3%水泥剂量稳定粒料基层的可行性研究

    孙华 谢秀萍 孙建国

    

    

    

    摘 要：为降低沥青路面反射裂缝的发生，减少水泥用量，降低成本，达到节能减排的目的，当基层采用水泥稳定粒料结构时，水泥剂量可直接采用国家规范规定的极限最小值3%，而无需采用常规的5%。本文通过实验获取相关的数据，论证当沥青路面的稳定层设计为水泥稳定粒料结构时，水泥剂量设计为3%，通过适当调整混合料配合比后，其基层的强度和稳定性完全能满足国家规范的要求，并给出水泥剂量为3%时的最佳含水量、最大干密度和最佳配合比。

    关键词：水泥剂量;基层;抗压强度;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

    沥青路面在力学性能上属于柔性路面，该种路面对基层的要求是强度要高、稳定性要好。按中华人民共和国行业推荐性标准《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF 20—2015）的规定，当基层采用水泥稳定式结构时，水泥的剂量应设计为3%～6%，这样才能确保基层具有足够的强度和稳定性[1]。试验表明，稳定层中的水泥含量越高，其强度越大[2-4]。为确保满足规范要求，通常将水泥剂量均设计为5%。在实践中发现，水泥含量大的稳定层通常容易出现开裂现象，此开裂是导致反射裂缝的最直接因素[5-6]。因此，降低稳定层中的水泥含量可减少反射裂缝发生[7-10]。实际上水泥稳定结构有3种：水泥稳定细粒土、水泥稳定粒料土、水泥稳定粒料。不同的材料所采用的水泥剂量不同，本文将通过实验论证当采用水泥稳定粒料结构时，添加3%的水泥剂量就足以达到规范对基层强度和稳定性的要求，且可减少水泥用量，降低工程成本，达到节能减排之效。

    1 試验对象概述

    本试验对象为福建省福州市境内某高速公路B合同段，路面为沥青混凝土结构，4.5 cm改性沥青混凝土抗滑表层（AC-16C），5.5 cm改性沥青混凝土下面层 （AC-20C），16 cm密级配沥青稳定碎石上基层（ATB-25），30 cm 3%水泥稳定级配碎石基层。

    2 试验过程

    2.1 原材料

    2.1.1 水泥

    本试验段采用福建某公司生产的P.O 42.5水泥，初凝时间超过3 h以上，终凝时间为6 ～10 h。对其性能指标测试结果见表1。

    2.1.2 集料

    集料采用某石料破碎场生产的优质石料，粗集料使用的是压碎值≤30%的碎石，单颗粒粒径≤37.5 mm。细集料使用的是碎石加工后的细料部分，其塑性指数≤5%，液限≤28%[11]。对其性能指标测试，其结果见表2。

    2.2 目标配合比设计

    2.2.1 集料的级配组成设计

    根据各档原材料筛分结果、JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中水泥稳定碎石推荐级配C-A-1以及以往工程经验，构造以下4种级配：1级配、2级配、3级配、4级配，对各档原材料进行比例掺配，比例见表3，集料合成级配曲线如图1所示。

    2.2.2 目标配合比试验

    （1）混合料强度试验

    根据确定的矿料比例，选择4种级配：1级配、2级配、3级配、4#级配，水泥剂量采用3.0%，进行室内重型击实试验[12]，确定各混合料最大干密度及最佳含水率，用静压法成型无侧限抗压试件，试件标准养护6 d浸水1 d后，进行无侧限抗压试验，并计算各级配下混合料的强度平均值、标准差、代表值。混合料击实试验、强度试验结果汇总见表4。

    根据上述试验结果，经过综合考虑设计强度与当地材料特点和技术要求，确定目标级配为2级配。

    （2）矿料级配性能参数

    根据JTG/T F 20—2015《公路路面基层施工技术细则》要求，选定目标级配曲线后，对原材料从石料破碎场不同部位取样，对各档石料进行筛分，确定其平均筛分曲、相应的标准偏差线及变异系数，并按2倍标准偏差计算出各档石料筛分级配波动范围，见表5及图2。

    （3） 目标级配曲线和上下限曲线性能验证

    根据确定的目标矿料比例，针对波动范围的上下限合成级配，水泥剂量采用3.0%进行性能验证，在确定最大干密度和最佳含水率后，用静压法成型无侧限抗压试件，试件标准养护6 d浸水1 d后，进行无侧限抗压试验并计算其强度平均值、标准差和代表值。混合料击实试验、强度试验结果汇总见表6。

    通过表6中的检测试验数据分析，结果确定3%水泥稳定碎石底基层目标配合比的掺配比例粒径为≥19～31.5、≥9.5～19、≥4.75～9.5、0～4.75 mm，其比例分别确定为32%、22%、11%、35%。通过实验检测数据结果表明，混合料7 d无侧限抗压强度代表值为4.7 MPa，混合料最大干密度为2.269 g/cm3，混合料最佳含水率为5.6%。

    2.3 生产配合比验证

    2.3.1 确定水泥剂量标准曲线

    根据3%水泥稳定碎石底基层目标配合比的掺配比例及设计配合比中水泥最佳含水率的设置，水泥剂量分别取0%、1.5%、3.0%、4.5%、6.0%进行室内水泥剂量滴定试验，确定标准曲线，试验结果见表7，水泥剂量标准曲线如图3所示。

