亚琛工业大学 亚琛德国 52074
摘要：本文主要考虑湿热的温度气候条件和交通荷载量大的两个因素，本文针对从现行规范中选取的推荐级配范围和调整后的建议级配范围中的5条级配曲线，进行水泥稳定碎石级配优化研究，尝试在同时满足交通荷载量和强度都大的情况下，确定最小水泥用量的最优级配，同时达到改善水泥干缩抗裂性能的目的。
关键词：水泥稳定碎石；级配曲线；级配优化
Research on Optimizing Aggregate Gradation for Cement Stabilized Crushed Stone
ZHANG Yue
（RWTH Aachen University，Aachen，Germany 52074）
Abstract：Taking into account of two factors which include humid hot climate and heavy traffic loads，this paper，studied optimizing aggregate gradation for cement stabilized crushed stone. In order to improve the performance of anti premature cracking，the optimal gradation which satisfies high strength and low cement content from 5 gradations the recommended by the existing effective and modified specifications.
Key words：Cement stabilized crushed stone；Grading curve；Optimising aggregate gradation
引言
水泥稳定碎石作为一种半刚性基层材料，具有强度高、刚度大、整体性和水稳定性好等优点，现已成为我国高等级公路主要基层材料。近年来，特别是在经济较为发达的地区，交通量迅速增加，对水泥稳定碎石的基层结构的强度提出了越来越高的要求。水泥稳定碎石的强度来源于水泥水化反应后产生的水泥石和矿料本身的骨架结构。一般地，我国通过提高水泥稳定碎石的水泥用量来获得较高的强度，与国外相比，我国的水泥用量（一般为5%左右）偏高（在美国为3%左右）。我国现在的主流思想均认为高水泥用量在获得高强度的同时也增加了水泥稳定碎石的干缩裂缝。因此在满足较高的强度标准下，可以通过调整矿料的级配而减少水泥用量，以达到改善水泥稳定碎石干缩抗裂性能的目的。针对我国部分地区湿热的温度气候条件和满足交通量荷载大的两个特点，本文研究选取现行规范中推荐的级配范围和调整后的建议级配范围中的5条级配曲线开展了水泥稳定碎石级配优化研究。
1 原材料试验
1.1 集料的压碎值试验
集料取样地点有两处：（1）施工合同标段1：石料加工采用两级破碎并且分为3级振动筛分，分别是0～5mm、5～10mm、10～30mm；（2）施工合同标段2：石料加工采用两级破碎并且分为3级滚筒筛分，取样作为>31.5mm筛孔的试验材料。
取样集料为石灰岩，其压碎值为18.3%。
1.2 集料的筛分试验
集料筛分试验结果见表1。
水泥的部分试验说明水泥为施工单位送样，送样水泥标号425#（强度等级32.5）。水泥的含水量为0.07%。凝期试验未完成，据调查终凝时间<6h，达不到要求。
2 水泥稳定碎石基层混合料试验与分析
2.1 比选级配的拟定
采用现行规范推荐的级配范围（下称规范级配）和调整后的建议级配范围（下称建议级配）。本文研究选取3种不同结构层的规范级配和建议级配中的5条级配曲线，先完成无侧限抗压强度试验，作优化比较，最后确定出最优级配的水泥剂量。5条级配曲线分别是规范级配的中值即是规范中值；建议级配的上限、中值和下限，即是建议上限、建议中值、建议下限和以0.075、4.75、9.5mm和最大公称粒径筛孔为控制点的建议上顶下底级配，其4.75mm以下靠上限值，9.5mm以上靠下限值。水泥稳定碎石的级配范围见表2
2.2 最佳含水量与最大干密度的确定
最佳含水量与最大干密度的确定按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的击实试验方法。击实试验首先固定水泥用量，取值为5%，改变含水量，取值在4%～7%之间。试件分3层锤击，每层锤击次数为98次，试验绘制出水泥稳定碎石的含水量干密度关系曲线，并作二次函数拟合，分别计算出底基层和上、下基层不同级配的最佳含水量与最大干密度，结果见表3
表1 筛分试验结果
Tab.?1 results of?screening test
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2.3 无侧限抗压强度试验
根据已制定的施工技术指南和有关设计文件，水泥稳定碎石底基层和上、下基层的抗压强度标准分别为2.5、3.0、4.0MPa。试件的无侧限抗压强度Rc=P/A=0.000 057P（MPa），P为试件破坏时的最大压力（N）。7d（6d养生1d浸水）无侧限抗压强度试验结果见表3。
表2 水泥稳定碎石级配范围
Tab.2 Gradation range of cement stabilized macadam
