基于骨架密實結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石基層級配優(yōu)化設(shè)計

基于骨架密實結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石基層級配優(yōu)化設(shè)計摘要：為了提高水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強度，采用骨架密實結(jié)構(gòu)優(yōu)化原水泥穩(wěn)定碎石級配。根據(jù)嵌擠級配理論，對5組水泥穩(wěn)定碎石級配進行室內(nèi)試驗，以無側(cè)限抗壓強度作為評價指標(biāo)，得到最優(yōu)骨架密實結(jié)構(gòu)級配，并分析粗集料含量對抗壓強度的影響。通過分析不同基層材料含水量與強度之間的關(guān)系，認為重型擊實試驗方法確定的最佳含水量要大于最高抗壓強度確定的含水量。關(guān)鍵詞：道路工程；水泥穩(wěn)定碎石基層；骨架密實結(jié)構(gòu)；級配優(yōu)化中圖分類號：U416.1文獻標(biāo)示碼：AGradationOptimumDesignofCementStabilizedMacadamwithDenseFrameworkStructureAbstract:Denseframeworkstructurewasappliedtoimprovethecompressivestrengthofprimarycementstabilizedmacadambase.Basingoncrushedgradationtheory,fivegroupsofgradationtestswerecarriedoutinlaboratorytoattaintheoptimumgradationofdenseframeworkstructureaccordingtounconfinedcompressivestrength.Theinfluencecoarseaggregatetocompressivestrengthhasbeenanalyzed.Itwasshownbyrelationshipbetweentheoptimumwatercontentandcompressivestrengththattheoptimumwatercontentobtainedbyheavycompactiontestswaslargerthanthatobtainedbymaximumcompressionstrength.Keywords:Roadengineering；Cementstabilizedmacadambase；Denseframeworkstructure；Gradationoptimization1、前言隨著對基層材料技術(shù)要求的提高和對基層材料路用性能認識的深入，研究與工程應(yīng)用中均顯現(xiàn)出集料在半剛性基層混合料中的分布狀態(tài)對混合料性能影響的重要性，有必要在傳統(tǒng)的級配及設(shè)計方法基礎(chǔ)上對水泥穩(wěn)定碎石的集料級配進行優(yōu)化設(shè)計，通過改變水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)類型即由傳統(tǒng)的懸浮密實結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成骨架密實結(jié)構(gòu)，因而改善半剛性基層材料的力學(xué)性能、收縮特性、水穩(wěn)定性及疲勞性能。現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范提出的各類無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料類基層材料，其級配是按最大密實原理設(shè)計的連續(xù)級配。參考SMA級配設(shè)計原理通過試驗測定各關(guān)鍵篩孔粗集料的間隙體積及細集料部分（含水泥及水）的毛體積，通過兩者之間的關(guān)系比較確定結(jié)構(gòu)類型。若粗集料間隙體積大于細集料部分毛體積則為空隙結(jié)構(gòu)；若粗集料間隙體積小于細集料部分毛體積則為懸浮結(jié)構(gòu)；若粗集料間隙體積接近細集料部分毛體積則為骨架密實結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)類型的半剛性基層材料表現(xiàn)出不同的路用性能，這些性能包括強度特性、抗裂特性、抗沖刷特性及寒冷氣候下的抗凍特性。大量的實驗與工程實踐表明：按現(xiàn)規(guī)范推薦的集料級配配制的半剛性基層材料強度可以滿足相關(guān)的技術(shù)要求，且施工過程中具有良好的和易性，不易發(fā)生離析。但由于規(guī)范級配中細集料的含量太高，半剛性基層材料在使用過程中容易出現(xiàn)開裂及抗沖刷能力不足的缺陷。鑒于這種情況，越來越多的研究人員及工程技術(shù)人員開始關(guān)注骨架密實型混合料。由于骨架密實型混合料結(jié)構(gòu)中粗集料的含量增加，粗集料顆粒之間能形成有效的嵌擠以提高混合料的強度，壓實后的細集料填充后又能使混合料的空隙率降低，密實度提高從而改善半剛性基層材料的抗沖刷能力。但是，對于骨架密實結(jié)構(gòu)的半剛性基層材料在施工過程中離析的危險性也隨之增大，因此對施工過程中的拌和、運輸、攤鋪及碾壓工藝要求也會相應(yīng)有所提高。