矿质混合料配合比设计及路用性能试验分析

◎ 深圳市盐田港建筑工程检测有限公司 刘永红

1.问题的提出

在我国高等级公路的建设中，半刚性材料被用作公路路面的基层材料，并在目前的公路建设中占有越来越重要的位置。在这些材料中，特别是水泥稳定碎石基层具有较高的强度和承载能力，主要表现在具有较高的抗压强度和刚度，一定的抗弯拉强度，并且它们都具有随着龄期不断增长的特性，因此水泥稳定碎石基层通常具有较小的变形和荷载扩散能力。修在这种基层材料的沥青面层弯拉应力值相应较小，从而提高了沥青面层抵抗车荷载疲劳破坏的能力，其次，它还具有较好的稳定性。

尽管水泥稳定碎石混合料被用作路面基层时有诸多优点，但并不是所有采用水泥稳定碎石混合料作路面基层的道路结构都能获得预期的效果。随着水泥稳定碎石混合料在我国的大量使用，逐渐发现把它用于基层时也存在着一些有待解决的问题。

由于水泥稳定碎石呈脆性，且对温度、湿度的变化比较敏感，在施工及使用过程中，会在温度或湿度交替变化时容易产生收缩开裂。从己建成的高速公路使用调查来看，水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝问题日益突出，并己成为该结构的主要缺陷。

早期的裂缝对行车并无明显的影响，但随着表面雨水的侵入，在大量行车荷载反复作用下，会导致路面强度明显下降，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，影响了沥青路面的使用性能。

鉴于上述问题，有必要对水泥稳定碎石混合料作为基层的配合比设计、路用性能进行试验分析，寻求一种比较合理的集料级配，使其呈现较好的路用性能。这对最大限度地减少收缩裂缝，延长道路使用寿命，有着一定的现实意义。

2.矿质混合料的配合比设计

2.1 水泥稳定碎石组成级配类型

2.1.1 连续级配（骨架密实结构）

连续级配是某一矿料在标准套筛中进行筛分后，矿料的颗粒由大到小连续分布，每一级都占有适当的比例。三轴试验表明，这种结构的混合料不仅具有较高的内摩阻角，而且具有较高的粘结力。属于这种结构类型的水泥稳定碎石混合料具有最优的力学性能，抗收缩性能和抗冲刷性能等。

2.1.2 间断级配（悬浮密实结构）

在矿料颗粒分布的整个区间内，从中间剔除一个或几个连续粒级，形成一种不连续的级配。这种结构中的细集料较多，而粗集料较少，且相互之间没有接触，不能形成骨架粗颗粒，犹如悬浮于细颗粒之中。三轴试验表明，该种结构虽然具有较高的粘结力，但内摩阻角较低，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载的作用下，易产生破坏。按这种结构修筑的水泥稳定碎石基层，其路用性能受结合料性质的影响较大，特别是其抗收缩性能较差，基层容易产生收缩裂缝，裂缝的产生严重破坏了基层的整体性，这样很容易造成路面结构的破坏，因此，应避开集料形成悬浮密实结构。

2.1.3 连续开级配（骨架空隙结构）

整个矿料颗粒分布范围较窄，从大到小仅在数个粒级上以连续的形式出现，形成连续开级配。在这种结构中，一般是粗集料较多，而细集料数量过少，集料能够形成骨架，但其残余空间较大。三轴试验表明，虽然这种结构粘结力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力。因此形成的水泥稳定级配碎石层，受结合料性质的影响较小，因而其具有收缩性能较好。但这种结构的空隙率太大，使基层的耐久性受到影响。

综上所述，矿质混合料中各组成成分的空间位置排列不同，就会导致混合料整体性质发生变化，而连续级配中的骨架密实结构汲取了悬浮密实结构和骨架空隙结构的优点。在振碾工艺条件下，骨架密实结构能够合粗细集料之间的紧密嵌挤作用发挥出来，提高混合料各方面的性能指标。

2.2 矿料的组成设计方法

由于工程实际中由料场提供的各规格集料往往很难直接满足设计级配的要求，所以往往要采用两种或两种以上集料结合起来使用。

2.2.1 计算法进行矿料的配合比设计

（1）建立基本计算方程

以三种规格的集料进行级配设计为例。设有A、B、C三种集料在某一筛孔上的分计筛余分别为αA（i）、αB（i）、αC（i），打算配制矿质混合料M，混合料M在相应筛孔上的分计筛余百分率为αM（i）。设A、B、C三种集料在混合料中的比例分别为X、Y、Z。则得下式。

