骨架密实型的水稳基层抗裂结构研究要点.docx
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骨架密实型的水稳基层抗裂结构研究要点
骨架密实型的水稳基层抗裂结构研究
摘要：
骨架密实级配水泥稳定砾石与常规级配相比，具有较高的密度，较小的含水量，嵌挤形成的强度大，并具有较好抗裂性能和力学性能，能预防沥青面层的缩裂，提高了路面的承载力和耐久性。
因此骨架密实型水泥稳定砾石具有较好的发展前景。
关键词：
骨架密实型；抗裂性；承载力；耐久性
Skeletondensityofcrackresearch
Abstract:
theskeletonclose-grainedgradationofthecementstablemacadamcomparedwithconventionalgradation,hasthehighdensity,andsmallerwatercontent,formtheintensityembeddedcrowded,Andhasagoodcrackresistanceandmechanicalperformance,canpreventshrinkageofasphaltlayer,improvethebearingcapacityanddurability.Soskeletontypeclose-grainedOfthecementstablemacadamhavegoodgrowthprospects.
Keywords:
Skeletonclose-grainedtype;Resistance;Bearingcapacity;Durability
1绪论
1.1研究背景及意义
随着水泥稳定砾石基层在工程中的广泛使用，发现在早期出现了比柔性基层沥青路面多而频繁的裂缝。
裂缝的存在会使水危及整个路基路面结构，还易引起沥青面层较快出现网裂、坑槽等病害。
而且随着雨水的浸入，使基层变软，在大量行车荷载反复作用下，结果导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而对以水泥稳定砾石材料基层的公路建设造成了潜在地危险。
在某种程度上也限制了水泥稳定类半刚性基层材料的广泛应用。
因此，对以水泥稳定砾石基层的公路建设造成了潜在危险，也限制了水泥稳定类砾石基层的应用。
水泥稳定砾石在温、湿变化作用下产生较大的收缩变形是导致基层裂缝及反射裂缝的主要原因。
在不同地区裂缝严重程度不同，南方地区因温差小、无严寒，裂缝更轻微；而北方地区因温差大、冬季时间长且寒冷，裂缝更严重，如新疆。
图1-1（网状裂缝）图1-2（反射裂缝）
图1-1网状裂缝
图1-2反射裂缝
因此，为了改善水泥稳定砾石基层抗裂性能，本文提出了密实骨架结构水泥稳定砾石基层，及其配合比设计方法，并对此进行了大量室内外试验。
研究表明，骨架密实结构水泥稳定砾石基层具有重要的工程路用价值。
[6]
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
水泥稳定砾石基层的裂缝主要源于温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用。
公路设计者早已经认识到提高其抗裂性的重要性，因为基层的开裂很有可能引起沥青面层的反射裂缝。
但是多年的实践证明，即使是用干缩性小的水泥稳定粒料铺筑的基层，如果设计时考虑不周全，施工时处理不当，或施工完成后没有进行及时的养生，也会产生横向干缩裂缝。
在沥青路面的使用过程中，裂缝会逐渐向上扩展并通过沥青面层出现在表面，行程反射裂缝。
另外，水泥稳定类砂砾基层内部温度变化产生的温度应力与行车荷载应力相结合，也会促使基层开裂。
这种开裂也极有可能引起反射裂缝。
