3%水泥劑量穩(wěn)定粒料基層的可行性研究

孫華 謝秀萍 孫建國(guó)

摘 要：為降低瀝青路面反射裂縫的發(fā)生，減少水泥用量，降低成本，達(dá)到節(jié)能減排的目的，當(dāng)基層采用水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)時(shí)，水泥劑量可直接采用國(guó)家規(guī)范規(guī)定的極限最小值3%，而無需采用常規(guī)的5%。本文通過實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，論證當(dāng)瀝青路面的穩(wěn)定層設(shè)計(jì)為水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)時(shí)，水泥劑量設(shè)計(jì)為3%，通過適當(dāng)調(diào)整混合料配合比后，其基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性完全能滿足國(guó)家規(guī)范的要求，并給出水泥劑量為3%時(shí)的最佳含水量、最大干密度和最佳配合比。

關(guān)鍵詞：水泥劑量;基層;抗壓強(qiáng)度;配合比

Abstract：In order to reduce the occurrence of reflection crack of asphalt pavement， reduce the amount of cement， reduce the cost， and achieve energy saving and emission reduction， when the base adopts cement to stabilize the granule structure， the dosage of cement can directly adopt the limit minimum value set by the national code of 3%， instead of the conventional 5%. This paper obtained the relevant data through the experiment， and demonstrated that when asphalt roadbed stability layer was designed as cement stabilized aggregate structure， the cement dosage was designed to be 3%. Through adjusting the mixture ratio of mixture， the grass-roots strength and stability can completely meet the requirements of national standard. The optimum water content， maximum dry density and optimum mixture ratio were given when the cement dosage was 3%.

Keywords：Cement dose; grass-roots level; compressive strength; mixture ratio

0 引言

瀝青路面在力學(xué)性能上屬于柔性路面，該種路面對(duì)基層的要求是強(qiáng)度要高、穩(wěn)定性要好。按中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TF 20—2015）的規(guī)定，當(dāng)基層采用水泥穩(wěn)定式結(jié)構(gòu)時(shí)，水泥的劑量應(yīng)設(shè)計(jì)為3%～6%，這樣才能確?；鶎泳哂凶銐虻膹?qiáng)度和穩(wěn)定性[1]。試驗(yàn)表明，穩(wěn)定層中的水泥含量越高，其強(qiáng)度越大[2-4]。為確保滿足規(guī)范要求，通常將水泥劑量均設(shè)計(jì)為5%。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，水泥含量大的穩(wěn)定層通常容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，此開裂是導(dǎo)致反射裂縫的最直接因素[5-6]。因此，降低穩(wěn)定層中的水泥含量可減少反射裂縫發(fā)生[7-10]。實(shí)際上水泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有3種：水泥穩(wěn)定細(xì)粒土、水泥穩(wěn)定粒料土、水泥穩(wěn)定粒料。不同的材料所采用的水泥劑量不同，本文將通過實(shí)驗(yàn)論證當(dāng)采用水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)時(shí)，添加3%的水泥劑量就足以達(dá)到規(guī)范對(duì)基層強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，且可減少水泥用量，降低工程成本，達(dá)到節(jié)能減排之效。

1 試驗(yàn)對(duì)象概述

本試驗(yàn)對(duì)象為福建省福州市境內(nèi)某高速公路B合同段，路面為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，4.5 cm改性瀝青混凝土抗滑表層（AC-16C），5.5 cm改性瀝青混凝土下面層 （AC-20C），16 cm密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石上基層（ATB-25），30 cm 3%水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層。

2 試驗(yàn)過程

2.1 原材料

2.1.1 水泥

本試驗(yàn)段采用福建某公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，初凝時(shí)間超過3 h以上，終凝時(shí)間為6 ～10 h。對(duì)其性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表1。

2.1.2 集料

集料采用某石料破碎場(chǎng)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)石料，粗集料使用的是壓碎值≤30%的碎石，單顆粒粒徑≤37.5 mm。細(xì)集料使用的是碎石加工后的細(xì)料部分，其塑性指數(shù)≤5%，液限≤28%[11]。對(duì)其性能指標(biāo)測(cè)試，其結(jié)果見表2。

2.2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 集料的級(jí)配組成設(shè)計(jì)

根據(jù)各檔原材料篩分結(jié)果、JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中水泥穩(wěn)定碎石推薦級(jí)配C-A-1以及以往工程經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造以下4種級(jí)配：1級(jí)配、2級(jí)配、3級(jí)配、4級(jí)配，對(duì)各檔原材料進(jìn)行比例摻配，比例見表3，集料合成級(jí)配曲線如圖1所示。