（2）基本假设

在矿质混合料中，假定混合料中某一级粒径的颗粒仅由这三种集料中的一种集料来提供，而其他两种集料中不含这一粒径的颗粒，此时这两种集料相应的分计筛余百分率为零。如设在i粒级仅A集料在此粒级上存在分计筛余，其他两个集料B和C的分计筛余全部是零，从而简化计算过程。

（3）计算

根据上述假设，式（1-2）成为：

αA（i）X=αM（i）

而A集料在混合料中所占的比例为：

同理，按此假设可计算C集料在混合料中的比例。设在j粒级上其他两个集料A和B在该粒径上的分计筛余百分率也是零，则有：αC（j）Z=αM（j）

即C集料在混合料中的比例是：

最后得到B集料在混合料中的比例：

Y=100%-X-Z

（4）校核调整：

对以上计算得到的各集料比例即配合比要进行验算，如得到的合成级配不在所要求的级配范围，应调整初步配合比并重新验算，直到满足级配要求为止。

2.2.2 图解法进行级配设计

（1）绘制框图

按比例绘制一矩形框图，从左下向右上引对角线OO’，作为合成级配的中值，见下图2-1。纵坐标表示通过量百分率刻度；横坐标则表示筛孔尺寸，而各个筛孔具体位置则根据合成级配要求的某筛孔通过率百分率中值，在纵坐标上找出该中值的位置，然后从纵坐标引水平线与对角线相交，再从交点处向下做垂线，垂线与横坐标的交点即为该筛孔相应位置。依此类推，找出全部筛孔在横坐标上的具体位置。

（2）确定各集料用量

将参与级配合成的各集料的通过量绘制在框图中，用折线的形式连成级配曲线。假设以四种集料进行级配合成，根据框图中相邻两条级配曲线的关系，确定各集料在混合料中的掺配比例。

（a）重叠关系∶

相邻两条曲线相互重叠，图2-1集料A的级配曲线下部与集料B

图2-1

的级配曲线上部搭接。针对这种相邻关系，在两条级配曲线之间引一条垂线AA’，要求该垂线与集料A的级配曲线和集料B的级配曲线所截取的截距相等，即a=a’。此时垂线与AA’对角线OO’相交于点M，再通过点M引水平线与纵坐标交于P，OP线段的几何长度就是集料的A的用量比例。

（b）相接关系：相邻两条曲线首尾相接，图2-1中集料B的末

端与集料C的首端正好相接。针对这种相邻关系，此时只需从C集料的首端向B集料的末端引垂线BB’，该垂线与对角线OO’相交于点N，过点N引水平线与纵坐标交于点Q，则PQ线段的几何长度就是B集料的用量比例（%）。

（c）分离关系：相邻两条曲线分离，图2-1中集料C的级配曲线与集料D的级配曲线在水平方向彼此分离。此时做一条垂线CC’平分这段水平距离，要求b=b’。垂线CC’与对角线OO’交于点R，通过该点引水平线与纵坐标交于点S，则OS线段的几何长度就代表集料C的用量比例（%）。剩余的ST即为集料D的用量比例。

（d）与试算法相同，根据图解过程求得的各集料用量比例，计算出合成级配的结果。当合成级配超出级配范围时，说明图解法得到的比例不是很合适，需要进行各集料的用量调整，直到满足设计级配的要求为止。

2.2.3 计算法进行级配设计实例

［题目］深圳市大工业区金牛西路市政工程水泥稳定碎石层矿质混合料配合比设计

表2-1

［原始资料］现有5～31.5mm碎石、5～10mm碎石、石粉渣三种矿质材料，计算法过程列如表2-1

按计算法由此得出的水泥稳定级配碎石的掺入比例为：

5～31.5mm碎石占40%；

5～10mm碎石占30；

石粉渣占30%。

3.水泥稳定碎石基层路用性能研究

通过前面的试验，确定了水泥稳定碎石混合料配合比的试验方法，为了评价用以上方法进行配合比设计的效果，必须对设计的配合比进行一些路用性能试验。如力学性能、抗冲刷性能、抗收缩性能等指标。

