基于卵石材料水泥稳定基层组成设计

基于卵石材料水泥稳定基层组成设计

李成

中交一公局第四工程有限公司

[摘要]：水泥稳定砂砾基层具有强度高、造价低廉、原材料来源广等优点，因此能够很好的适应就地取材地区的交通条件、自然条件和经济条件。本文以新水稳基层为依托，通过室内试验对水泥稳定砂砾基层基层组成设计及相关施工工艺进行研究，提出提高卵石强度的最佳方法及适宜的施工工艺，为同类条件施工项目提供参考依据。

[关键词]：  卵石   无侧限抗压强度  配合比

1、引言

水泥稳定砂混合料的力学性能与它的材料组成有着非常密切的关系，混合料受力变形特性是其材料特性、比例关系等因素的综合反映，因此混合料的材料组成与其材料级配、材料力学性能及各组成部分之间的相对含量密切相关。当组成水泥稳定砂砾混合料材料发生变化时，混合料的力学特性也会发生变化。在水泥稳定砂砾混合料要确保粗骨料骨架的形成，充分发挥粗骨料之间的内摩阻力，从而抵抗外部荷载。细集料指小于4.75mm的集料，包括天然砂、机制砂、石屑等，主要起填充粗料空隙，形成整体密实结构的作用。细集料的类型和用量不仅直接影响到水泥稳定材料的抗压强度，并影响到基层材料的干缩性、水稳定性和抗冲刷能力。

本文结合项目使用的卵石材料，结合不同替换材料、比例对水泥稳定砂砾强度进行试验研究，提出改善水泥稳定砂砾（卵石）强度的优化方案。

2、原材料技术指标

2.1 砂砾集料

筛分场所用筛分材料以圆形、亚圆形为主，粒径一般为20-60mm，最大为150mm，级配较好，骨架颗粒含量70%左右，充填20%左右的中粗砂及10%左右的粘性土。依据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）要求生产集料最大粒径31.5mm，1#料10～30mm、2#料10～20mm、3#料5～10mm、4#料0～5mm。材料规格及外观如图1-图2，经检验各种规格集料试验结果符合规范要求。

粗集料试验结果见表1。

表1粗集料试验结果 

细集料试验结果见表2。

表2细集料试验结果  

2.2 水泥

采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5，试验结果如表3。

表3水泥试验结果

2.3 水

拌合水采用饮用水，经试验检测各项技术指标符合设计及规范要求。

3、基础试验

3.1推荐级配

结合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015），在级配C-B-3基础上，考虑关键筛孔4.75mm、0.075mm通过率，提出如下级配，合成级配如4。

表4 合成级配通过率

3.2击实试验

采用4%～6%水泥剂量进行击实试验，试验结果见表5，根据击实试验结果，成型无侧限抗压强度试件，养生6天，浸水1天后进行强度试验，试验结果如表5。

表5 不同水泥剂量击实试验及无侧限抗压强度结果

通过以上数据可知，材料击实试验结果符合预期，但是无侧限抗压强度偏低，结合K35筛分场卵石10-30mm和10-20mm粗集料为圆砾石、无破碎面、材料粉尘含量大等问题，因此对K35筛分场材料进行优化。

4、优化试验

4.1粗骨料改良方案

对K35筛分场10-30材料采用K29面层加工碎石进行替换，替换比例50%（另外50%为K35筛分砾石）和100%、K35筛分场10-20用K67筛分场10-20mm破碎砾石替换，材料替换后级配曲线如图3。

4.2细集料改良方案

对K35筛分场细集料进行优化，采用混凝土用水洗砂、K67筛分场0-4.75m、面层细料（3-5、0-3）替换K35筛分场0-4.75mm材料，级配曲线如图4。

图3 粗集料优化级配曲线                    图4细集料优化级配曲线

4.3试验结果

依据不同改良方案，基准为K35筛分场生产各档材料，成型4%和5%水泥剂量无侧限抗压强度试件，粗集料改良后试件强度如图5，细集料改良后试件强度如图6。

图5粗集料改良强度曲线                   图6细集料改良强度曲线

基础试验10-30mm卵石占集料的22%，水泥剂量在4%时，强度由基准强度2.0MPa，对该档材料进行替换，比例由50%到至100%，分别提升至3.01MPa和3.30MPa，当水泥剂量5%时，强度由为由基准强度3.0MPa，分别提升至3.54MPa和4.30MPa，表明替换10-30mm碎石比例越大，强度提升越高，水泥剂量越高，强度提升越高。