因此，在研究道路裂缝时，必须充分考虑影响基层使用品质得内在与外在因素，即材料的配合比组成和所处的温度、湿度等，科学的进行抗裂设计研究，进而在施工质量得到充分保证的前提下，可以在一定程度上消除或减少反射裂缝。
在国外，应用半刚性基层最为广泛的地区是南非和法国。
美国和澳大利亚研究者认为水泥稳定土干燥与结合料的类型和剂量、被稳定土的类别、粒料的含量等因素有关。
为减少水泥稳定砾石基层的收缩裂缝，澳大利亚的水泥用量为3%以内，日本水泥稳定砾石基层混合料水泥用量一般仅为2%左右；德国冬季寒冷，水泥用量也较低，一般控制在2%+3%左右，南非是应用水泥稳定砾石基层较多的国家，其水泥用量也在较低的水平。
1.2.2国内研究现状
基层要有足够的强度、刚度、平整度，还应有足够的水稳性、冰冻稳定性和抗冲刷能力，同时，要求其收缩性小，并与面层结合良好。
水泥稳定砾石作为半刚性材料，以其整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好等特点在我国公路路面基层施工中被广泛应用。
2006年在S206滁全路一期改造工程6．3km中4．3km采用人工铺筑4～6cm砾石再用拌和的水稳细集料路拌成型的骨架密实型水泥稳定砾石基层和2km机拌机铺骨架密实型水泥稳定砾石至今没有明显的缩裂和网裂，今年$206滁全路二期快车道改造工程9．7km中采用机拌机铺骨架密实型。
2009年由晋中公路分局承建的介霍一级公路、307寿阳过境线改建工程、307路面大修改造工程项目的路面水稳砾石基层，均采用了骨架密实级配结构，晋中公路分局试验室专门购置了进行骨架密实级配设计的振动成型机，室内采用了振动成型法，在实际施工中通过使用大吨位的压路机强振，使室内试验与实际施工较为接近，对骨架密实型这种级配结构进行了尝试与探讨。
[1]
沪宁高速公路扩建工程上海段，全线长1.37km，扩建为双向8车道。
它是在扩建工程江苏段已经完成，通过近两年的行车考验证明质量优良，在取得较好的经济效益的同时也得到较好的社会评价的背景下开工建设的。
上海公路局领导非常重视上海段扩建工程的质量问题提出了“高起点、高要求、超江苏、超沪宁”的口号。
大胆提出了利用A11公路建设平台来研究、实施抗裂型水稳缩、干缩裂缝，则是本次研究和施工控制的重点。
连霍国道主干线星星峡至哈密段公路建工程为国道主干线的重要组成部分，交通量较大，路线所经区域为典型大陆性干旱性气候，夏季炎热，冬季寒冷，气温日差较大，干燥少雨雪，春夏季风。
本工程按高速公路标准建设，路面基层为30cm水泥稳定砂砾基层，采用骨架密实型结构。
2007年是常-吉高速公路路面基层建设的高峰期,开工前,路面深化设计专家组要求施工单位按骨架密实结构施工,并进行技术指导。
常吉高速公路路面P7合同段,由湖南路桥建设集团机械工程公司施工,重庆正大工程监理咨询公司监理,是新规范施行后,我省高速公路采用骨架密实型水泥稳定砾石基层的第一段,2007年6月29日实验路开工,10月底基本完成上、下基层。
施工过程中,施工单位与监理同理合作,确保施工质量。
在2006年5月施工的S206线滁全一级公路中,骨架密实型的水稳结构得到了推广与应用。
1.3研究的必要性
水泥稳定粒料作为半刚性沥青混凝土路面的基层在我国已经得到越来越广泛的应用,并且积累了非常宝贵的经验。
水泥稳定类粒料具有整体性强、承载能力高、刚度大、水稳性好等优点,而且可供稳定的材料种类多、选择面广、能就地取材（新疆）,对保证工程质量,降低工程造价具有积极的意义。
在目前中国公路,特别是西部地区的公路中得到了广泛使用。
但半刚性基层也存在内部排水差、重载对半刚性路面破坏大、破坏后修复困难的缺点。
在实际施工及使用过程中,水稳砾石基层往往会出现由于温缩和干缩变形而产生的裂缝,以及吸水后出现的唧浆现象，严重降低了路用性能。
