1、抗裂型水泥稳定碎石在天津生态城的应用研究韩海生 1 安玉峰 2 蔡聪明 3 孙雪伟 4 （ 12天津生态城市政景观有限公司 天津 300480， 34江苏省交通科学研究院 江苏南京 211112）摘要：针对传统悬浮密实型水泥稳定碎石最大干密度小、水泥剂量高、易开裂的特点，从级配、试验方法、质量监控措施等方面进行了系统分析。利用振动成型方法，逐级填充原理确定水泥稳定碎石的最大干密度、最佳含水量、成型无侧限抗压强度试件，试验结果最大干密度为传统水泥稳定碎石的 1.03 倍，无侧限抗压强度约为传统水稳 2 倍。实体工程振动法成型的水泥稳定碎石易摊铺碾压，不易离析，不易产生收缩裂缝，其造价每公里较传统
2、水稳降低 20238 元，具有很好的运用前景。关键词：配合比设计 抗裂型 水泥稳定碎石 施工质量控制 1.前言目前，水泥稳定碎石基层在天津生态城市政道路中应用较为广泛，但在工程实践中并未表现出令人满意的效果，主要表现为收缩裂缝与温缩裂缝，以及由此诱发的其他病害，如网裂等病害。这除了与材料、施工管理有关外，还与目前水泥稳定碎石基层的试验、设计有关。传统的重型击实方法不能模拟振动压路机的工作，致使室内设计结果与水稳基层的实际使用效果相差较大。如要保证水泥稳定碎石的抗裂性能，首先应选择适合的试验方法，其次应通过混合料的配合比设计予以保证。目前设计混合料配合比的主要缺点是最大干密度过小、水泥剂量过大、
3、级配不良、压实度偏小、强度低。而振动法配合比设计的主要特点是最大干密度大、水泥剂量低、强度高、干缩小，因此这种接近骨架密实型的粗级配具有较好的抗裂性能以及提高强度的最优效果。本研究以中津天津生态城中津大道为依托。2.思路及方案2.1 工程实践问题分析目前天津市市政道路水泥稳定碎石基层存在如下几方面的问题：为达到强度指标，设计时人为提高水泥剂量，水泥剂量往往在 5.5%左右； 水稳基层设计密度小，无需严格控制碾压工艺，就能达到压实度要求，压实度超百现象严重；水泥稳定碎石基层在沥青路面铺筑后短期内出现反射裂缝现象。2.2 解决途径针对现有天津市政工程水泥稳定碎石基层存在，提出以下解决途径：水泥稳定
4、碎石基层反射裂缝与其水泥剂量偏高有明显关系，静压成型不能如实的模拟压路机的工作状况。为了合理的确定水泥剂量，采用振动成型法模拟现场压路机的工作状况，使是室内振动法成型的无侧限 7 天抗压强度与现场芯样强度一致；水稳基层压实度超百现象严重，说明重型击实不能满足现有的碾压机械，采用振动设计方法，进行最大干密度和最佳含水量的确定十分必要；水稳基层混合料的组成结构对其反射裂缝影响较为明显，采用骨架密实性水泥稳定碎石提高了粗骨料间的嵌挤作用，降低了水泥剂量，减少了细集料掺量，能提高水稳基层的抗裂性能。3.抗裂水泥稳定碎石基层目标配合比设计过程3.1 级配骨架原则粗骨料形成骨架，细集料填充空隙。以利于提高
5、强度和抗裂性能，而不是传统的悬浮密实结构，把粗骨料悬浮在细集料的包围中。细集料数量适当，对粗集料骨架空隙填充密实而不过量，这有利于提高路面结构的耐久性。确定混合料级配必须使水泥稳定碎石混合料不易离析，易于摊铺和碾压成型。3.2 确定方法采用逐级填充的方法。将水稳基层最大粒径（19.031.5mm）集料作为主骨料，然后用 9.519.0mm 粒径骨料填充主骨料留下的空隙，最后用 4.759.5mm 骨料填充上一级骨料留下的空隙。通过不同的 I 值（级配计算法中， I 法的指标值）时所对应级配的细集料进行CBR、干缩和温缩等试验，确定细集料的级配。对选定的级配进行不同水泥剂量干密度和含水量试验。根
