骨架密实型抗裂水稳设计及研究.docx
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骨架密实型抗裂水稳设计及研究
骨架密实型抗裂水稳设计及研究
黄志福1杨乾2窦维禹1
1.安徽省交通投资集团公司2.江苏省交通科学研究院
摘要：
水泥稳定碎石因其优良的路网性能广泛用于高等级公路。
安徽近二十年修建的高速公路多为80cm石灰改善土路床+20cm石灰土底基层+36cm水泥稳定碎石基层+4、6、8cm沥青混合料结构。
由于水泥稳定碎石半刚性基层先天性干缩裂缝导致沥青砼面层反射裂缝，影响路面使用性能。
国内关于水稳半刚性基层抗裂及防止反射裂缝研究较多，成果颇丰。
本文介绍的骨架密实型抗裂水稳设计及研究，成功取得半刚性性水稳基层3877m无裂缝最新国内纪录。
骨架密实型抗裂水泥稳定碎石半刚性基层依托工程为安徽省“四纵八横”高速公路网第二横----泗（洪）许（昌）高速公路一期工程泗县至宿州段91.47km全线使用。
统计两幅裂缝合计道，平均米一道。
最长无裂缝位置为：
k50+674-k54+551,长3877m，双幅近7km无裂缝。
施工时间:
下层水稳2009年10月9日---2010年3月5日
上层水稳2009年11月1日---2010年4月16日
关键词：
水泥稳定碎石半刚性基层发射裂缝
Abstract:
半刚性基层材料具有明显的优点和广阔的使用前景，但在道路的实际使用过程中出现了水损害和裂缝等病害。
水泥稳定碎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，基层的开裂很有可能引起沥青面层的反射裂缝。
为减少水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，国外很多国家都将水泥用量降低到较低的水平，如澳大利亚的为3%以内，日本仅为2%左右。
本文针对4.75mm通过率分别为25%、30%以及35%的三种级配，在三种水泥剂量为3%、4%以及5%的情况下进行振动击实试验，综合分析抗裂型水泥稳定碎石混合料密度、强度和收缩变形的关系。
深入研究抗裂嵌挤型水泥稳定碎石在基层的应用，并把成果应用到泗（洪）许（昌）高速公路一期工程泗县至宿州段91.47Km全线。
1.振动成型方式的研究
振动压路机的技术参数主要包括：
自重和静线压力、钢轮宽度和直径、离心力、振幅、频率等；其工作参数包括压实厚度，碾压速度和遍数等。
振动成型压实参数的确定是抗裂型水泥稳定碎石基层推广应用的前提，是首先应解决的问题。
选择合理的振动成型参数力求使其压实的效果能和压路机的现场压实效果等效。
本文选用国内水泥稳定碎石振动压实参数典型的选取值作为研究参考，如表1.1所示，由表可知，国内水泥稳定碎石振动成型的参数激振力范围为6800~7800N范围内，振动频率为28Hz~35Hz，振幅在1.4mm左右，振动时间大部分选取为2min。
表1.1国内水泥稳定碎石振动压实参数选取表
静压力
激振力
振动频率
振幅
振动时间
备注
1900N（108kPa）
6800~6900N
28~30Hz
-
混合料振动压实达到指定高度
公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）
静压力
激振力
振动频率
振幅
振动时间
备注
140kPa
7612N
30Hz
1.4mm
2min
天津市政工程研究院
-
-
-
-
所测密度变化趋势图达到稳定时的时间
哈尔滨工业大学东北道路研究所
104kPa
7639N
35Hz
1.25mm
标准振实状态或者2min
长安大学
1.1振动时间的确定
为了深入进行振动时间的合理选择研究，级配选取典型的抗裂水泥稳定碎石级配进行研究，见表1.2。
本文分别选取振动压实的时间为1min、2min、3min和4min。
1min不能成成型试件，4min后期试件成为刚体，会对造成集料破碎和机器损伤。
2min和3min的试验结果见表1.3。
表1.2骨架密实型水泥稳定碎石级配组成表
各筛孔尺寸通过率（%）
筛孔尺寸（mm）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
设计级配
100.0
98.0
75.6
41.0
29.6
21.2
8.2
1.5
级配上限
100.0
100.0
86.0
58.0
42.0
30.0
15.0
3.0
级配下限
100.0
95.0
68.0
38.0
22.0
18.0
8.0
0.0