国内有关防止水泥稳定砾石基层抗裂的研究主要集中在干缩和温缩性方面，研究方法主要有利用不同的温度、含水量、结合料、粒料含量和不同水泥剂量等，低剂量水泥稳定砾石方面研究不足，多数研究是局部的、个案的，有关低剂量水泥的研究文献较少，特别是骨架密实方面的研究缺乏，而针对低剂量水泥稳定砾石的研究在半刚性路面基层抗裂方面有重要的意义，需要深入的探索。
1.4裂缝产生原因分析
1.4.1干缩裂缝
水泥稳定砾石在干燥空气中硬化时,随着水分的减少,体积将收缩变形,每隔一段距离产生均匀的干缩裂缝。
水泥稳定砾石产生干缩裂缝的原因与其水泥、水和砾石因为水泥剂量太低,强度难以满足要求;而剂量过高时,混合集料都有很大的关系。
一方面混合料在凝结硬化过程中,水泥与水起水化反应,消耗大量的水分。
水泥含量越高,则消耗的水分越多。
另一方面,砾石集料表面也要吸附水,集料稳定砾石基层的强度、平整度和裂缝的产生。
水泥稳定砾石中的细料成分越多,表面吸附的水分就越多。
再者,基层施工过程中,含水量越大,蒸发散失的水分就越多。
因此就越易产生干缩裂缝。
1.4.2温缩裂缝
水泥稳定砾石由于混合料中有5%左右的水泥,所以具有热胀冷缩的性质,在混合料硬化初期,水泥水化放出较多的热量,但散热较慢,因此其内部温度较高,使内部体积膨胀。
而外部如遇气温急剧降低则冷却收缩,内胀外缩相互制约,产生较大的应力。
一旦应力超过其极限抗弯拉强度,将产生温缩裂缝。
温缩裂缝多数是横向分布。
1.2.3网状裂缝
网状裂缝也叫龟裂,它是由于局部弯沉太大,在外力作用下产生结构性破坏的裂缝,它是一种破坏性较大的裂缝,如遇下雨,则渗水,在外力作用下引起翻浆。
初期时仅为网状细裂纹,随着时间的推移,裂纹处基层内部的水分继续蒸发,裂纹逐渐发展成为发散形裂缝。
在外力作用下,基层呈塌陷状。
1.4.4纵缝
纵缝如果水泥稳定砾石基层在施工早期产生纵缝,一定是施工控制方面引起的。
其原因应归结为局部土基压实度或基层压实度没有达到规范要求。
但城市道路基层7d养护期满后,如果管理维护不到位,也会产生纵缝。
由于基层较厚,采用分层碾压作业。
第一层摊铺碾压成型时,其厚度较薄,一般在15cm左右,尽管养护期满,但其承载能力较低。
1.4.5路基不均匀沉降产生裂缝
路基不均匀沉降产生裂缝如果水泥稳定砾石基层产生纵向裂缝,多是由于局部土基及底基层压实度达不到规范要求引起,在重车的作用下产生的反射裂缝,有时呈弧状分布,且表面形成一定的高度差。
3现有水稳结构类型分析
在评价材料的抗裂性能好与坏时，应全面考虑材料的力学性能（尤其是极限抗拉强度或极限抗拉应变）、温缩或干缩应变，而不能仅考虑温缩或干缩系数大小。
而评价干缩性能好坏时还需考虑其失水量，因为两种不同材料平均干缩系数可能相差不大，而由于各自含水量不同和可能产生的干缩应变也就不相同。
水泥稳定砾石基层材料在温度作用或失水作用下的开裂模式可以直观地理解为在温度作用或失水作用下产生的收缩应变超过了材料自身所能承受的最大拉应变，因此采用材料的温度收缩系数或干燥收缩系数与材料极限抗拉应变的比值来表征其抗裂性能，亦即用温缩抗裂系数
、干缩抗裂系数
来表征材料所能承受最大温差或湿差变化范围，
或
值反映了材料的抗温度（或抗湿度）收缩相对能力，其值越大，表明材料抗温度（抗干燥）收缩性能越好，反之亦然。
严格来讲，材料的极限拉应变应通过材料的轴向拉伸试验获得，但是以目前试验设备很难达到这一目的，所以在这里近似地采用由材料的抗弯拉强度与抗弯拉模量计算得出材料的极限拉应变代替。
计算极限拉应变
取决于强度s和刚度E两项指标，即
。
所以在同样强度的情况下，刚度越小，极限拉应变越大；高强度低刚度有利于提高材料的极限拉应变。
因此，在基层材料组成设计时，尽量设法降低材料的温度收缩系数和干燥收缩系数，同时改善材料的柔韧性即设法提高
，从而使抗裂性能得到改善，耐久性得到提高。
水泥稳定砾石是一种由水泥、粗集料、细集料所组成的复合材料。
