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级配对水泥稳定碎石路用性能影响研究
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内容提示：水泥稳定碎石基层沥青路面容易产生裂缝,特别在重载交通条件下,路面结构更容易过早破坏｡提出通过调整级配来改善水泥稳定碎石基层的路用性能的思路｡对掺粉煤灰水泥稳定碎石进行配合比设计;通过级配对水泥稳定碎石路用性能影响研究,得出最佳级配类型｡
摘 要:水泥稳定碎石基层沥青路面容易产生裂缝,特别在重载交通条件下,路面结构更容易过早破坏｡提出通过调整级配来改善水泥稳定碎石基层的路用性能的思路｡对掺粉煤灰水泥稳定碎石进行配合比设计;通过级配对水泥稳定碎石路用性能影响研究,得出最佳级配类型｡
关键词:水泥稳定碎石;级配;路用性能
1 混合料组成及配合比设计
1.1 混合料组成
在研究掺粉煤灰水泥稳定碎石时,应根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中水泥稳定碎石的级配范围,考虑了规范范围内典型的五种级配,即级配范围的上限､中限､下限和上顶下底及下顶上底,见表1｡本文只采用中限和上顶下底及下顶上底三种级配,中限级配采用根据现场材料情况调整趋向规范中值级配(GD)｡混合料配合比中,水泥剂量定为5%,粉煤灰剂量定为10%,即配合比是水泥:粉煤灰:碎石为5:10:85｡
采用重型击实试验方法确定水泥稳定碎石混合料最佳含水量和最大干密度｡具体试验方法参照《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》(JTJ057-94),养生温度20±2℃,养生湿度90%,养生期的最后一天浸水24小时｡最佳含水量和最大干密度试验结果如表2所示:
1.2 设计思想
选择良好的集料级配,适当的水泥粉煤灰比例,确定混合料合理的集料､结合料含量,从而设计出具有良好路用性能的混合料｡以最大干密度的结合料来填充集料间的空隙,提高了混合料的最大干密度,从而改善混合料的力学性质,提高了掺粉煤灰水泥稳定碎石基层各方面的路用性能指标｡
1.3 设计方法步骤
(1)级配选择｡各种不同粒径的集料,按照一定比例搭配起来,才能达到较高的密实度和较大的摩擦力｡因此,要求碎石集料有一定的级配｡但施工时所用碎石集料颗粒不均匀,原材料级配基本不符合工程使用要求｡所以,原材料选定后,要对集料进行级配设计和级配调整,使其合成级配尽量满足设计级配的要求｡
(2)水泥粉煤灰结合料比例的确定｡结合料的具体比例,由结合料的强度试验确定｡
(3)其他路用性能检验｡初步拟定配合比后,综合考虑混合料的抗拉性､刚度､耐久性､抗疲劳性､抗裂性等路用性能,得出最佳粉煤灰含量,从而确定最佳配合比｡
(4)最佳级配确定｡在确定最佳粉煤灰剂量后,变化集料级配,通过混合料路用性能验证,分析规范中三种典型级配对混合料路用性能的影响,得出最佳级配｡
2 贝雷法在水泥稳定碎石级配设计中的应用
根据贝雷法对混合料嵌挤状况的评价方法,对以上所选的5种不同级配对应的CA值､FAc值和FA f值进行计算,计算结果见表3:
由表3可以看出,级配XS和下限的CA值均在0.4～0.8之间,集料级配所形成的骨架结构较好,混合料比较容易压实｡
级配GD､上限和SX级配的CA值分别为1.14､1.12和0.98,大于或接近1.0,表明细集料较多,粗颗粒较少,互相之间不能完全嵌挤,处于一种悬浮状态｡但同时,FAc和FAf都在建议范围之内,说明其细集料均符合嵌挤结构｡ 3 性能研究
3.1 强度特性研究
水泥稳定碎石基层的力学性能主要包括无侧限抗压强度和劈裂强度｡笔者通过不同龄期混合料的力学性能指标,来研究随着级配的变化混合料的力学性能变化｡
(1)无侧限抗压强度｡
三种混合料强度随着龄期的增长而增大,但是强度随龄期的增长的幅度不同｡
混合料要形成较好的强度,既要有足够的结合料粘结集料,又要有合理级配的集料形成坚实的骨架｡水泥稳定碎石7天抗压强度顺序大小依次为XS-10>GD-10>SX-10｡其中XS级配骨架结构较好,说明骨架结构对早期强度起主要作用｡180天抗压强度由大到小依次为GD-10>SX-10>XS-10｡其中,级配GD和SX密实型较好｡由此可见,结构密实性对混合料的后期强度影响较大｡
