量的1.8倍和1.4倍。若水

17、泥劑量相同，水泥劑量為4%時，B混合料的干縮系數(shù)為A混合料的77%，水泥劑量為5%時，B混合料的干縮系數(shù)則為A混合料的73%。相應(yīng)的，干縮應(yīng)變分別減少了32%和33%。顯然，抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石混合料B的干縮系數(shù)及干縮應(yīng)變都小于傳統(tǒng)型水泥穩(wěn)定碎石混合料A，抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)為傳統(tǒng)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的75%左右。抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用深入研究成果。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：根據(jù)公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范（JTJ0342000）要求，水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度為35Mpa，本項(xiàng)目要求水泥劑量控制在3.5Mpa。配合比設(shè)計(jì)（1）原材料設(shè)計(jì)采用徐州淮海中聯(lián)水泥，采用特質(zhì)生產(chǎn)的非標(biāo)號不高于3

18、2.5的緩凝酸鹽水泥，技術(shù)要求見表。表4.1 水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求技術(shù)要求初凝時間終凝時間3d強(qiáng)度28d強(qiáng)度沉淀期細(xì)度控制標(biāo)準(zhǔn)4h6h15mpa30mpa7d80un10%（2）集料16.0mm檔。碎石壓碎值不大于28%、針片狀含量不大于15%、石屑0.075mm通過率應(yīng)不大于18%；碎石中小于0.6mm的顆粒必須做液限和塑性指數(shù)試驗(yàn)，要求液限小于28%，塑性指數(shù)小于9。mmmm的顆粒含量不應(yīng)超過7%。骨架密實(shí)型水穩(wěn)混合料級配設(shè)計(jì)（1）混合料級配范圍泗（洪）許（昌）高速公路一期工程泗縣至宿州段骨架密實(shí)型抗裂水穩(wěn)基層在參照國家規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際施工因素對混合料的級配進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，并通過室內(nèi)試

19、驗(yàn)及試驗(yàn)路段進(jìn)行驗(yàn)證后最終予以確定。設(shè)計(jì)規(guī)范中骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級配見表，確定的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石混合料中合成碎石的顆粒組成見表，對集料顆粒組合進(jìn)行多種試配，最終確定骨架密實(shí)型生產(chǎn)配合比級配為表。表設(shè)計(jì)規(guī)范中骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級配級配通過下列篩孔(mm)的重量百分率(%)19范圍10090100688638582232162881503表確定的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石混合料中合成碎石的顆粒組成級配通過下列篩孔(mm)的重量百分率(%)19范圍1009010068864462274218308150表4.4 抗裂型水穩(wěn)混合料生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)級配級配通過下列篩孔(mm)的重量百分率(%)19設(shè)

20、計(jì)級配（2）水泥劑量確定 取工地使用的水泥，按不同水泥劑量分組試驗(yàn)。一般水泥劑量按%4.5%范圍，分別取45種比例（以碎石質(zhì)量為100）制備混合料（每組試件個數(shù)為：偏差系數(shù)1015時9個，偏差系數(shù)1520時13個），最終確定水泥劑量范圍為3.5%4.0%，實(shí)際生產(chǎn)過程控制以確定的3.7%的水泥劑量予以嚴(yán)格控制。（3）最大干密度：振動成型法更貼近現(xiàn)場壓路機(jī)碾壓的模式，本次最大干密度、最佳含水量和干密度曲線采用振動成型法確定，而非傳統(tǒng)的重型擊實(shí)成型法。（4）減少裂縫進(jìn)行三個限制，即：1、在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上限制水泥用量；2、在減少含泥量的同時，限制細(xì)料、粉料用量；3、根據(jù)施工時氣候條件限制含水量

21、，含水量宜不超過最佳含水量的1%。本項(xiàng)目現(xiàn)場控制含水量的范圍為4.55.1%。（5）7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 根據(jù)確定的最佳含水量，拌制水泥穩(wěn)定碎石混合料，按要求壓實(shí)度（重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，98）制備混合料試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)6天，浸水一天后取出，做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。水泥穩(wěn)定碎石7天浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值應(yīng)不小于設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)值由施工圖設(shè)計(jì)確定。同時應(yīng)進(jìn)行采用靜壓法成型7天浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，強(qiáng)度代表值不應(yīng)小于3.0MPa。（6）試件室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果抗壓強(qiáng)度的代表值按下式計(jì)算：式中：抗壓強(qiáng)度代表值，MPa；該組試件抗壓強(qiáng)度的平均值，MPa；保證率系數(shù)，高速公路保證率95，此時1.645；試驗(yàn)結(jié)果的偏差系數(shù)

22、（以小數(shù)計(jì)）。（7）抗裂水穩(wěn)強(qiáng)度驗(yàn)證混合料設(shè)計(jì)中采用振動成型法和重型擊實(shí)試驗(yàn)同步進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，對于強(qiáng)度值進(jìn)行比較，靜壓法成型試件與振動法成型試件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4.5。表4.5 水穩(wěn)混合料強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（MPa）統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目靜壓法（7天）振動法（7天）平均值4.3 標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)(%)取符合強(qiáng)度要求的最佳配合比作為水泥穩(wěn)定碎石的生產(chǎn)配合比，用振動擊實(shí)成型法求得最佳含水量和最大干密度，經(jīng)審批后，以指導(dǎo)施工。施工控制采用集中廠拌、攤鋪機(jī)攤鋪、分層施工，要求各施工單位配備足夠的拌和、運(yùn)輸、攤鋪、壓實(shí)機(jī)械。每層最大壓實(shí)厚度不大于20cm。水泥穩(wěn)定碎石基層施工，按單幅分兩層梯隊(duì)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。壓實(shí)機(jī)械的選擇和組合，壓實(shí)的順序，速度和遍數(shù)，至少應(yīng)選擇兩種確保能達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的碾壓方案，例如可采用如下碾壓程序：雙鋼輪壓路機(jī)振壓23遍，速度（1.51.7）Km/h；25T膠輪壓路機(jī)碾壓46遍，速度（1.5）Km/h。 本項(xiàng)目碾壓方案如表4.6，現(xiàn)場芯樣剖面見圖4.1。表4.6 碾壓方案碾壓階段壓路機(jī)類型碾壓遍數(shù)碾壓速度初壓