水泥稳定类材料由于组成材料质量和数量的差异，以及各组成材料之间互相的特点、相对位置分布及相互联系的状况一般也分为三种不同的类型：
3.1悬浮密实结构
这种结构通常采用连续型密级配，骨料由大到小连续存在。
这种结构中由于粗集料数量相对较少，不能形成有效的骨架。
这种结构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较小，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载和温差作用下，易产生裂纹，从而造成路面结构的破坏。
3.2骨架空隙结构
这种结构粗骨料较多，而细料数量过少，混合料中细料的压实体积小于粗集料形成的空隙体积因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。
虽然这种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力，粘聚力相对是次要的，其抗收缩性能较好，但由于其空隙率大，使基层的耐久性受到影响。
3.3骨架密实结构（大粒径抗裂结构）
骨架密实结构是以上两种类型组成的结构。
要求混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，混合料中填隙料的压实体积应约等于粗集料形成的空隙体积，从而使混合料形成较高的密实度。
试验结果表明大粒径水泥稳定砾石骨科间的嵌挤作用明显，抗压强度和抗压回弹模量明显大于常规级配，有良好的承载能力，平均干缩系数和平均温缩系数小于常规级配，抗弯拉强度高于常规级配，抗裂性能有显著的提高。
根据柔性路面层状理论，对在温度和含水量变化作用下不同龄期的半刚性路面进行了接触非线形有限元分析，分析结果表明在施工状态下和使用状态下，大粒径水泥稳定砾石基层受到干缩和温缩作用产生的拉应力均小于常规级配；在施工状态下，温度收缩的影响明显，在使用状态下路表降温对基层的影响减小，基层所受到的拉应力随着龄期的增长而增大。
这种结构能很好的解决了水稳开裂问题，在我市的公路建设中逐步得到推广和应用。
4骨架密实性的级配的抗裂设计分析
全面提高设计质量在路面设计中对水稳结构层的料源调查和选择至关重要既要调查料源的储存数量又要调查料源的质量必要时对材料进行有关试验鉴定后方能确定是否采用。
4.1抗裂性分析
（1）骨密型可以控制其细集料比例。
使得结构内部粗集料均匀且有良好的嵌挤，在骨料空隙内部的细混合料大部分致密和分散的局部不致密，保持适度的孔隙率，形成不十分均匀板体来改进半刚性基层应力集中产生缩裂并返射到面层。
（2）集料粒径与比例：
骨架密实级配比常规级配水泥稳定砾石最大粒径大，最大粒径分别为不大于37．5mm和31．5mm。
骨密型水稳粗集料即9．5mm以上的占42％～66％，常规级配水泥稳定砾石（以下简称常规型水稳）9．5mm以上的仅占32％～55％；细集料即4．75cm以下前者22％～43％，后者占29％～50％。
显然骨密型水稳容易形成嵌挤骨架，同时也有足够的胶结强度；常规型水稳骨料处于悬浮状态，主要是胶结强度。
骨密型由于细集料少，其收缩性小。
（3）最大干密度：
试验表明骨密型最大干密度在2．409／cm3以上，比常规型大5％～8％，因而有利于提高基层承载力和耐久性。
（4）最佳含水量：
试验表明骨密型水稳比常规型最佳含水量小1．5％～2％，可以减少干缩应变。
[4]
5配合比设计
配合比设计取样一定要有代表性，原材料或其比例更改，应重新设计配合比。
配料准确是保证水泥稳定砾石内在质量的关键环节。
配料准确的基本前提是两种原材料要合格。
通过对工程实际应用的矿料分别进行筛分试验和测定其相对密度，根据各种矿料的颗粒级配和计算用量比调配出合理的级配曲线。