表1.3水稳混合料振动击实试验结果汇总表
水泥剂量（%）
3.0
4.0
5.0
振动时间/分钟
2
3
2
3
2
3
振动成型法最佳含水量（%）
4.5
4.5
4.6
4.5
4.6
4.4
振动成型法最大干密度/（g/cm3）
2.372
2.388
2.374
2.393
2.407
2.412
7天振动法成型强度平均值（MPa）
6.54
7.34
7.34
9.67
8.89
11.68
强度代表值（MPa）
6.27
6.84
6.76
9.25
8.32
11.41
由表1.3可以得到，三种水泥剂量下，3min振动时间的试件最大干密度比2min振动时间的试件有所提高。
三个水泥剂量下的提高幅度分别为：
3.0%水泥剂量为0.7%、4.0%水泥剂量为0.8%、5.0%水泥剂量为0.2%。
最佳含水量随着振动时间的增加则有略微的减小。
2min和3min下3.0%、4.0%和5.0%水泥剂量水稳混合料水稳混合料击实试验，7天无侧限抗压强度试验结果表明：
三种水泥剂量下，3min振动时间的试件的7天无侧限抗压强度比2min振动时间的试件有较大幅度的提高。
在强度代表值方面，3.0%水泥剂量时，3min振动时间的试件比2min振动时间的试件提高了9.1%，4.0%水泥剂量下则提高了36.8%，5.0%水泥剂量下提高了37.1%。
对于强度平均值，3.0%水泥剂量下提高了12.2%、4.0%水泥剂量提高了31.7%、5.0%水泥剂量则提高了31.4%。
可见振动成型时间对水稳混合料的无侧限抗压强度的影响，随着水泥含量的增加越来越明显。
为了确定振动成型时间对于水稳混合料最大干密度的影响，采用不同的振动时间进行试验研究，结果见图1.1。
图1.1振动成型时间对于水稳混合料最大干密度的影响
从图1.1可以看出，在0～120s内，随着振动时间的增加，最大干密度不断增加，在120s～180s时，最大干密度达到峰值，此后随时间的增加，干密度逐渐减少。
这是由于在达到最大干密度后，集料破碎后发生膨胀造成的。
由此可见，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层振动成型时间初步确定在120s～180s（2min～3min）的范围内。
1.2室内成型试件干密度与现场混合料干密度的比较
确定振动成型时间的最主要原则就是在典型的碾压条件下，室内成型试件的干密度和现场水稳混合料的干密度要基本相当。
课题组研究比较了不同室内振动成型时间的水稳混合料和现场水稳混合料的干密度，结果见表1.4。
表1.4室内成型试件干密度与现场混合料干密度的比较
工程
室内不同时间振动成型试件干密度（g/cm3）
现场水稳混合料干密度（g/cm3）
2min
3min
镇溧高速公路
2.385
2.399
2.379
宁靖盐高速公路盐城北段
石灰岩
2.437
2.460
2.410
玄武岩
2.385
2.397
2.362
从表1.4的结果可见，振动成型2min的水稳试件干密度和现场混合料的干密度是基本相当的，而振动成型3min的水稳试件干密度则比现场混合料的干密度要高出许多。
不同室内振动成型时间的水稳混合料和现场水稳混合料的干密度的比较也说明2min的振动成型时间是合适的。
通过室内成型试件干密度与现场混合料干密度的比较分析，表明水泥稳定碎石基层混合料采用2min的振动成型时间是合理的。
2.水稳碎石强度影响因素深入研究
2.14.75mm通过率对水泥稳定碎石强度的影响
水泥稳定碎石混合料4.75mm通过率对水泥稳定碎石混合料级配组成非常重要，结合级配设计成果，选用不同4.75mm通过率级配进行水泥稳定碎石强度试验，以研究确定合适的4.75mm通过率。
采用表2.1的三种级配，三种级配4.75mm的通过率分别是25%、30%、35%。
表2.1不同4.75mm通过率下的水泥稳定碎石级配组成表
各筛孔尺寸通过率（%）
筛孔尺寸（mm）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
级配1
100.0
98.2
77.7
38.6
24.7
21.1
8.2
1.5
级配2
100.0
98.0
75.6
41.0
29.6
21.2
8.2
1.5
级配3
100.0
98.0
75.6
45.0
35.4
21.3
8.2
1.5
级配上限
100.0
100.0
86.0
58.0
42.0
30.0
15.0
3.0
级配下限
100.0
95.0
68.0
38.0
22.0
18.0
8.0
0.0