骨架结构对混合料早期强度其主要原因是,在抗压试验中,初期的破坏主要现象是石料与石料之间的分离,破坏的原因是硬化后的水泥､细集料部分强度不是很高,不能给粗集料骨架提供必要的约束｡初期时粗集料骨架的约束作用在逐渐增强,粗集料骨架作用得以发挥｡所以混合料粗集料形成良好的骨架结构,在龄期较短时混合料的抗压强度比悬浮密实混合料的抗压强度高一些｡
(2)劈裂强度｡
三种水泥稳定碎石混合料强度随着龄期的增长而增大,但是强度随龄期的增长的幅度不同｡不同级配的水泥稳定碎石劈裂强度的顺序大小依次为GD-10>SX-10>XS-10｡其一般规律是级配越粗,劈裂强度就越低｡
产生这样规律的原因是,与抗压强度试验不同,混合料中粗集料是否相互嵌挤形成骨架,以及集料之间内磨阻力对劈裂强度影响不大｡对无机结合料稳定粒料土劈裂强度影响更多的是混合料中的粘结力以及水泥石与集料交界面过渡区的抗拉强度｡
3.2 刚度特性研究
水泥稳定碎石刚度特性主要研究其抗压回弹模量值｡
随着龄期的增长,水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量总体上呈上升的趋势｡龄期为90天的抗压回弹模量其大小顺序为:GD-10>XS-10>SX-10｡掺10%粉煤灰水泥稳定碎石的抗压回弹模量值1500MPa附近波动,即随着级配的变化抗压回弹模量值变化不大｡
产生这样规律的原因是,集料的弹性模量及它在整个混合料中的所占的体积,对无机结合料稳定粒料土的模量有很大的影响｡集料的刚度影响集料约束水泥石应变的能力,坚硬致密的集料弹性模量大,用它们配制的水泥稳定碎石模量较高,通常集料弹性模量比水泥水化后形成的水泥石弹性模量大｡因此,集料在混合料中所占的体积不变时,混合料的抗压回弹模量变化不大｡
3.3 温缩特性研究
(1)温缩系数随温度的变化关系｡
试验结果可以得出:
龄期为28天,水泥粉煤灰剂量相同条件下,根据掺粉煤灰水泥稳定碎石基层在低温段､高温段和总体上的平均温度收缩系数变化情况,可以得出平均温度收缩系数大小排序为:XS-10>GD-10>SX-10｡
影响水泥稳定材料热胀缩性的主要因素包括各组成矿物的含量和热胀缩性质以及结构的强度｡将水泥稳定类的各组成部分的热胀缩系数汇总如下:
各种胶结物､粘土矿物及次生矿物具有较大的热胀缩系数,而集料中的原生矿物一般有较小的热胀缩系数｡
级配的0.075mm及以下填料含量的排列顺序是:XS-10> GD-10>SX-10｡可见,温缩系数与填料含量有非常明显的相关性,填料含量多,则温缩系数大;填料含量少,则温缩系数小｡这其中的主要原因可能与填料中的次生矿物有关,因为次生矿物的温缩系数较大｡还有,随着填料含量的增加,集料总体比表面积增加,从而水泥稳定材料中新生胶结物质的分散度增加,导致胶结物质对温缩性的贡献增加,宏观表现为温缩系数增大｡
4 混合料路用性能综合分析
我国《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)规定:以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标,计算路面结构层厚度｡对高速公路､一级公路､二级公路的沥青混凝土面层和半刚性材料的基层､底基层应进行层底拉应力的验算｡
《公路工程基层施工技术规范》(JTJ034-2000)对于半刚性基层材料仅仅规定了7天的饱水抗压强度这一个指标,其他指标没有作具体的明文规定,因此有必要对各种指标进行综合分析,以确定各种指标间的关系,使得在设计施工时,对各种指标都有所考虑｡另外,综合考虑了抗压强度､劈裂强度､抗压回弹模量､温缩开裂系数､干缩开裂系数､抗冲刷性能等一系列的指标后,能否找到一种满足上面各种性能的一种配合比｡
水泥稳定碎石各种路用性能在要求往往是互相矛盾或互相制约的,照顾了某一种性能,很可能降低另一方面的性能｡因此,为了使水泥稳定碎石基层在使用过程中各种性能找到一个最佳结合点,使用简单加权的方法对多指标进行综合分析｡