由于水泥剂量对干缩性的影响，随集料平均粒径的增大而减少，集料平均粒径越大，水泥剂量对干缩性的影响越小；在相同条件下，水泥稳定中粗粒土的收缩性较细粒土的收缩性要小得多；对大多数土混合料而言，随水泥剂量的增加，收缩性逐渐减少，并达到最小值，随水泥剂量的增加，收缩性逐渐增大，水泥剂量过大，同样会产生收缩裂缝。
配料准确的施工控制是：
（1）砾石的级配要严格控制，在粗集料中单个颗粒最大粒径不应超过37.5mm；
（2）水泥稳定砾石混合料的比例要严格控制。
即通过一定料斗门开启高度下的给料皮带机电机转速比实现既定的混合料比例，具体调试时，砾石比例宜控制在80%～89%之间。
根据不同设计强度的要求，确定水泥用量，确定各种混和料的最佳含水量、最大干密度，以此初步确定各料仓的供料比例。
应考虑各地材料性能不同而引起的差异。
5.1集料
集料采用5种规格的砾石，规格为0-5mm，5-31.5mm级配砾石。
粗集料含泥量0.1%，细集料0.075mm筛孔通过率小于1.5%。
5.2集料筛分情况
表5-1单档（0—5mm）粒料规格
公称
粒径_规范要求/
筛分结果_通过下列筛孔的质量百分率（%）____37.5_31.5_26.5_19_9.5_4.75_2.36_0.6_0.075__0—
5mm_规范要求_—_90—100_—_—_—_0—5_—_—_—___筛分结果_100_100_100_100_100_99.8_82.4_46.3_3.5__筛分实验结果标明：
单档料0—5mm的4.75筛孔通过率为99.8不满足规范0—5的范围要求，说明现有粒料偏粗，问题严重，不满足目标配合比设计的要求，应对料场振动筛筛孔进行调整。
表5-2单档（5—31.5mm）粒料规格
公称
粒径_规范要求/
筛分结果_通过下列筛孔的质量百分率（%）____37.5_31.5_26.5_19_9.5_4.75_2.36_0.6_0.075__5—
31.5mm_规范要求_—_—_—_90—100_0—15_0—5_—_—_—___筛分结果_100_98.6_87.6_71.5_23.5_3.2_0.7_0.3_0.3_
筛分实验结果标明：
单档料5—31.5mm的9.5筛孔通过率为23.5不满足规范0-15的范围要求，单档料10-20mm的4.75筛孔通过率为6.4不满足规范0—5的范围要求，说明现有粒料偏细，不满足目标配合比设计的要求，应对料场振动筛筛孔进行调整。
5.3密实型水泥稳定砾石集料的最大粒径及级配范围
JTGD50—2006公路沥青路面设计规范中骨架密实型水泥稳定类级配见表1，不同类型水泥稳定砾石的集料级配见表：
骨架密实型级配范围
通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%
筛孔尺寸
31.5
19.0
9.50
4.75
2.36
0.60
0.075
通过百分率
100
68～86
38～58
22～32
16～28
8～15
0～3
骨架密实型级配曲线图
悬浮密实型级配范围
通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%
筛孔尺寸
31.5
19.0
9.50
4.75
2.36
0.60
0.075
通过百分率
100
90～100
60～80
29～49
15～32
6～20
0～5
悬浮密实型级配曲线图
5.4骨架密实型的设计级配
本路段采取《公路沥青路面设计规范》（JTGD50--2006）的规定，以骨架密实型取代悬浮密实型结构进行基层的集料级配设计。
相对于悬浮密实型结构，骨架密实型结构对级配范围进行了较大修改，如19mm筛孔的通过率由90％-100％调至68％-86％；4．75mm筛孔的通过率由29％-49％调至22％-32％；0．075mm筛孔的通过率由0％-5％调至0％-3％。
筛孔
骨架密实性级配
mm
中值
上限
下限
37.5
100
100
100
31.5
100
100
100
26.5
未规定
未规定
未规定
19