本論文通過對半剛性基層材料集料級配的優(yōu)化設(shè)計，提出了新的適應(yīng)于南方高溫多雨地區(qū)的半剛性基層的級配范圍，提高水泥穩(wěn)定級配碎石的路用性能，降低半剛性基層瀝青路面開裂的危險。2、原材料試驗水泥穩(wěn)定級配碎石為石灰?guī)r，水泥等級為32.5MPa，集料物理力學(xué)性質(zhì)見表1。表1集料的物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果篩孔尺寸（mm）表觀密度(g/cm3)表干密度(g/cm3)毛體積密度(g/cm3)31.5~37.52.6992.6792.66726.5~31.52.7062.6892.67819.0~26.52.7082.6912.6819.5~19.02.7072.6832.6684.75~9.52.6842.6072.5622.36~4.752.681//0.6~2.362.669//0.075~0.62.620//＜0.0752.581//壓碎值18.33、級配比選試驗3.1比選級配的擬定主要借鑒基層現(xiàn)行規(guī)范的級配范圍，并參照嵌擠級配理論，提出5組級配進行室內(nèi)試驗，以無側(cè)限抗壓強度為主，比較各種級配在路用性能方面的差異。其中，1#級配為規(guī)范中值，其他4種級配為優(yōu)化級配選擇方案，比選級配分別見表2，級配曲線圖見圖1、2。其中1#、2#和4#級配的結(jié)構(gòu)類型是懸浮結(jié)構(gòu)，3#和5#級配是骨架結(jié)構(gòu)。表2水泥穩(wěn)定碎石基層級配上基層級配篩孔尺寸（mm）31.526.5199.54.752.360.60.0751#級配1009580.5573926153.52#級配1001001008049322253#級配10010098773218924#級配10010095703923.5132.55#級配1001009060291560下基層級配篩孔尺寸（mm）31.526.5199.54.752.360.60.0751#級配1009580.5573926153.52#級配100100896645352253#級配10098866329201124#級配1009580.55535.526152.55#級配100907244261780圖1上基層級配曲線圖2下基層級配曲線3.2最佳含水量與最大干密度的確定為便于對各級配曲線水泥穩(wěn)定級配碎石路用性能進行有效的比較，水泥用量先定為5%，按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的擊實試驗要求進行擊實試驗，得到水泥含量5%條件下各級配曲線的最佳含水量與最大干密度值見表3。3.3無側(cè)限抗壓強度試驗按照試驗規(guī)程靜壓成型試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下進行無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗結(jié)果見表3。表3最大干密度及無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果層位級配水泥用量(%)最佳含水量(%)最大干密度(g/cm3)抗壓強度平均值(MPa)變異系數(shù)(%)抗壓強度代表值(MPa)上基層1#級配55.602.3033.59.23.02#級配55.982.2793.19.62.63#級配56.032.2834.55.24.14#級配56.292.2703.27.42.85#級配56.092.2724.07.83.5下基層1#級配55.352.3033.59.23.02#級配55.082.2703.07.52.33#級配55.762.3194.07.03.54#級配55.412.2993.27.22.35#級配55.362.3473.69.23.13.4試驗結(jié)果分析3.4.1不同級配對比分析從7天浸水無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果可以看出：1）在相同的水泥用量（5%）情況下，五種級配的結(jié)構(gòu)層抗壓強度作橫向比較，對上基層而言，其值相差不是很大。2#級配、4#級配和1#級配的差值0.2MPa，5#級配較大，3#級配強度最大。要形成較大的強度，即要有足夠的水泥砂漿粘結(jié)集料，又要有一定的級配合理的粗集料形成堅實的骨架。三種結(jié)構(gòu)層的2#、4#和1#級配的結(jié)構(gòu)類型是懸浮結(jié)構(gòu)，而3#和5#級配是骨架結(jié)構(gòu)。對于懸浮結(jié)構(gòu)的三種級配，粗集料之間存在間隙，不能形成骨架結(jié)構(gòu)，水泥膠漿產(chǎn)生的強度是試件強度的主要貢獻率，所以懸浮結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的級配調(diào)整對抗壓強度的影響不明顯。而對于骨架結(jié)構(gòu)的兩種級配，粗集料相互嵌擠形成堅實的骨架，在水泥用量相同的情況下，其抗壓強度自然高于懸浮結(jié)構(gòu)的級配。三種結(jié)構(gòu)層中骨架結(jié)構(gòu)級配的相差值較懸浮結(jié)構(gòu)級配大，說明骨架結(jié)構(gòu)級配形成結(jié)構(gòu)中的微結(jié)構(gòu)對強度敏感。