6、据最大干密度和最佳含水量成型强度试验，确定水泥稳定碎石矿料级配。根据强度试件的断面情况，确定矿料的最终级配。3.3 骨架密实型水泥稳定碎石混合料级配的确定3.3.1 原材料检测取天津生态城中津大道水泥稳定碎石用集料进行技术指标检测，检测结果均满足技术要求，具体见表 3-1。表 3-1 集料试验结果表试验项目 试验数值 指标要求集料压碎值（ %） 15.6 284#样品水洗法 0.075mm 颗粒含量（%） 9.8 20粒径大于 9.5mm 针片状颗粒含量（%） 7.0 18粒径小于 9.5mm 针片状颗粒含量（%） 8.3 18液限 21.6 280.6mm 颗粒塑性指数 3.8 93.3.2
7、 粗集料级配研究为了较好的模拟振动压路机对道路材料的压实作用，采用振动法确定粗集料级配。（1）级级配试验，以主骨料 d0（19.531.5mm）的用量为 100，以 d0 用量 5%为步长将粒径为（9.519mm）d 1 掺入到主骨料中，每次掺入后振动试件定位 90s 测定振实密度，建立填充数量与振实密度的关系，取密实度最大的一组用量作为 d1 的用量，（2）级级配试验，将 d0 和 d1 按(1)得出的比例混合，形成混合料记为 d1o 并按（1）步骤进行试验，得出 d2 用量。（3）根据上述试验最后分别的到上述各种粗集料的掺合比例。图 1 9.519.0mm 粒径掺量图 图 2 4.759.
8、5mm 粒径掺量图1.7001.7201.7401.7601.7801.8001.8201.8401.8601.88020 25 30 35 40 45 509.519.0mm粒 径 质 量 掺 量 （ %）密度（g/cm3)1.7001.7201.7401.7601.7801.8001.8201.8401.8601.8800 5 10 15 20 25 304.749.5mm粒 径 质 量 掺 量 （ %）密度（g/cm3)由图 1 可知，当 d0 用量与 d1 用量之比为 55：45 时，振实密度最大，然后随着 d1 用量增加时，振实密度最小，这说明当用量 d1 用量超过 45 时，逐渐破
9、坏了 d0 形成的骨架结构。由图 2 可知，当 d1o 并用量与 d1 用量之比为 85：15 时，振实密度最大，这说明在某个组合时，能够在振动过程中运动并在相互嵌挤作用大道最大时停止运动，此时粗集料的振实密度达到最大。由图 1 和图 2 可知，当粗集料比例为 55:45:15 时，粗骨料间的嵌挤作用最强，振实密度最大。3.3.3 细集料级配的确定细集料主要起填充粗骨料空隙的作用，其用量影响着混合料的路用性能和施工的和易性能（离析）,不同 I 值的所对应级配细集料的 CBR 值、干缩系数和温缩系数进行试验，试验结果见表 3-2表 3-2 不同级配细集料路用性能表I 值 0.6 0.65 0.7
10、0 0.75 0.80CBR 值 43.4 45.2 46.3 47.9 45.1平均温缩系数（10-6） 14.3 11.7 12.0 10.3 11.7平均干缩系数（10-6） 69.4 66.2 63.8 63.2 62.7从表 3-2 可以看出，出现 CBR 峰值和较小收缩系数时，I 都在 0.75 附近。3.3.4 混合料级配的确定结合以上分析，把上述数据转化为百分比（按粒径大小）34：28：13：25，当集料按该比例掺配时，骨架最为密实。由图 1、图 2 可以看出，当粗集料在该比例附近变化时，振实密度变化不大，考虑到施工离析情况，并结合各档集料的筛分情况见表 3-3,配合比时对细集