3.1 力学性能分析

3.1.1 无侧限抗压强度随龄期增长规律

无侧限抗压强度是评价水泥稳定碎石混合料路用性能的一个重要指标,在《公路路面基层施工技术规范》(JGJ034-2000)中,对水泥稳定碎石混合料应用于各级公路的指标就是混合料7d无侧限抗压强度，但7d强度不能反映出其后期强度特性。对于水泥稳定碎石混合料的强度，不但要了解其早期的变化规律，还需要了解其发展规律。本文分别对水泥稳定碎石混合料的7d、28d、90D强度进行了测试，从而掌握其无侧限抗压强度长期性能的规律性。

将养生至龄期且饱水24h后的试件放在路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以约1mm/min的等速率增加进行抗压强度试验。

抗压强度结果表现如表3-1：

由上图可以看出，水泥稳定碎石混合料的强度随龄期的增加而增长，在龄期小于28d时，其强度增长幅度最大；在龄期大于28d时，强度基本上呈线性增长趋势且增长趋势变缓。《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）对水泥稳定碎石混合料用在高等级公路的基层时，7d的强度要求为3～5MPa。而用第二章的方法配制的水泥稳定碎石混合料的7d强度超过了这个范围的最大值的5%，28d超过最大值的20%左右。

3.1.2 抗压回弹模量试验

抗压回弹模量的测定采用顶面法。首先用水泥净浆和0.25～0.50mm的细砂将试件的两个端面整平并浸水24h。将浸水24h的试件取出用布擦干并放在加载底板上，在试件顶面撤少量的细砂，以增加顶板与试件的接触面积。把试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，然后安置千分表。安置千分表时，应使千分表的脚支在加载顶板直径线的两侧并离试件中心距离大致相等。为了能够使加载顶板与试件表面紧密接触，调整千分表的指针，以便试验过程中数据的记录。将预定的单位压力分成5～6个等分，作为每次放回的压力值。施加第1级荷载（为预定最大荷载的1/5），待荷载作用达1min时，记录千分表的读数，同时卸去荷载，让试件的弹性变形回复。到0.5min时记录千分表的读数。如此逐级进行，同时卸去荷载，让试件的弹性变形回复。以单位压力P为横坐标，以回弹形变为纵坐标，绘制曲线，修正曲线开始段的虚假变形。按下式计算回弹模量E：

E=PH/l

式中：P—单位压力（MPa）

H—试件高度（mm）

l—试件回弹变形（mm）

表3-3

回弹模量是路面结构设计的主要参数之一。在路面结构设计中，对基层的回弹模量要求是比较严格的。因为基层的路用性能对回弹模量的大小变化非常敏感，严重影响基层的抗裂性。试件在不同龄期的抗压回弹模量变化规律结果见表3-2

从图3-2可以看出，回弹模量增长规律同强度增长规律基本一致。回弹模量增长规律解释是：稳定类材料抗压回弹模量取决于原材料本身模量、反应生成物模量及其组成结构型式等。初期由于反应则进行，胶结料的形成不足以使混合料具有较高的强度，因此早期回弹模量主要由材料组成结构形成及原材料本身模量决定，所以表现为很小。随着反应的进行，胶结物不断生成，合颗粒之间连接和整体结构逐步加强，所以在图上表现为回弹模量逐步增大。由第二章配制的水泥稳定混合料具有较好的回弹模量。

3.2 压实度试验

通过第二章配制的混合料配合比，掺入6%的P.C32.5水泥 ,制成6%水泥稳定级配碎石混合料。用机械搅拌,混合料的摊铺采用WTU95D型摊铺机,压路机采用3Y18×21型压路机、YZ14B型振动压路机和YZ20JC型振动压路机。碾压的过程为：先用YZ14B型振动压路机静压两遍，再用YZ20JC型振动压路机振碾三遍，然后用3Y18×21型压路机静压一遍。碾压完成后，进行压实度试验，试验采用灌砂法。试验结果如表3-3：

小结：

从力学性能无侧限抗压强度超过规范的要求并且回弹模量指标也较好，压实度指标均匀性好，具有稳定的压度度，对于提高基层的路用性能非常重要。因此，采用第二章设计的水泥稳定级配碎石混合料，即骨架型水泥稳定碎石层具有较好的综合路用性能。

表3-1

表3-2