该种方法就是在考虑水泥稳定碎石的各种性能同等重要的前提下(权值相同),以不同试验方案在试验过程中所得的各性能优劣简单排序,然后数值相加,根据总积分值来讨论不同方案的综合使用性能,总积分值越小,则该方案的综合路用性能越好｡
关键词:水泥稳定碎石;级配;路用性能
1 混合料组成及配合比设计
1.1 混合料组成
在研究掺粉煤灰水泥稳定碎石时,应根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中水泥稳定碎石的级配范围,考虑了规范范围内典型的五种级配,即级配范围的上限､中限､下限和上顶下底及下顶上底,见表1｡本文只采用中限和上顶下底及下顶上底三种级配,中限级配采用根据现场材料情况调整趋向规范中值级配(GD)｡混合料配合比中,水泥剂量定为5%,粉煤灰剂量定为10%,即配合比是水泥:粉煤灰:碎石为5:10:85｡
采用重型击实试验方法确定水泥稳定碎石混合料最佳含水量和最大干密度｡具体试验方法参照《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》(JTJ057-94),养生温度20±2℃,养生湿度90%,养生期的最后一天浸水24小时｡最佳含水量和最大干密度试验结果如表2所示:
1.2 设计思想
选择良好的集料级配,适当的水泥粉煤灰比例,确定混合料合理的集料､结合料含量,从而设计出具有良好路用性能的混合料｡以最大干密度的结合料来填充集料间的空隙,提高了混合料的最大干密度,从而改善混合料的力学性质,提高了掺粉煤灰水泥稳定碎石基层各方面的路用性能指标｡
1.3 设计方法步骤
(1)级配选择｡各种不同粒径的集料,按照一定比例搭配起来,才能达到较高的密实度和较大的摩擦力｡因此,要求碎石集料有一定的级配｡但施工时所用碎石集料颗粒不均匀,原材料级配基本不符合工程使用要求｡所以,原材料选定后,要对集料进行级配设计和级配调整,使其合成级配尽量满足设计级配的要求｡
(2)水泥粉煤灰结合料比例的确定｡结合料的具体比例,由结合料的强度试验确定｡
(3)其他路用性能检验｡初步拟定配合比后,综合考虑混合料的抗拉性､刚度､耐久性､抗疲劳性､抗裂性等路用性能,得出最佳粉煤灰含量,从而确定最佳配合比｡
(4)最佳级配确定｡在确定最佳粉煤灰剂量后,变化集料级配,通过混合料路用性能验证,分析规范中三种典型级配对混合料路用性能的影响,得出最佳级配｡
2 贝雷法在水泥稳定碎石级配设计中的应用
根据贝雷法对混合料嵌挤状况的评价方法,对以上所选的5种不同级配对应的CA值､FAc值和FA f值进行计算,计算结果见表3:
由表3可以看出,级配XS和下限的CA值均在0.4～0.8之间,集料级配所形成的骨架结构较好,混合料比较容易压实｡
级配GD､上限和SX级配的CA值分别为1.14､1.12和0.98,大于或接近1.0,表明细集料较多,粗颗粒较少,互相之间不能完全嵌挤,处于一种悬浮状态｡但同时,FAc和FAf都在建议范围之内,说明其细集料均符合嵌挤结构｡ 3 性能研究
3.1 强度特性研究
水泥稳定碎石基层的力学性能主要包括无侧限抗压强度和劈裂强度｡笔者通过不同龄期混合料的力学性能指标,来研究随着级配的变化混合料的力学性能变化｡
(1)无侧限抗压强度｡
三种混合料强度随着龄期的增长而增大,但是强度随龄期的增长的幅度不同｡
混合料要形成较好的强度,既要有足够的结合料粘结集料,又要有合理级配的集料形成坚实的骨架｡水泥稳定碎石7天抗压强度顺序大小依次为XS-10>GD-10>SX-10｡其中XS级配骨架结构较好,说明骨架结构对早期强度起主要作用｡180天抗压强度由大到小依次为GD-10>SX-10>XS-10｡其中,级配GD和SX密实型较好｡由此可见,结构密实性对混合料的后期强度影响较大｡
骨架结构对混合料早期强度其主要原因是,在抗压试验中,初期的破坏主要现象是石料与石料之间的分离,破坏的原因是硬化后的水泥､细集料部分强度不是很高,不能给粗集料骨架提供必要的约束｡初期时粗集料骨架的约束作用在逐渐增强,粗集料骨架作用得以发挥｡所以混合料粗集料形成良好的骨架结构,在龄期较短时混合料的抗压强度比悬浮密实混合料的抗压强度高一些｡
