浅谈骨架密实型水稳基层特性及配合比设计

李 井

1 水泥稳定碎石的材料特性及裂缝成因

半刚性基层主要是水泥处治的复合材料，即如水泥稳定碎石、水泥石灰二灰碎石等。其基本特征是结构强度高，抗变形能力较弱且不确定性。对半刚性材料特性起决定性作用主要包括集料颗粒形状，表面结构和颗粒级配等可靠的“集料认同特性”。因此集料总体要求是:应采用抗冲刷性能好，干缩系数与温缩系数小和抗拉强度高。水泥稳定碎石基层，同二灰碎石一样，最大的通病就是收缩开裂。

水稳基层的温缩、干缩开裂，是引起路面反射裂缝的主要原因。基层开裂，在扩展至道路表面之前是不可见的。一般表现过程是:起初大多出现于结构两侧，逐渐发展而呈现出近于垂直道路中线且贯穿路幅宽度的横向裂缝，有时也有少量支缝。裂缝宽度肉眼可见，约1mm～2mm。根据裂缝均有上宽下窄的共同特点和裂缝间距大小不尽等同，但一般每隔一定距离，便产生一道裂缝的比较规则现象，可以判定是属于非荷载型裂缝。这种非荷载型裂缝，潜在着向路面反射会致使面层开裂之隐性危害，在路面结构中，称为基层反射裂缝。概括的说，基层反射裂缝是指半刚性基层先于沥青面层开裂，随后在荷载应力和温度应力的共同作用下，在基层开裂处相对应的面层底部，即产生应力集中而导致面层底部开裂，尔后逐渐向上扩张而使裂缝贯穿。面层呈现的裂缝宽度约在0.1mm～2mm之间，若是裂缝暴露时间过长，宽度达到3mm～4mm的也有。

2 骨架密实水泥稳定碎石的结构及适用条件

划分基层主要根据集料级配和混合料的结构形态，以筛孔尺寸4.75mm为粗、细集料的分界粒径，按4.75mm以上的粗集料经压实后，颗粒间空隙与压实后起填充作用的小于4.75mm的细集料体积之间关系来确定。骨架密实型混合料中，细集料的压实度体积应“临界”于粗集料形成的空隙体积，粗集料在压实混合料中有一定“骨架作用”。这种混合料因为断去(或缺少)了中间一个或两个档次粒径，所得到的级配曲线是近似S状态的弯折曲线，具有间断级配性质。在级配上，骨架密实型4.75mm通过量仅占集料总量的1/4～1/3，不像悬浮密实型4.75mm通过量占集料总量的1/3～1/2。显然骨架密实型的粗集料相对较多，细集料相对较少，则既有较多数量的粗集料可形成骨架，又有相当数量的细集料可填充骨架的空隙，但非非常饱满致密程度。根据相关研究表明:在水泥剂量、养生条件相同时，骨架密实型的抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度、抗折强度及抗折回弹模量在三种水稳类型中综合表现评价是最好的，且骨架密实型的平均温缩系数、平均干缩系数小于悬浮密实型，骨架空隙的两种收缩系数最小。骨架密实型水泥稳定基层主要使用在一级公路以上的基层或上基层宜适用骨架密实型混合料。

3 骨架密实型水泥稳定碎石集料的最大粒径及级配范围

JTG D50-2006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，不同类型水泥稳定碎石的集料级配见表2。

表1 骨架密实型水泥稳定类级配

表2 不同类型水泥稳定碎石的集料级配

4 骨架密实型水泥稳定碎石基层的实施运用

水泥稳定碎石基层的集料级配，基本上都是按最大密实原理设计的连续级配，也是最为传统的连续密实级配，但是级配曲线并非非常致密的所谓曲线指数n=0.3～0.5的，在最大粒径为D的集料中，其筛孔d的通过率ρ(%)=(d/D)n的幂式级配曲线，或者其他类似接近椭圆形、抛物线形等连续密实级配的理想级配曲线。到后来，对2.36mm以下的细集料含量，尤其是0.075mm以下的细料含量的限制提高，连续级配相应得到改良，但均属于悬浮密实型基层材料。

早期施工的水泥稳定碎石基层，由于细颗粒部分较多，粗集料已经很难形成嵌挤，基层的强度主要依靠无机结合料的剂量。有人认为水泥越多越好(只控制最低剂量，不控制最高剂量，甚至水泥剂量超过5.5%～6%)，强度越高越好，这使半刚性基层强度相应提高，但脆性也相应增大，结果产生收缩开裂及引起反射性裂缝。并通过裂缝反射到路面，成为沥青面层的水害破坏的重要原因。