77
68
86
9.5
48
38
58
4.75
27
22
32
2.36
22
16
28
0.6
11.5
8
15
0.075
1.5
0
3
筛分实验结果标明：
各筛孔通过百分率符合规范范围要求，满足目标配合比设计的要求。
筛孔
砾石
砾石
合成级配
范围
mm
4.75-31.5
0-4.75
0-31.5
中值
上限
下限
37.5
100
100
100.0
100
100
100
31.5
98.6
100
99.0
100
100
100
26.5
87.6
100
90.7
95
90
100
19
71.5
100
78.6
77
68
86
9.5
23.5
100
42.6
48
38
58
4.75
3.2
99.8
27.4
27
22
32
2.36
0.7
82.4
21.1
22
16
28
0.6
0.3
46.3
11.8
11.5
8
15
0.075
0.3
3.5
1.1
1.5
0
3
配比：
73
27
100
从表可以看出，按4.75—31.5mm﹕0—31.5mm=73﹕27计算结果，合成级配中筛孔4.75mm通过量偏高，31.5mm筛孔通过量偏低。
由于图解法的各种材料用量比例是根据部分筛孔确定的，所以不能控制所有筛孔，因此需要按照规范要求需要修正来达到规范要求。
规范要求在进行骨架密实型级配设计时，增大4.75mm以上料径含量，严格控制细集料，即对于合成级配，4.75mm以上的粒径尽量接近规范要求上限，4.75mm以下的粒径尽量接近规范级配下限，同时对于矿粒的最大粒径控制在31.5mm以下。
根据要求，通过试算现采用增加10—20mm和5—10mm砾石用量和减少20—31.5mm与＜5mm砾石用量的方法来调整级配比，经调整后的配合比（质量比）为20—31.5mm砾石用量X=25%，10—20mm砾石用量Y=40%，5—10mm砾石用量Z=20%，＜5mm砾石用量W=15%。
5.5配合比设计的优化
对配合比进一步进行优化，其基本原则是：
在保证设计强度的情况下合理地减少水泥用量，同时级配曲线应为一条平顺的圆滑曲线，并应尽可能靠近级配区域下限，而在确保现场摊铺混合料不离析的情况下增加砾石用量，减少粒径小0．075mm细料用量。
筛孔
砾石
砾石
合成级配
范围
mm
4.75-31.5
0-4.75
0-31.5
中值
上限
下限
37.5
100
100
100.0
100
100
100
31.5
98.6
100
99.0
100
100
100
26.5
87.6
100
91.5
95
90
100
19
71.5
100
80.3
77
68
86
9.5
23.5
100
47.2
48
38
58
4.75
3.2
99.8
33.1
27
22
32
2.36
0.7
82.4
26.0
22
16
28
0.6
0.3
46.3
14.6
11.5
8
15
0.075
0.3
3.5
1.3
1.5
0
3
配比：
77
23
100
计算得到的合成级配通过百分率可以看出，合成级配基本在规范要求的级配范围之内并且符合骨架密实型约束条件，最后确定混合料配合比（质量比）为4.75—31.5mm﹕0—31.5mm=77﹕23
6水稳抗裂基层路用性能检测指标分析
6.1水稳裂缝的分析检测
水泥稳定砾石基层产生裂缝不可避免。
在车辆荷载作用下,基层裂缝会在沥青混凝土面层造成反射裂缝,从而导致面层水下渗,积聚在基层与面层之间。
水在车轮荷载作用下形成动水压力,基层中的细料在动水的不断冲刷下,产生唧泥现象,导致面层出现坑槽破坏。
因此,应在施工中尽量减少裂缝的产生。
为减少裂缝,可采取以下措施:
（1）水泥剂量应严格控制,在现场钻芯强度满足设计要求的前提下,
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