基础试验10-20mm碎石比例最高占集料的34%，对改档材料进行替换，当水泥剂量4%时，无侧限抗压强度由基准的2.0MPa提高到3.0MPa，5%水泥剂量时，由基准的3.0MPa提高到3.45MPa，表明替换2#料（10-20mm）对强度改善帮助，但效果不如1#料（10-30mm）明显。

替换细集料（0-4.75mm）强度提升明显，当水泥剂量为4%时，替换混凝土用砂强度3.2MPa，替换K67筛分场0-4.75mm细颗粒，强度提高到3.6MPa，替换面层石屑，强度提高至4.1MPa，当水泥剂量为5%时，替换混凝土用砂强度4.0MPa，K67筛分场0-4.75mm细颗粒，强度提高到4.8MPa，替换面层石屑，强度提高至5.0MPa。

4.4数据分析

从强度曲线可以看出，替换细集料，试件强度提高较大，效果比替换大粒径碎石明显，但不同种类细集料，对强度影响不一样，替换所用细集料的级配组成如表6。

表6替换细集料通过率

细集料中细料含量较少时，细度模数最大的K35筛分场细集料中细料最少，其细集料无法填充到粗料间的孔隙，难以形成密实结构，粗料之间形成骨架空隙结构，抗压强度主要来源于骨料的嵌挤作用，水泥在低剂量的条件下无法和细集料形成水泥浆粘结粗集料，因而强度较低。石屑作为细料比利用砂作为细料有更高的抗压强度，石屑比砂更细，更有利于降低孔隙率和发挥粘结作用，由于利用石屑作为细料的试件更平整，成型更好，提高了抗压面积，抗压强度比用砂好，尤其在现行试验条件下，砂作为细料成型的7d抗压强度试验是无侧限试验，使得试件边缘处的集料在压力作用下更容易松散散落，导致整个试件的破坏，强度较低。

5、验证试验

5.1级配组成

采用 K67筛分场（10-30）碎石替换K35筛分场（10-30）碎石，比例分别为50%、100%，细集料（0-4.75mm）全部采用K67筛分场细集料，试验结果如表7。

表7替换粗骨料和细集料试验结果

通过图6强度曲线，仅替换K67筛分场细集料，水泥剂量4.5%，强度平均值4.2MPa（水泥剂量4%和5%取平均值），再替换有棱角性的1#粗骨料，更有利于强度提升，随着替换比例由50%增长至100%，试件强度由5.0MPa提高至5.5Mpa，以上数据表明材料大粒径颗粒棱角性越好，细集料越细，材料整体强度越高。同时将K67筛分场4档破碎砾石材料成型试件，水泥剂量相同时，该材料强度最高，表明破碎砾石粗骨料棱角性好，细集料细度模数2.38，4.5%水泥剂量时，强度达到6.3MPa；K35筛分场粗骨料和细集料同时替换成K67筛分场破碎砾石和0-4.75mm细集料，强度提升至5.5MPa，充分说明有棱角性骨料和细集料对水稳试件强度的显著影响。

5.2成型方式验证

采用振动成型设备对K35筛分场材料进行试验，采用K67拌合站0-4.75m替换K35筛分场0-4.75mm，强度统计结果如表8。

表8振动成型方式无侧限抗压强度结果

采用振动设备成型试件，4%水泥剂量时，试件强度由3.6MPa提高至5.6MPa，5%水泥剂量时，试件强度由4.8MPa提高至8.5MPa，振动成型方式更接近现场压实功效，因此表明采用振动成型方式的试件更能反应材料真实的强度，有利于水泥剂量的选择。

6、结论

通过对K35筛分场筛分卵石进行室内试验，通过力学性能分析得出如下结论：

1、破碎砾石表面包裹砂浆的程度比卵石表面的大，粗骨料一般棱角性较多，且表面较粗糙，容易黏附水泥等结合料，骨料颗粒表面粗糙、能形成良好的骨架结构，基层材料选择时，破碎砾石或加工碎石更有利于骨架形成，最大一档材料的骨架作用较其他粒径最明显。

2、在细集料比例相同时，细度模数越小、棱角性好的细集料对材料强度影响较大，石屑作为细料比利用砂作为细料有更高的抗压强度，石屑比砂更细，更有利于降低孔隙率和发挥粘结作用。

3、细集料对材料强度影响较粗骨料影响较大，水泥剂量相同时，替换粗集料无侧限抗压强度提高1MPa，替换细集料强度可提高2MPa，因此优化基层配合比应首先从细集料着手，材料丰富时，替换起骨架作用的最大一档材料和其填充作用的细集料，效果更明显。

4、振动成型反应材料真实强度，有利于选择合适的水泥剂量。

参考文献：

1、《公路路面基层施工技术细则》(JTG-F20-2015)；

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