针对4.75mm通过率分别为25%、30%以及35%的三种级配，在三种水泥剂量（3%、4%以及5%）的情况下进行振动击实试验，得到各个水泥剂量下的最大干密度和最佳含水量见表2.2。
表2.2水稳混合料击实试验结果汇总表
水泥剂量（%）
3.0
4.0
5.0
4.75mm通过率（%）
25
30
35
25
30
35
25
30
35
最佳含水量（%）
4.3
4.5
4.2
4.4
4.6
4.4
4.4
4.6
4.4
最大干密度（g/cm3）
2.400
2.412
2.399
2.403
2.422
2.402
2.419
2.437
2.414
由表2.2可知，对于同样的级配，水泥剂量越大，最大干密度越大。
相同的水泥用量下，4.75mm通过率为30%的最大干密度最大，这主要是因为在4.75mm通过率为25%时可能会导致混合料产生少量松散，而4.75mm通过率为35%时，呈现悬浮密实结构。
对不同水泥剂量下三种4.75mm筛孔通过率的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度和劈裂强度的试验，结果见表2.3。
表2.3水稳混合料7天振动法成型无侧限抗压强度试验结果
水泥剂量（%）
3.0
4.0
5.0
4.75mm通过率（%）
25
30
35
25
30
35
25
30
35
7天振动法成型无侧限抗压强度平均值（MPa）
6.39
6.54
7.13
8.59
8.89
9.55
12.85
12.86
13.18
抗压强度代表值（MPa）
6.05
6.27
6.86
8.20
8.6
9.19
12.60
12.69
12.93
7天振动成型法劈裂强度平均值（MPa）
0.47
0.42
0.34
0.65
0.60
0.51
1.07
0.88
0.68
劈裂强度代表值（MPa）
0.42
0.37
0.29
0.62
0.50
0.46
1.01
0.79
0.64
由表2.3可知，无侧限抗压强度随着4.75mm通过率的增加而增加；在相同的水泥剂量下，劈裂强度随着4.75mm的通过率增加而减小。
综合水泥稳定碎石混合料干密度试验、无侧限抗压强度和劈裂强度的试验结果，4.75mm通过率为30%左右的水泥稳定碎石混合料综合性能最佳。
2.2水泥剂量对水泥稳定碎石强度的影响研究
为了研究不同水泥剂量对水泥稳定碎石混合料强度的影响，选择三个水泥剂量，分别是3%、4%和5%，比较研究4.75mm通过率分别在25%、30%和35%的水泥稳定碎石混合料的强度性能。
击实试验结果见表2.5。
相同级配不同水泥剂量下水泥稳定碎石基层混合料无侧限抗压强度和劈裂强度的试验结果见表2.6。
表2.5水稳混合料击实试验结果汇总
4.75mm通过率（%）
25
30
35
水泥剂量（%）
3.0
4.0
5.0
3.0
4.0
5.0
3.0
4.0
5.0
振动成型最佳含水量（%）
4.3
4.4
4.4
4.5
4.6
4.6
4.2
4.4
4.4
振动成型最大干密度（g/cm3）
2.400
2.403
2.419
2.412
2.422
2.437
2.399
2.402
2.414
表2.6水稳混合料7天振动法成型无侧限抗压强度试验结果
4.75mm通过率（%）
25
30
35
水泥剂量（%）
3.0
4.0
5.0
3.0
4.0
5.0
3.0
4.0
5.0
7天振动法成型无侧限抗压强度平均值（MPa）
6.39
8.59
12.85
6.54
8.89
12.86
7.13
9.55
13.18
抗压强度代表值（MPa）
6.05
8.20
12.60
6.27
8.6
12.69
6.86
9.19
12.93
7天振动法成型劈裂强度平均值（MPa）
0.47
0.65
1.07
0.42
0.60
0.88
0.34
0.51
0.68
劈裂强度代表值（MPa）
0.42
0.62
1.01
0.37
0.50
0.79
0.29
0.46
0.64
对于所研究的三种级配：
由表2.5，水泥剂量越大，混合料的最大干密度越大。
由表2.6，水泥稳定碎石基层混合料无侧限抗压强度和劈裂强度都随着水泥剂量的增加而增加。
这和我们的认识以及以前的研究结论也是一致的。
从试验结果看，即便水泥剂量在3%时，振动成型的水泥稳定碎石混合料7天无侧限抗压强度仍然在6MPa以上，远高于水泥稳定碎石基层强度的要求，这就为我们在应用水泥稳定碎石基层中进一步降低水泥剂量提供了依据。
2.3集料类型对水泥稳定碎石强度的影响