2.2.2 目標(biāo)配合比試驗(yàn)

（1）混合料強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)確定的礦料比例，選擇4種級(jí)配：1級(jí)配、2級(jí)配、3級(jí)配、4#級(jí)配，水泥劑量采用3.0%，進(jìn)行室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)[12]，確定各混合料最大干密度及最佳含水率，用靜壓法成型無側(cè)限抗壓試件，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d浸水1 d后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，并計(jì)算各級(jí)配下混合料的強(qiáng)度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、代表值?；旌狭蠐魧?shí)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總見表4。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過綜合考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度與當(dāng)?shù)夭牧咸攸c(diǎn)和技術(shù)要求，確定目標(biāo)級(jí)配為2級(jí)配。

（2）礦料級(jí)配性能參數(shù)

根據(jù)JTG/T F 20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求，選定目標(biāo)級(jí)配曲線后，對(duì)原材料從石料破碎場(chǎng)不同部位取樣，對(duì)各檔石料進(jìn)行篩分，確定其平均篩分曲、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差線及變異系數(shù)，并按2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算出各檔石料篩分級(jí)配波動(dòng)范圍，見表5及圖2。

（3） 目標(biāo)級(jí)配曲線和上下限曲線性能驗(yàn)證

根據(jù)確定的目標(biāo)礦料比例，針對(duì)波動(dòng)范圍的上下限合成級(jí)配，水泥劑量采用3.0%進(jìn)行性能驗(yàn)證，在確定最大干密度和最佳含水率后，用靜壓法成型無側(cè)限抗壓試件，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d浸水1 d后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)并計(jì)算其強(qiáng)度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和代表值?；旌狭蠐魧?shí)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總見表6。

通過表6中的檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果確定3%水泥穩(wěn)定碎石底基層目標(biāo)配合比的摻配比例粒徑為≥19～31.5、≥9.5～19、≥4.75～9.5、0～4.75 mm，其比例分別確定為32%、22%、11%、35%。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為4.7 MPa，混合料最大干密度為2.269 g/cm3，混合料最佳含水率為5.6%。

2.3 生產(chǎn)配合比驗(yàn)證

2.3.1 確定水泥劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線

根據(jù)3%水泥穩(wěn)定碎石底基層目標(biāo)配合比的摻配比例及設(shè)計(jì)配合比中水泥最佳含水率的設(shè)置，水泥劑量分別取0%、1.5%、3.0%、4.5%、6.0%進(jìn)行室內(nèi)水泥劑量滴定試驗(yàn)，確定標(biāo)準(zhǔn)曲線，試驗(yàn)結(jié)果見表7，水泥劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示。

2.3.2 驗(yàn)證生產(chǎn)級(jí)配

根據(jù)拌和設(shè)備設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)，用確定的水泥穩(wěn)定碎石目標(biāo)配合比進(jìn)行第一階段試生產(chǎn)，并在拌和設(shè)備的皮帶運(yùn)輸機(jī)上截取一部分混合料取樣。篩分結(jié)果符合設(shè)計(jì)級(jí)配范圍，篩分結(jié)果見表8。

2.3.3 確定最大干密度和最佳含水量

從拌和站取樣進(jìn)行工地實(shí)驗(yàn)室重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各混合料在水泥用量為3.0%時(shí)，其最大干密度為2.262 g/cm3，最佳含水量為5.7%。

2.3.4 確定混合料容許延遲時(shí)間

混合料在選定的級(jí)配、水泥劑量和最佳含水率的條件下拌和好以后，分別按悶料1、2、3、4、5 h再壓實(shí)成型標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，測(cè)其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，延遲時(shí)間為1、2、3、4、5 h的對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度分別為4.5、4.2、3.8、3.3、2.3 MPa，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

由圖4通過內(nèi)插法求得按規(guī)范要求的抗壓強(qiáng)度3.0 MPa的延遲時(shí)間為4.3 h。

2.3.5 確定混合料施工參數(shù)

本試驗(yàn)段水泥穩(wěn)定碎石混合料為集中廠拌，按規(guī)范要求考慮損耗量水泥劑量宜增加0.5%，即水泥劑量為3.5%。含水率宜增加0.5%～1.5%。

生產(chǎn)配合比第二階段試驗(yàn)：第一組（3.5%水泥劑量，6.1%含水量），第二組（3.5%水泥劑量，6.6%含水量）分別進(jìn)行試拌，通過工地實(shí)驗(yàn)室無機(jī)結(jié)合料擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定水泥劑量為3.5%時(shí)含水率變化對(duì)最大干密度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