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注：①3种结构层调整后的建议上顶下底级配的控制点分别是0.075、4.75、9.5mm和最大公称粒径筛孔，施工中级配控制时，控制点处其级配的波动范围在±3%范围内。② “-”表示没有该级筛孔。
2.4 试验结果分析
从水泥稳定碎石基层7d无侧限抗压强度试验结果汇总表可以得出：
（1）在相同的水泥用量（为5%）情况下，5种级配的3种结构层平均抗压强度作横向比较，其值相差不是很大。3种基层结构中建议上限、建议中值和规范中值的差值在0.2MPa之内，建议上顶下底≤0.5MPa，建议下限较大，相差1.0MPa。
要形成较大的强度，即要有足够的水泥砂浆粘结集料，又要有一定的级配、合理的粗集料形成坚实的骨架。3种结构层以4.75mm为粗集料分界点，则建议上限、建议中值和规范中值级配的结构类型是悬浮结构，建议上顶下底和建议下限接近于骨架结构。
对于悬浮结构的3种级配，粗集料之间存在间隙，不能形成骨架结构，水泥胶浆产生的强度是试件强度的主要贡献率，所以悬浮结构范围内的级配调整对抗压强度的影响不明显。而对于骨架结构的两种级配，粗集料相互嵌挤形成坚实的骨架，在水泥用量相同的情况下，其抗压强度自然高于悬浮结构的级配。3种结构层中骨架结构级配的相差值较悬浮结构级配大，说明骨架结构级配形成结构中的微结构对强度敏感。
建议上顶下底级配的粗集料集中于4.75～9.5mm和9.5～19mm两档，混合料拌和均匀，成型试件的微结构一致性较建议下限好（建议下限离析较严重），故建议上顶下底级配间的强度差值（0.5MPa）明显小于建议下限，仅是建议下限的一半。
（2）在相同的水泥用量（为5%）情况下，3种结构层的5种级配抗压强度作纵向比较，均有：建议上限<建议中值≈规范中值<建议下限<建议上顶下底（底基层出现例外）。
以4.75mm作为粗集料的控制点，如果不考虑建议上顶下底级配，则4条级配曲线4.75mm的通过率大小均是：建议上限>建议中值≈规范中值>建议下限，所以粗集料含量的大小对强度有一定的影响，级配的粗集料含量多，其抗压强度一般比粗集料含量少的强度大一些。
表3 无侧限抗压强度试验结果及汇总表
Tab. 3 unconfined compressive strength test results and summary
平均抗压强度建议上顶下底>建议下限，建议下限虽然集料偏粗，能形成坚强的骨架，但水泥砂浆非常少，不能有效的粘结粗集料，而建议上顶下底级配的细集料较建议下限多，粗集料之间的粘结强于建议下限级配。
关于底基层平均强度出现建议上顶下底<建议下限的现象，同样说明骨架结构级配的微结构对强度影响大。
从以上分析得出，底基层和上、下基层的建议上顶下底级配在5%水泥用量下其抗压强度高于其他级配，综合考虑交通、气候条件以及国内外的研究成果，拟建议采用上顶下底级配。
（3）底基层和上、下基层3种结构层除建议上顶下底外各级配的抗压强度值均偏小。原因有：①试验用水泥满足425#水泥的强度要求，但没有富余；②成型试件高度方向回弹比较大，回弹在0.11～0.28cm之间，平均回弹达0.20cm；③从结构类型上看，调整后的建议级配的结构类型仍还是悬浮结构。
（4）个别偏差系数偏大的原因是：①进行无侧限抗压强度试验过程中，试件变形速度的控制不一致，个别试件变形速度较快；②试件脱模时间的不一致，一般应在10h以上，否则脱模时掉粒较多。
（5）建议上顶下底级配同样存在细集料偏少的问题，在水泥用量较少的情况下，粗集料之间不能有效的粘结，这种现象在击实试验中已发现；建议可适当增加细集料含量或添加少量粉煤灰。
2.5 水泥剂量的确定
采用已确定的最优级配，即是建议上顶下底级配，分别选取3%～6%之间的3个水泥用量配制符合级配要求不同水泥用量的水泥稳定碎石混合料制备试件；试件标准养生6d，浸水24h后进行无侧限抗压强度试验，最后按平均抗压强度不小于设计强度确定最优级配的水泥剂量。
按照插值法，并考虑允许一定强度的富余，水泥稳定碎石底基层和下、上基层的最佳水泥用量确定为2.5%、4.0%、5.0%。调整后的建议上顶下底级配避免使用高的水泥用量，从而达到改善水泥稳定碎石结构的干缩抗裂性能的目的，防止产生大量的早期干缩裂缝。在已铺筑的试验路中，虽存在施工时离析偏大和碎石的含泥量偏大等不利因素的影响，但仍发现试验路上产生的早期干缩裂缝不多，干缩抗裂性能得到了有效的改善。
3 结论
（1）底基层和上、下基层的建议上顶下底级配在5%水泥用量下其抗压强度高于其他级配，因此综合考虑交通、气候条件以及国内外的研究成果，建议采用上顶下底级配。建议上顶下底级配的控制点分别是0.075、4.75、9.5mm和最大公称粒径筛孔，施工中级配控制时，控制点处其级配的波动范围在±3%范围内。
（2）建议上顶下底级配存在细集料偏少的问题，在水泥用量较少的情况下，粗集料之间不能有效的粘结，这种现象在击实试验中已发现；建议可适当增加细集料含量或添加少量粉煤灰。
（3）调整后的建议上顶下底级配避免使用高的水泥用量，从而达到改善水泥稳定碎石结构的干缩抗裂性能的目的，防止产生大量的早期干缩裂缝。
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论文作者:张越
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/17
标签：水泥论文; 建议论文; 碎石论文; 抗压强度论文; 稳定论文; 结构论文; 基层论文; 《防护工程》2018年第26期论文;