集料类型对于水泥稳定碎石的强度具有明显的影响，以往对这方面的研究相对较少。
本次采用江苏省常用的玄武岩和石灰岩进行抗裂水泥稳定碎石的强度对比研究，两种集料的合成级配见表2.7。
两种集料的不同水泥剂量情况下的水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度见表2.8。
表2.7不同集料类型的水泥稳定碎石级配
石料类型
通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
石灰岩
100.0
96.0
70.9
48.2
32.7
22.6
8.4
2.9
玄武岩
100.0
96.0
78.6
52.6
30.2
17.2
8.2
3.0
表2.8两种岩石水稳混合料振动成型法成型试验结果
水泥剂量（%）
试验项目
3.5
4.0
4.5
石灰岩最佳含水量（%）/最大干密度（g/cm3）
4.3/2.412
4.5/2.422
5.2/2.437
玄武岩最佳含水量（%）/最大干密度（g/cm3）
5.2/2.336
5.3/2.354
5.6/2.385
从表2.8可知，玄武岩水泥稳定碎石的最佳含水量大于石灰岩的最佳含水量，随着水泥剂量的增加，两者的最佳含水量趋同。
石灰岩的最大干密度大于玄武岩的最大干密度。
针对上述不同的集料类型分别进行水泥稳定碎石7天振动成型强度试验，结果显示：
石灰岩水泥稳定碎石在3.5%，4.0%和4.5%的水泥剂量下的强度标准差分别为0.380、0.335和0.253，强度代表值分别为5.69Mpa、6.94Mpa和7.79Mpa；玄武岩水泥稳定碎石在3.5%、4.0%和4.5%的水泥剂量下的强度标准差分别为0.372、0.407和0.706，强度代表值分别为6.00Mpa、7.07Mpa和7.13Mpa。
石灰岩水泥稳定碎石、玄武岩水泥稳定碎石的强度都随水泥剂量的增加而增加。
石灰岩水泥稳定碎石的变异系数基本相同，玄武岩水泥稳定碎石的强度变异系数随水泥稳定碎石强度的增加而增加。
3.水泥稳定碎石抗干燥收缩性能影响研究
水泥稳定碎石混合料干燥收缩是指由于其内部含水量的变化而引起整体宏观体积收缩的现象。
因此含水量是影响水泥稳定碎石混合料干燥收缩最重要的因素。
干燥收缩系数采用千分表测试，用所测得的试件干缩量和相应的失水量，按
（1）式和
（2）式计算出试件的干缩应变
和平均干缩系数。
（1）；
（2）
式中，
为干缩应变，指由水分损失引起的试件单位长度的收缩量，×10-6；l表示两测定应变片中点间的距离，取15cm；干燥收缩系数
指某失水量时，试件单位失水率的干缩应变。
为了比较抗裂嵌挤型水泥稳定碎石混合料和传统型的水泥稳定碎石混合料抗干缩的性能的差异，课题组选择了表3.2所示的A、B级配形式，对比研究了级配A（传统型水泥稳定碎石、骨架悬浮型）与级配B（抗裂型水泥稳定碎石、骨架密实型）的干缩系数的大小差异。
表3.2水泥稳定碎石级配组成表
各筛孔尺寸通过率（%）
筛孔尺寸（mm）
31.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
级配A
100.0
85.9
62.2
40.7
32.2
18.1
6.0
级配B
100.0
68.2
44.5
28.8
20.0
9.2
2.0
结果表明，级配相同，水泥剂量越大，混合料的干缩系数越大，5%水泥剂量的A、B混合料干缩系数分别是4%剂量的1.8倍和1.4倍。
若水泥剂量相同，水泥剂量为4%时，B混合料的干缩系数为A混合料的77%，水泥剂量为5%时，B混合料的干缩系数则为A混合料的73%。
相应的，干缩应变分别减少了32%和33%。
显然，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石混合料B的干缩系数及干缩应变都小于传统型水泥稳定碎石混合料A，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石混合料的干缩系数为传统型水泥稳定碎石混合料的75%左右。
4.工程应用
泗（洪）许（昌）高速公路一期工程泗县至宿州段91.47km全线使用抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层应用深入研究成果。
4.1设计标准
强度：
根据《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）要求，水泥稳定碎石抗压强度为3~5Mpa，本项目要求水泥剂量控制在3.5~4.0%，强度要求大于3.0Mpa。