11、料做了微调见表 3-4。表 3-3 集料筛分表通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率(%)筛孔尺寸(mm)矿料31.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.0751#样品 100.0 18.2 0.6 0.6 0.6 0.6 0.52#样品 100.0 100.0 21.7 0.3 0.3 0.3 0.23#样品 100.0 100.0 99.7 13.8 1 0.9 0.64#样品 100.0 100.0 100.0 100.0 75.4 33.6 9.8表 3-4 级配的矿料比例和合成级配通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率(%)级配比例1#样品：2#样品：3#样品：4
12、#样品31.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.07532.0 : 31.0: 12.0 : 25.0 100 73.8 43.9 26.9 19.3 8.8 2.7级配上限 100 86 58 32 28 15 3级配下限 100 68 38 22 16 8 00.075 31.519.09.54.752.360.60102030405060708090100筛 孔 (mm)通过率，设 计 级 配图 3 配合比合成级配图3.4 水泥稳碎石设计结果分析3.4.1 最大干密度最佳含水量天津生态城中津大道采用 42.5 号普通硅酸盐水泥、石灰岩集料指标均符合规范要求，合成级配满足
13、规范要求。采用重型击实和振动成型进行了最大干密度和最佳含水量试验，试验结果见表 3-5表 3-5 水泥稳定碎石最大干密度最佳含水量对比表水泥剂量（%）试验项目 4.0重型击实法最大干密度 (g/cm3) 2.351重型击实法最佳含水量(%) 5.0振动压实法最大干密度 (g/cm3) 2.412振动压实法最佳含水量(%) 4.8振动压实法与重型击实法最大干密度相关系数 1.03由表 3-5 可知，振动成型法的最佳含水量要略低于重型击实最佳含水量，振动成型最大干密度要明显高于重型击实最大干密度，若采用振动成型法的 98%为标准控制，重型击实压实度均将在 100%以上，可见重型击实法已不能满足当前
14、碾压设备的需求。3.4.2 无侧限抗压强度按 98%的压实度采用了静压成型和振动成型方法，成型了 15cm15cm 的无侧限抗压强度试件，7 天无侧限抗压强度结果见表 3-6，从该表可以看出在水泥剂量一样的情况下，振动成型法的无侧限抗压强度远远高于重型击实法，约为其 2 倍多。原因主要是静压成型试件时，形成骨架的集料可能被压碎，骨架可能被破坏，导致强度偏低。而振动成型法避免了该种现象的发生，所以其强度要远高于静压成型。在现场施工中，虽然表面集料有压碎现象，但在混合料内部是不可能发生的。表 3-6 静压成型、振动成型试件强度对比表静压成型强度平均值（ MPa） 4.63静压成型强度代表值（ MP
15、a） 4.01振动成型强度平均值（ MPa） 9.37振动成型强度代表值（ MPa） 8.464.现场质量控制影响水泥稳定碎石收缩性能的主要因素为级配、水泥剂量、压实度及含水量等，因此现场主要针对这几方面进行控制。级配要控制关键筛孔，1931.5mm 集料起主骨架作用，9.519mm 集料起次骨架作用，不离析的前提下，19mm 筛孔通过率要越少越好，4.75mm 以下细集料主要起填充作用，其用量不能太多，也不能太少，太多容易撑开骨架，太少又填充不满骨架间空隙，通过率宜控制在 27%-30%。0.075mm 以下颗粒起粘结作用，太多易收缩开裂，太少又容易离析，一般应控制在 2.0%3.0%。抗裂
