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级配对水泥稳定碎石基层性能影响分析
金磊 郑建龙
(1，河南公路发展有限公司,郑州,河南;(长沙理工大学，湖南长沙)
摘要:
为了提高水泥稳定碎石基层的抗压强度，采用密实结构对级配进行优化。根据嵌挤密实型级配分级理论，以无侧限抗压强度为评价指标对水泥的级配进行了5次试验。进而得到骨架密实结构的级配，并进一步分析粗集料含量对抗压强度的影响。分析不同基层材料的含水量与强度之间的关系，分析结果表明强夯试验确定的最佳含水率大于最大抗压强度试验确定的最佳含水率。
关键词:水泥稳定碎石基层;骨架的结构;分级优化
1.前言
随着对基层材料技术要求的提高和对基层材料铺装性能的逐步深入了解，研究和工程应用表明了半刚性基层混合料中级配分布对混合料性能影响的重要性。因此，优化水泥稳定碎石集料的配合比设计显得更重要了。通过改变水泥稳定碎石材料结构的类型，也就是说，将传统的悬浮密实结构改为骨架密实结构，进而改善其力学性能、收缩特性、水稳定性和疲劳性能。
现行沥青路面设计规范指出，这些级配来自于各种等级的无机粘结剂和稳定的颗粒基层材料是基于最大密度原则的连续级配。基于SMA级配试验原理，通过对粗集料关键筛分尺寸的间隙体积和细集料(包括水泥和水)的总体积进行试验，比较两者之间的关系，然后确定结构类型。如果粗集料的间隙体积大于细集料的总体积，则它是悬浮结构; 否则就是骨架结构。此外，如果间隙体积接近总体积，则为骨架密实结构。
不同道路性能被证明取决于半刚性基层材料类型，这些性能包括强度、抗裂性能和抗冲蚀性能。大量的试验和工程实践显示，现行的半刚性基层材料集料级配标准所获得的强度满足技术要求。在施工过程中施工性能好，离析少。然而由于细集料含量过大，半刚性基层材料容易开裂，抗冲蚀性能较差。针对这种情况，越来越多的研究人员和工程师开始关注骨架密实结构的混合。由于粗集料在骨架密实结构中的含量会增加，所以粗集料颗粒能够形成有效的嵌固，从而提高混合料的强度。并且压实的细集料降低了混合料的孔隙率。随着密度的增加，半刚性基层材料的抗冲蚀能力将得到提高。然而，骨架密实结构的半刚性密实材料在建筑施工过程中存在较大的离散性。因此，对搅拌、运输、摊铺和轧制过程的要求将会增加。本文利用半刚性基层材料的集料级配优化，提出了适应高温多雨地区路面的半刚性基层级配范围。从而改善水泥稳定级配碎石的路面性能，降低了半刚性沥青路面的开裂风险。
2.原材料测试
水泥稳定级配碎石为石灰石，水泥级为32.5MPa，集料物理力学性能如表1所示。
表1集料物理力学性能测试结果
|
筛分粒度（mm） |
表观密度(g/cm3) |
表面干密度(g/cm3) |
建筑体积密度 (g/cm3) |
|
31.5~37.5 |
2.699 |
2.679 |
2.667 |
|
26.5~31.5 |
2.706 |
2.689 |
2.678 |
|
19.0~26.5 |
2.708 |
2.691 |
2.681 |
|
9.5~19.0 |
2.707 |
2.683 |
2.668 |
|
4.75~9.5 |
2.684 |
2.607 |
2.562 |
|
2.36~4.75 |
2.681 |
/ |
/ |
|
0.6~2.36 |
2.669 |
/ |
/ |
|
0.075~0.6 |
2.620 |
/ |
/ |
|
˘0.075 |
2.581 |
/ |
/ |
|
压碎值 |
18.3 |
||
3.分级试验选择
3.1制定选定级配
参照《基础分级范围规范》和《嵌入式分级理论》，进行五组分级实验室试验。本试验利用无侧限抗压强度的试验值，对不同级配的路用性能进行了比较。其中，级配1为规范均值，其余4级配为选定值。表2是所选的级配，图1、2所示的级配曲线。级配1、级配2、级配4的结构类型为悬浮结构，级配3、级配5的结构类型为骨架结构。
表2 水泥稳定碎石基层级配
|
上基层级配 |
筛孔尺寸/mm |
|||||||
|
31.5 |
26.5 |
19 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
0.6 |
0.075 |
|
|
级配1 |
100 |
95 |
80.5 |
57 |
39 |
26 |
15 |
3.5 |
|
级配2 |
100 |
100 |
100 |
80 |
49 |
32 |
22 |
5 |
|
级配3 |
100 |
100 |
98 |
77 |
32 |
18 |
9 |
2 |
|
级配4 |
100 |
100 |
95 |
70 |
39 |
23.5 |
13 |
2.5 |
|
级配5 |
100 |
100 |
90 |
60 |
29 |
15 |
6 |
0 |
|
下基层级配 |
筛孔尺寸/mm |
|||||||
|
31.5 |
26.5 |
19 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
0.6 |
0.075 |
|
|
级配1 |
100 |
95 |
80.5 |
57 |
39 |
26 |
15 |
3.5 |
|
级配2 |
100 |
100 |
89 |
66 |
45 |
35 |
22 |
5 |
|
级配3 |
100 |
98 |
86 |
63 |
29 |
20 |
11 |
2 |
|
级配4 |
100 |
95 |
80.5 |
55 |
35.5 |
26 |
15 |
2.5 |
|
级配5 |
100 |
90 |
72 |
44 |
26 |
17 |
8 |
0 |
图1 上基层级配曲线
图2 下基层级配曲线
3.2确定最佳含水率和最大干密度
为了做一个关于不同级配曲线的铺装性能有效的比较，水泥用量达到5%。根据公路工程用无机结合稳定材料的压实试验程序，得出5%水泥条件下不同级配下的最佳含水率和最大干密度如表3所示。
3.3无侧限抗压强度试验
根据试验程序，制作了静压成型试件，并进行了标准条件下的无侧限抗压强度试验。实验结果如表3所示。
表3最大干密度和无侧限抗压强度试验结果
|
层 |
级配 |
水泥含量（%） |
最佳含水量（%） |
最大干密度(g/cm3) |
平均抗压强度(MPa) |
变形系数(%) |
抗压强度表代表值(MPa) |
|
上基层 |
级配1 |
5 |
5.60 |
2.303 |
3.5 |
9.2 |
3.0 |
|
级配2 |
5 |
5.98 |
2.279 |
3.1 |
9.6 |
2.6 |
|
|
级配3 |
5 |
6.03 |
2.283 |
4.5 |
5.2 |
4.1 |
|
|
级配4 |
5 |
6.29 |
2.270 |
3.2 |
7.4 |
2.8 |
|
|
级配5 |
5 |
6.09 |
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