4.2配合比设计
（1）原材料设计
采用徐州淮海中联水泥，采用特质生产的非标号不高于32.5的缓凝酸盐水泥，技术要求见表4.1。
表4.1水泥各项指标要求
技术要求
初凝时间
终凝时间
3d强度
28d强度
沉淀期
细度
控制标准
≥4h
≥6h
≥15mpa
≤30mpa
7d
80un≤10%
（2）集料
采用泗县、灵璧、符离集当地石灰岩自加工集料，本项目采用5档料（通常为4档料），即碎石最大粒径为31.5mm，按31.5~16.0,16.0~9.5,9.5~4.75,4.75~2.36,2.36~0mm五档备料，增加9.5~16.0mm档。
碎石压碎值不大于28%、针片状含量不大于15%、石屑0.075mm通过率应不大于18%；碎石中小于0.6mm的颗粒必须做液限和塑性指数试验，要求液限小于28%，塑性指数小于9。
有塑性指数时，小于0.075mm的颗粒含量不应超过5%；无塑性指数时，小于0.075mm的颗粒含量不应超过7%。
4.3骨架密实型水稳混合料级配设计
（1）混合料级配范围
泗（洪）许（昌）高速公路一期工程泗县至宿州段骨架密实型抗裂水稳基层在参照国家规范的基础上，结合实际施工因素对混合料的级配进行了相应的优化，并通过室内试验及试验路段进行验证后最终予以确定。
《设计规范》中骨架密实型水泥稳定类集料级配见表4.2，确定的抗裂型水泥稳定碎石混合料中合成碎石的颗粒组成见表4.3，对集料颗粒组合进行多种试配，最终确定骨架密实型生产配合比级配为表4.4。
表4.2《设计规范》中骨架密实型水泥稳定类集料级配
级配
通过下列筛孔（mm）的重量百分率（%）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
范围
100
90～100
68～86
38～58
22～32
16～28
8～15
0～3
表4.3确定的抗裂型水泥稳定碎石混合料中合成碎石的颗粒组成
级配
通过下列筛孔（mm）的重量百分率（%）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
范围
100
90～100
68～86
44～62
27～42
18～30
8～15
0～3.5
表4.4抗裂型水稳混合料生产配合比设计级配
级配
通过下列筛孔（mm）的重量百分率（%）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
设计级配
100.0
99.5
82.9
52.3
32.0
22.0
8.8
3.3
（2）水泥剂量确定
取工地使用的水泥，按不同水泥剂量分组试验。
一般水泥剂量按2.5%～4.5%范围，分别取4～5种比例（以碎石质量为100）制备混合料（每组试件个数为：
偏差系数10％～15％时9个，偏差系数15％～20％时13个），最终确定水泥剂量范围为3.5%~4.0%，实际生产过程控制以确定的3.7%的水泥剂量予以严格控制。
（3）最大干密度：
振动成型法更贴近现场压路机碾压的模式，本次最大干密度、最佳含水量和干密度曲线采用振动成型法确定，而非传统的重型击实成型法。
（4）减少裂缝进行三个限制，即：
1、在满足设计强度的基础上限制水泥用量；2、在减少含泥量的同时，限制细料、粉料用量；3、根据施工时气候条件限制含水量，含水量宜不超过最佳含水量的1%。
本项目现场控制含水量的范围为4.5~5.1%。
（5）7d无侧限抗压强度
根据确定的最佳含水量，拌制水泥稳定碎石混合料，按要求压实度（重型击实标准，98％）制备混合料试件，在标准条件下养护6天，浸水一天后取出，做无侧限抗压强度。
水泥稳定碎石7天浸水无侧限抗压强度代表值
应不小于设计值，设计值由施工图设计确定。
同时应进行采用静压法成型7天浸水无侧限抗压强度试验，强度代表值不应小于3.0MPa。
（6）试件室内试验结果抗压强度的代表值按下式计算：
式中：
－抗压强度代表值，MPa；
－该组试件抗压强度的平均值，MPa；
－保证率系数，高速公路保证率95％，此时
＝1.645；
－试验结果的偏差系数（以小数计）。
（7）抗裂水稳强度验证
混合料设计中采用振动成型法和重型击实试验同步进行击实试验，对于强度值进行比较，静压法成型试件与振动法成型试件的统计结果见表4.5。
表4.5水稳混合料强度试验结果（MPa）
统计项目
静压法（7天）
振动法（7天）
平均值
4.3
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