16、型水泥稳定碎石水泥剂量较低，应严格控制好水泥剂量，否则可能会导致水泥稳定碎石基层强度的迅速增加，但考虑到拌和均匀性问题，生产时可将水泥剂量提高 0.2%左右。含水量过高，碾压时易出现弹簧，极易导致干缩裂缝，且易使浆体上冒，表面光滑，导致透层沥青无法渗透、下封层起皮等现象，影响基层和面层间的层间粘结。密实度是保证抗裂型水泥稳定碎石骨架形成的必要条件，只有碾压密实，才能保证骨架形成，从而达到抗裂目的，现场压实度必须以振动成型的最大干密度进行控制。5.工程实例结合天津生态城中津大道振动法成型的抗裂型水泥碎石基层分析实体工程效果。 5.1 拌和楼控制混合料要经过试拌、检测、调整后正式拌和，产量控制在额
17、定产量的 7085%，应加强原材料及混合料抽检频率，严格控制水泥剂量。在施工过程中水泥剂量增加 0.2%，含水量视天气情况增加 0.5%1.0%。5.2 摊铺控制摊铺前应将下承层清扫干净。摊铺机应匀速缓慢摊铺，摊铺机中缝及两侧吊杆处增设反向螺旋。5.3 碾压控制要点振动法设计的水泥稳定碎石基层混合料的碾压包括初压、复压和终压，碾压共计 6 遍：初压采用 13t 双钢轮压路机静碾压 1 遍；复压 3 台激振力 40t 以上的压路机弱振 1 遍强振3 遍；终压采用 30t 的轮胎压路机 2 遍。从检测结果看，压实度检测结果均为 98%以上。5.4 养生控制要点每一段碾压完成并经压实度检测合格后，立
18、即进行养生，采用土工布覆盖养生，养生时间应大于 7d。该项目从 2010 年 5 月施工完成，迄今为止也将近一年时间，未发现明显的路面反射裂缝。6.经济效益分析 以中津大道水稳为例按单幅计算，长度为 1.4km,宽度按 11.0m 计，基层为两层 36cm，按振动成型法成型的抗裂型水泥稳定碎石与重型击实法的比较结果见表 6-1。表 6-1 振动法骨架密实型水稳和重型击实法单价对比振动成型法水泥稳定碎石 重型击实法水泥稳定碎石 金额（元）项目数量（T）单价（元）金额（元）数量（T）单价（元）金额（元）增加费用（元/km）集料 12857 120 1542840 12533 120 1503960
19、水泥 514 400 205600 689 400 275600增加机械费用 / / 2704 / / /-20238由表 6-1 可知，采用振动法成型的抗裂水稳，每公里节约费用约为 20238 元，经济效益显著，且提高了工程质量。7.结束语 （1）重型击实法和静压成型法都无法模拟目前振动压路机的工作状态，导致水泥稳定碎石最大干密度偏小，水泥剂量偏高，致使沥青路面铺筑后，短时间内基层产生反射裂缝，因此提高水泥稳定碎石基层的关键技术是振动成型法、骨架密实嵌挤级配和现场质量控制技术等。（2）根据逐级填充原理，利用振动成型法确定粗集料级配，结合 I 法及收缩性能确定细集料级配，根据强度试验结果最终确
20、定抗裂型水泥稳定碎石骨架密实级配，天津生态城中津大道运用效果表明该级配能形成很好的骨架，且具有易摊铺、易压实、不离析的特点。（3）振动法成型的骨架密实型水泥稳定碎石密实度是重型击实法的 1.03 倍左右，含水量较重型击实略低。（4）中津大道的运用效果表明：抗裂型水泥稳定碎石基层比传统的悬浮密实型水稳基层裂缝少，不易产生收缩裂缝。（5）中津大道水稳经济性表明：振动法成型的抗裂型水泥稳定碎石比重型击实法设计的水泥稳定碎石，每公里约降低 20238 元，降低了工程成本，提高了工程质量。参考文献：1公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000 ）S北京：人民交通出版社，20002 孙雪伟、蔡聪明、刘运华等瑞赣高速公路施工指导意见，20083 公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）北京：人民交通出版社，2006 4 宋兴水泥稳定碎石基层的施工控制J 公路交通技术， 20045 周诚喜水泥稳定碎石基层抗裂机理的微观分析J 上海公路， 2005