由表9實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，該拌合站生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，生產(chǎn)水平穩(wěn)定。

2.3.6 確定生產(chǎn)配合比

通過生產(chǎn)配合比驗(yàn)證，本試驗(yàn)段水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)配合比數(shù)據(jù)見表10。

2.4 混合料施工

2.4.1 混合料的拌合控制

采用1臺(tái)NWCB 600型粒料穩(wěn)定土拌和機(jī)在拌合站內(nèi)集中拌制，最大拌和產(chǎn)量為600 t/h。根據(jù)試驗(yàn)室提供的混合料配合比均勻供料。拌和時(shí)安排專職人員管理機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)及下料情況，記錄開始和結(jié)束時(shí)間，并隨機(jī)檢測(cè)混合料的配合比、水泥劑量和含水量，確?；旌狭暇鶆?。根據(jù)施工當(dāng)天的空氣濕度狀況適當(dāng)調(diào)整含水量，確?；旌狭显谧罴押扛浇M(jìn)行碾壓[13]。

2.4.2 混合料運(yùn)輸控制

本次試驗(yàn)段選用35 t以上的自卸汽車15輛，用于水穩(wěn)碎石混合料的運(yùn)輸，總運(yùn)量能滿足拌和產(chǎn)量，所有運(yùn)輸工序滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F 20—2015）的技術(shù)規(guī)范要求。

2.4.3 混合料攤鋪與碾壓控制

混合料攤鋪采用2臺(tái)攤鋪機(jī)梯隊(duì)聯(lián)合作業(yè)。碾壓方案中選擇振動(dòng)復(fù)壓，在振動(dòng)壓實(shí)下，混合料最為緊密，且保證壓密而不會(huì)壓碎，從而可最大程度上增加強(qiáng)度[14]。采用初壓（雙輪壓路機(jī)靜壓1遍，碾壓速度1.5 km/h）;復(fù)壓（2臺(tái)單輪壓路機(jī)振動(dòng)碾壓2遍，碾壓速度2 km/h）;終壓（2臺(tái)輪胎壓路機(jī)靜壓2遍，碾壓速度2 km/h+雙輪壓路機(jī)靜壓1遍，碾壓速度2 km/h）。所有攤鋪和碾壓工序都按《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F 20—2015）的技術(shù)要求執(zhí)行。

3 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)段鋪設(shè)完畢后按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式（土工布覆蓋養(yǎng)護(hù)7 d），對(duì)試驗(yàn)段的壓實(shí)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水泥劑量、平整度和高程偏差等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)[15]，檢測(cè)結(jié)果見表11。

由表11數(shù)據(jù)分析，按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，本試驗(yàn)段的壓實(shí)度、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水泥劑量、高程偏差和平整度等指標(biāo)均滿足國(guó)家規(guī)范要求，合格率達(dá)100%。由此說明，當(dāng)?shù)谆鶎硬捎盟喾€(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)時(shí)，其中的水泥劑量只需設(shè)計(jì)成3%就可以滿足其性能要求，而無需設(shè)計(jì)成常規(guī)的5%。

4 結(jié)論與建議

（1）瀝青路面水泥穩(wěn)定粒料底基層設(shè)計(jì)配合比中可采用3%水泥劑量進(jìn)行設(shè)計(jì)，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)4.2 MPa，95%的強(qiáng)度保證值Rc 0.95（95%保證率的值）達(dá)3.7 MPa?？箟簭?qiáng)度完全能符合國(guó)家規(guī)范的要求。

（2）根據(jù)試驗(yàn)段得出水泥劑量3%的水泥穩(wěn)定碎石混合料最大干密度為2.269 g/cm3，最佳含水量為5.6%，施工配合比為：（≥19～31.5） mm碎石、（≥9.5～19） mm碎石、（≥4.75～9.5） mm碎石、（0～4.75） mm石屑質(zhì)量比為3∶32∶22∶11∶35，建議推廣使用此配合比。

（3）大面積施工時(shí)，考慮到場(chǎng)內(nèi)損耗因素，建議水泥劑量可適當(dāng)增加至3.5%，水泥損耗量控制在0.5%以內(nèi)。根據(jù)施工時(shí)候的溫度高低，混合料含水量應(yīng)增加0.5%～1.5%，防止水分過度蒸發(fā)。

（4）水泥穩(wěn)定粒料底基層中水泥含量由5%減少至3%，可有效減少反射裂縫的發(fā)生，節(jié)省水泥的用量，節(jié)省工程造價(jià)，節(jié)能減排。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] 王靜.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計(jì)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2019，8（7）：219.