3#級配的粗集料集中于4.75~9.5mm和9.5~19mm兩檔，混合料拌和均勻，成型試件的微結(jié)構(gòu)一致性比5#級配好（5#級配離析較嚴(yán)重），故3#級配的差值強度偏差明顯小于5#級配，接近5#級配的一半。2）在相同的水泥用量（5%）情況下，三種結(jié)構(gòu)層的五種級配抗壓強度作縱向比較，均有：2#級配≤4#級配＜1#級配＜5#級配＜3#級配。以4.75mm作為粗集料的控制點，如果不考慮3#級配，則四條級配曲線4.75mm的通過率均是：2#級配＞4#級配≈1#級配＞5#級配，所以粗集料含量的大小對強度有一定的影響，級配的粗集料含量多，其抗壓強度一般比粗集料含量少的強度大一些。平均抗壓強度3#級配＞5#級配，5#級配雖然集料偏粗，能形成堅強的骨架，但水泥砂漿非常少，不能有效的粘結(jié)粗集料，而3#級配的細集料較5#級配多，粗集料之間的粘結(jié)強于5#級配。3.4.2最優(yōu)級配的確定從上面比較分析可以知道，3#級配在水泥用量5%時其抗壓強度高于其他級配，建議施工采用此級配。3#級配的控制點分別是0.075mm、4.75mm、9.5mm和最大公稱粒徑篩孔，在施工中進行級配控制時，控制點處其級配的波動范圍在±3%范圍內(nèi)。3#級配在水泥用量較少的情況下，同樣存在細集料偏少的問題，粗集料之間不能有效的粘結(jié)，這種現(xiàn)象在擊實試驗中已發(fā)現(xiàn)?？蛇m當(dāng)增加細集料含量或添加少量粉煤灰。根據(jù)與規(guī)范級配比較分析，推薦2#級配為優(yōu)化級配的上限，5#級配為優(yōu)化級配的下限。4、最佳水泥用量的確定根據(jù)已確定的最優(yōu)級配，分別選取3%~6%之間的3個水泥用量配制符合級配要求不同水泥用量的水泥穩(wěn)定碎石混合料，進行擊實試驗得到不同水泥用量時的最佳含水量和最大干密度，并按最佳含水量和計算干密度制備試件；試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后進行無側(cè)限抗壓強度試驗。水泥用量的試件室內(nèi)試驗結(jié)果的平均抗壓強度應(yīng)滿足下式的要求：（1）式中：——設(shè)計抗壓強度（MPa）；——試驗結(jié)果的偏差系數(shù)；——標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中隨保證率而變的系數(shù)，高速公路保證率取95%，=1.645擊實試驗確定出不同水泥用量時的最佳含水量和最大干密度見表4。無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果匯總見表4：表4無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果匯總：層位水泥用量(%)最佳含水量(%)最大干密度(g/cm3)抗壓強度平均值(MPa)變異系數(shù)(%)抗壓強度最大值(MPa)抗壓強度最小值(MPa)Rd/(1-Za*Cv)(MPa)上基層45.632.2834.14.44.33.84.356.032.2834.55.24.84.14.466.082.3265.79.66.44.94.7下基層35.582.2862.95.03.22.83.346.002.2993.67.24.13.03.455.762.3194.07.04.53.53.4從上表中可以得出水泥穩(wěn)定碎石上基層、下基層的參考水泥用量，從表中知，3%水泥含量時平均抗壓強度不滿足（1）式要求，4%時已滿足要求，所以下基層水泥用量確定為4.0%；上基層取Rd/(1-Za×Cv)=4.4MPa，從表中知水泥用量5.0%已滿足強度要求，水泥用量確定為5.0%。5、含水量變化對強度的影響水泥穩(wěn)定類材料要有足夠的水分，以滿足水泥水化的需要和壓實的需要。對于一定的壓實功能，水泥穩(wěn)定類材料的干密度與含水量關(guān)系存在一個能達到最大干密度的最佳含水量。水泥完全水化需要的水量約為水泥重量的20%。如混合料的含水量大，水泥獲得水分不困難。但如混合料的水量不足，水泥就要與粒料類材料爭水。如粒料材料有很高的吸水力，對水有更大的親和力，水泥就不會完全水化，結(jié)果水泥穩(wěn)定類材料的強度就要降低。實踐證明，壓實中適量的水分，只要在養(yǎng)生過程中不損失，同樣能夠適合水泥的水化。對于水泥穩(wěn)定類中、粗粒料類材料，用重型擊實試驗方法確定的最佳含水量可以滿足水泥水化的需要。試驗采用上基層3#級配，水泥用量5%，含水量變化在3%~7%范圍內(nèi)。其抗壓強度-含水量關(guān)系見圖3。圖3抗壓強度與含水量關(guān)系結(jié)合擊實試驗發(fā)現(xiàn)：（1）相應(yīng)于最大干密度的最佳含水量不一定就是相應(yīng)于抗壓強度最高的含水量。上基層的3#級配在最佳含水量6%時抗壓強度僅4.5MPa，小于5.5%左右含水量時的抗壓強度。結(jié)合其他的擊實試驗結(jié)果，本文認為，對于水泥穩(wěn)定類中、粗粒料類材料，用重型擊實試驗方法確定的最佳含水量大于抗壓強度最高的含水量。（2）含水量在4%~6%范圍，均可保證抗壓強度值不小于最佳含水量時的抗壓強度值。6、結(jié)論對于水泥穩(wěn)定碎石的級配設(shè)計，為使基層形成較大的強度，既要有足夠的水泥砂漿粘結(jié)集料，又要有一定的級配合理的粗集料形成堅實的骨架。本文通過