(2)劈裂强度｡
三种水泥稳定碎石混合料强度随着龄期的增长而增大,但是强度随龄期的增长的幅度不同｡不同级配的水泥稳定碎石劈裂强度的顺序大小依次为GD-10>SX-10>XS-10｡其一般规律是级配越粗,劈裂强度就越低｡
产生这样规律的原因是,与抗压强度试验不同,混合料中粗集料是否相互嵌挤形成骨架,以及集料之间内磨阻力对劈裂强度影响不大｡对无机结合料稳定粒料土劈裂强度影响更多的是混合料中的粘结力以及水泥石与集料交界面过渡区的抗拉强度｡
3.2 刚度特性研究
水泥稳定碎石刚度特性主要研究其抗压回弹模量值｡
随着龄期的增长,水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量总体上呈上升的趋势｡龄期为90天的抗压回弹模量其大小顺序为:GD-10>XS-10>SX-10｡掺10%粉煤灰水泥稳定碎石的抗压回弹模量值1500MPa附近波动,即随着级配的变化抗压回弹模量值变化不大｡
产生这样规律的原因是,集料的弹性模量及它在整个混合料中的所占的体积,对无机结合料稳定粒料土的模量有很大的影响｡集料的刚度影响集料约束水泥石应变的能力,坚硬致密的集料弹性模量大,用它们配制的水泥稳定碎石模量较高,通常集料弹性模量比水泥水化后形成的水泥石弹性模量大｡因此,集料在混合料中所占的体积不变时,混合料的抗压回弹模量变化不大｡
3.3 温缩特性研究
(1)温缩系数随温度的变化关系｡
试验结果可以得出:
龄期为28天,水泥粉煤灰剂量相同条件下,根据掺粉煤灰水泥稳定碎石基层在低温段､高温段和总体上的平均温度收缩系数变化情况,可以得出平均温度收缩系数大小排序为:XS-10>GD-10>SX-10｡
影响水泥稳定材料热胀缩性的主要因素包括各组成矿物的含量和热胀缩性质以及结构的强度｡将水泥稳定类的各组成部分的热胀缩系数汇总如下:
各种胶结物､粘土矿物及次生矿物具有较大的热胀缩系数,而集料中的原生矿物一般有较小的热胀缩系数｡
级配的0.075mm及以下填料含量的排列顺序是:XS-10> GD-10>SX-10｡可见,温缩系数与填料含量有非常明显的相关性,填料含量多,则温缩系数大;填料含量少,则温缩系数小｡这其中的主要原因可能与填料中的次生矿物有关,因为次生矿物的温缩系数较大｡还有,随着填料含量的增加,集料总体比表面积增加,从而水泥稳定材料中新生胶结物质的分散度增加,导致胶结物质对温缩性的贡献增加,宏观表现为温缩系数增大｡
4 混合料路用性能综合分析
我国《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)规定:以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标,计算路面结构层厚度｡对高速公路､一级公路､二级公路的沥青混凝土面层和半刚性材料的基层､底基层应进行层底拉应力的验算｡
《公路工程基层施工技术规范》(JTJ034-2000)对于半刚性基层材料仅仅规定了7天的饱水抗压强度这一个指标,其他指标没有作具体的明文规定,因此有必要对各种指标进行综合分析,以确定各种指标间的关系,使得在设计施工时,对各种指标都有所考虑｡另外,综合考虑了抗压强度､劈裂强度､抗压回弹模量､温缩开裂系数､干缩开裂系数､抗冲刷性能等一系列的指标后,能否找到一种满足上面各种性能的一种配合比｡
水泥稳定碎石各种路用性能在要求往往是互相矛盾或互相制约的,照顾了某一种性能,很可能降低另一方面的性能｡因此,为了使水泥稳定碎石基层在使用过程中各种性能找到一个最佳结合点,使用简单加权的方法对多指标进行综合分析｡
该种方法就是在考虑水泥稳定碎石的各种性能同等重要的前提下(权值相同),以不同试验方案在试验过程中所得的各性能优劣简单排序,然后数值相加,根据总积分值来讨论不同方案的综合使用性能,总积分值越小,则该方案的综合路用性能越好｡
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200904/13969.htm
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