工程实践证明，随着混合料中4.75mm，2.36mm 和0.075mm的通过量减少，尤其是0.075mm的通过量减少，增加粗粒料用量，对抗裂和抗冲刷性能明显提高。

5 必须注重集料级配和混合料配合比控制

骨架密实状态是否形成是混合料组成的关键。必须根据具体级配和混合料配合比进行检验。

1)集料级配必须符合“骨架密实型”级配范围。

在混合料级配合成中须把握好粗、细集料合成曲线上的9.5mm，4.75mm，2.36mm 和 0.075mm 等几个起控制作用的关键点通过率。若当其中任何一个点波动变化，则拉动着整个级配的波动变化。集料最大粒径以31.5mm为佳。

2)骨架密实型混合料组成设计。

确定骨架密实状态的基本方法，是在确定级配试验时，应先将粗集料分成2档～3档，通过表面振动压实的方法，逐级填充，并计算振动密实度和空隙率，直到找到振实密度最大的粗集料组成，在此基础上用体积法计算确定细集料与结合料的压实体积和重量，从而确定细集料的组成和结合料的比例。

实际设计混合料组成的基本步骤:集料最大粒径为31.5mm，分为1号16mm ～31.5mm，2号 4.75mm ～16mm，3号 0mm ～4.75mm三种规格，根据各号料的筛孔通过百分率，按照合成级配规范要求，得出每种规格比例通过百分率，绘制级配图。完成集料合成计算;再根据设计水泥剂量，如水泥剂量为5.5%的基层，可按照4%，4.5%，5%，5.55%，6%水泥剂量进行击实试验，确定各种混合料的最佳含水量和最大干密度;按照设计规定的压实度，分别计算不同的水泥剂量的试件干密度，但试件不应按击实试验所得的最大干密度制作，而是应按与规定的现场压实度相应的干密度制作。

施工过程中，不宜一个配合比用到底，使用过程中，应对集料级配和混合料配合比进行校核检验，因粗细集料这类散粒材料的离散性、不均匀性因素，将直接影响到压实度。压实度的大小取决于实测的压实度，同样也与标准密实度的大小有关，如果标准密度值发生变化，则检测的压实度百分率就不准确，甚至误判合格。

3)必须严格控制集料中小于0.075mm颗粒的含量。

级配标准要求通过0.075mm的含量不大于3%。小于0.075mm颗粒来源于颗粒上粘土涂覆和石料破碎作业形成的过分粉尘。试验中，用湿筛法清除通过0.075mm的颗粒—粘土与脆弱颗粒或絮凝粘土、粉尘，均被归类为含泥量。

含泥量过大，使混合料的水稳性不足，集料之间粘性差，若以团块形式存在，其危害性更大:a.团块在碾压作用下，位于或临近表面，易发生槽坑式损坏;b.团块存在于混合料中，最终因干、湿作用被破碎而引起剥落、松散。

含泥量过大，对骨架密实型混合料来说，是一种扰乱因子:a.因小于0.075mm的颗粒，具有亲水保水性，而额外耗用了水分其耗用量难定，使混合料最佳含水量遭受干扰;b.由于上述原因使混合料含水量控制较难，含水量多时“料湿”，碾压易“反弹”，含水量少时“料干”，甚至有离析，压实困难。0.075mm以下颗粒成分主要是絮凝粘土、矿料和粉尘，规范规定集料中不宜含有有塑性指数的土。含有塑性指数的土时，其收缩性大，反之，收缩性小。塑性指数(PI)是量度通过0.075mm筛孔材料的塑性程度，一般都有严格限制。对含泥量的有效控制，最好从石料场生产碎石集料源头抓起。

骨架密实型水泥稳定碎石基层，自2000年起在河南、河北、山东等北方地区开始实施，近些年已陆续推广到湖南、广西、上海等南方省市。实践证明，在路面工程施工中，按照骨架密实型集料级配要求，并努力控制好含水量等系列减少干燥收缩和温度收缩的措施，使得路面的收缩开裂的反射裂缝有了明显的减少，间距有了明显的拉长。有些沥青面层较厚的高速公路甚至几乎很少发现反射裂缝。

［1］ JTJ 014-97，公路沥青路面设计规范［S］.

［2］ JTJ 057-94，公路无机结合料稳定材料试验规程［S］.

［3］ 张登良，郑南翔.半刚性材料抗裂性能研究［D］.西安:长安大学，1988:30-40.

［4］ 张红春.骨架密实路面理论及配套施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.