    2.3.2 验证生产级配

    根据拌和设备设定好的参数进行试生产，用确定的水泥稳定碎石目标配合比进行第一阶段试生产，并在拌和设备的皮带运输机上截取一部分混合料取样。筛分结果符合设计级配范围，筛分结果见表8。

    2.3.3 确定最大干密度和最佳含水量

    从拌和站取样进行工地实验室重型击实试验，确定各混合料在水泥用量为3.0%时，其最大干密度为2.262 g/cm3，最佳含水量为5.7%。

    2.3.4 确定混合料容许延迟时间

    混合料在选定的级配、水泥剂量和最佳含水率的条件下拌和好以后，分别按闷料1、2、3、4、5 h再压实成型标准试件，经过标准养生后，测其7 d无侧限抗压强度与延迟时间对应关系，延迟时间为1、2、3、4、5 h的对应抗压强度分别为4.5、4.2、3.8、3.3、2.3 MPa，其对应关系如图4所示。

    由图4通过内插法求得按规范要求的抗压强度3.0 MPa的延迟时间为4.3 h。

    2.3.5 确定混合料施工参数

    本试验段水泥稳定碎石混合料为集中厂拌，按规范要求考虑损耗量水泥剂量宜增加0.5%，即水泥剂量为3.5%。含水率宜增加0.5%～1.5%。

    生产配合比第二阶段试验：第一組（3.5%水泥剂量，6.1%含水量），第二组（3.5%水泥剂量，6.6%含水量）分别进行试拌，通过工地实验室无机结合料击实试验和无侧限抗压强度试验，确定水泥剂量为3.5%时含水率变化对最大干密度的影响，试验结果见表9。

    由表9实验数据结果显示，该拌合站生产的水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度满足设计及规范要求，生产水平稳定。

    2.3.6 确定生产配合比

    通过生产配合比验证，本试验段水泥稳定碎石生产配合比数据见表10。

    2.4 混合料施工

    2.4.1 混合料的拌合控制

    采用1台NWCB 600型粒料稳定土拌和机在拌合站内集中拌制，最大拌和产量为600 t/h。根据试验室提供的混合料配合比均匀供料。拌和时安排专职人员管理机械运转及下料情况，记录开始和结束时间，并随机检测混合料的配合比、水泥剂量和含水量，确保混合料均匀。根据施工当天的空气湿度状况适当调整含水量，确保混合料在最佳含水量附近进行碾压[13]。

    2.4.2 混合料运输控制

    本次试验段选用35 t以上的自卸汽车15辆，用于水稳碎石混合料的运输，总运量能满足拌和产量，所有运输工序满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F 20—2015）的技术规范要求。

    2.4.3 混合料摊铺与碾压控制

    混合料摊铺采用2台摊铺机梯队联合作业。碾压方案中选择振动复压，在振动压实下，混合料最为紧密，且保证压密而不会压碎，从而可最大程度上增加强度[14]。采用初压（双轮压路机静压1遍，碾压速度1.5 km/h）;复压（2台单轮压路机振动碾压2遍，碾压速度2 km/h）;终压（2台轮胎压路机静压2遍，碾压速度2 km/h+双轮压路机静压1遍，碾压速度2 km/h）。所有摊铺和碾压工序都按《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F 20—2015）的技术要求执行。

    3 试验检测结果分析

    试验段铺设完毕后按标准养护方式（土工布覆盖养护7 d），对试验段的压实度、无侧限抗压强度、水泥剂量、平整度和高程偏差等项目进行检测[15]，检测结果见表11。

    由表11数据分析，按标准方法进行现场试验检测，本试验段的压实度、7 d无侧限抗压强度、水泥剂量、高程偏差和平整度等指标均满足国家规范要求，合格率达100%。由此说明，当底基层采用水泥稳定粒料结构时，其中的水泥剂量只需设计成3%就可以满足其性能要求，而无需设计成常规的5%。

    4 结论与建议

    （1）沥青路面水泥稳定粒料底基层设计配合比中可采用3%水泥剂量进行设计，其7 d无侧限抗压强度平均值达4.2 MPa，95%的强度保证值Rc 0.95（95%保证率的值）达3.7 MPa。抗压强度完全能符合国家规范的要求。

    （2）根据试验段得出水泥剂量3%的水泥稳定碎石混合料最大干密度为2.269 g/cm3，最佳含水量为5.6%，施工配合比为：（≥19～31.5） mm碎石、（≥9.5～19） mm碎石、（≥4.75～9.5） mm碎石、（0～4.75） mm石屑质量比为3∶32∶22∶11∶35，建议推广使用此配合比。

    （3）大面积施工时，考虑到场内损耗因素，建议水泥剂量可适当增加至3.5%，水泥损耗量控制在0.5%以内。根据施工时候的温度高低，混合料含水量应增加0.5%～1.5%，防止水分过度蒸发。

    （4）水泥稳定粒料底基层中水泥含量由5%减少至3%，可有效减少反射裂缝的发生，节省水泥的用量，节省工程造价，节能减排。

    【参 考 文 献】

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