WANG J. Cement stabilized macadam mixture mix design[J]. Architecture Engineering Technology and Design， 2019， 8（7）： 219.

[2]薛寶德.公路路面基層水泥穩(wěn)定碎石基層技術(shù)應(yīng)用[J].建材與裝飾，2020，16（2）：266-267.

XUE B D. Application of cement stabilized gravel base technology on highway pavement base course [J]. Construction Materials & Decoration， 2020， 16（2）： 266-267.

[3]杜鋒濤.水泥混凝土路面的抗裂穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)[J].公路工程，2019，44（5）：269-274.

DU F T. Analysis and evaluation of crack resistance stability of cement concrete pavement[J]. Highway Engineering， 2019， 44（5）：269-274.

[4]張志豪，陳露一，鄭麗，等.超早強(qiáng)水泥基材料的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2019，46（9）：43-47.

ZHANG Z H， CHEN L Y， ZHENG L， et al. Design and experimental study of ultra early strength cement-based materials[J]. New Building Materials， 2019， 46（9）： 43-47.

[5]俞靖洋，梁乃興，童攀，等.聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石基層疲勞壽命分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2019，38（8）：2408-2413.

YU J Y， LIANG N X， TONG P， et al. Fatigue life analysis of polyvinyl alcohol fiber modified cement stability macadam base pavement[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2019， 38（8）： 2408-2413.

[6]蔣應(yīng)軍，陳忠達(dá)，彭波，等.密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石路面配合比設(shè)計(jì)方法及抗裂性能[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，22（4）：9-12.

JIANG Y J， CHEN Z D， PENG B， et al. Mixture design method and anti-cracking performance of cement stabilizing crashed rock pavement with dense skeleton type[J]. Journal of Changan Highway University （Natural Science Edition）， 2002， 22（4）： 9-12.

[7]孫國(guó)一.水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生收縮裂縫的原因及對(duì)策[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2019，36（7）：83-86.

SUN G Y. Causes and treatment measures of shrinkage cracks in cement stabilized macadam base[J]. Road Machinery & Construction Mechanization， 2019， 36（7）： 83-86.

[8]黃銘煌.淺談高速公路新舊路基拼接段沉降差異控制技術(shù)[J].福建交通科技，2014，33（2）：8-10.

HUANG M H. On the settlement difference control technology of the new and old roadbed joining sections of the expressway[J]. Fujian Communications Technology， 2014， 33（2）： 8-10.

[9]周衛(wèi)峰，趙可，王德群，等.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比的優(yōu)化[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，26（1）：24-28.

ZHOU W F， ZHAO K， WANG D Q， et al. Mix ratio optimization design of cement stabilized macadam based on static pressure method and vibration method[J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2006， 26（1）： 24-28.

[10]王玲香.水泥穩(wěn)定碎石在公路路面基層施工實(shí)踐[J].黑龍江交通科技，2019，42（10）：55-56.

WANG L X. Practice of cement stabilized gravel construction on road base[J]. Communications Science and Technology Heilongjiang， 2019， 42（10）： 55-56.

[11]劉振華，賀鵬，陳澤，等.振動(dòng)與擊實(shí)成型方法下水泥穩(wěn)定碎石性能試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2019，17（4）：88-92.

LIU Z H， HE P， CHEN Z， et al. Experiments on properties of cement stabilized macadam under vibration and compaction forming method[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2019， 17（4）： 88-92.

[12]交通部.公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則. JTG/T F 20—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

Ministry of communications. Technical rules for road base construction： JTG/T F20-2015[S]. Beijing： Peoples Communications Press， 2015.

[13]韓曙光.淺議水泥穩(wěn)定碎石基層早期裂縫的防治措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017，5（6）：1045.

HAN S G. The prevention measures of early crack in cement stabilized macadam base are discussed[J]. Architectural Engineering Technology and Design， 2017， 5（6）： 1045.

[14]邱妍.水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)檢測(cè)控制的重要性研究[J].河南建材，2019，39（6）：89-90.

QIU Y. Study on the importance of test control of cement stabilized macadam base[J]. Henan Building Materials， 2019， 39 （6）：89-90.

[15]張正，白京軍，等.公路工程瀝青路面施工技術(shù)和質(zhì)量控制分析[J].建筑·建材·裝飾，2019，31（12）：82-86.

ZHANG Z， BAI J J， et al. Analysis on construction technology and quality control of asphalt pavement in highway engineering [J]. Architecture， Building Materials and Decoration， 2019， 31（12）：82-86.