振动击实试验下水稳基层材料性能指标分析

汪 胜，郝冠军，屈允永

（1.中交公路规划设计院有限公司市政事业部，北京 100088；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司路面技术研究所，江苏南京 210000；3.交通运输部公路科学研究院公路工程研究中心，北京 100088）

水泥稳定类基层作为一种性能良好的半刚性材料［1］，在公路上得到广泛的应用，其中水泥稳定碎石结构靠粗骨料的嵌挤和砂浆的填充粘结形成强度［2］。前7d水稳基层的强度增长较快，其原因是水泥砂浆强度以及水泥砂浆与粗骨料粘结强度的形成。只有改变水泥剂量或者用水量，才能改变水泥砂浆自身以及它与粗骨料的粘结强度，从而改变水稳层的抗压强度。

半刚性基层的主要破坏形式为弯拉疲劳破坏［3］，而水稳层的弯拉强度是决定道路质量的重要指标，水稳层的抗压强度和弯拉强度有很好的相关性，因此，提高水稳层的抗压强度对于提高道路的质量尤为重要［4］。施工中，将最佳含水量和最大干密度作为控制指标，而最大干密度未必和最大抗压强度对应同一个最佳含水量。对于不同级配的水泥稳定类材料，含水量和干密度的曲线规律也不完全相同［5－6］。室内多以振动击实试验成型水泥稳定类混合料。本研究拟进行2种类型振动击实试验：水泥稳定类混合料含水量与干密度的关系；水泥稳定碎石混合料含水量和干密度与抗压强度的关系。

1 试验原材料

水泥稳定混合料的强度直接影响水泥稳定碎石基层的强度，而组成混合料的各种材料的性质对混合料的强度有直接的影响［7－8］。组成水泥稳定碎石混合料的原材料主要有水泥、碎石及石屑。

1）水泥

采用P.O.42.5级水泥，主要技术指标，见表1。

表1 水泥的技术指标检测结果Table 1 Technical indicators of the cement

2）碎石和石屑

采用石灰岩作为集料，其粒径依次为（0，5），［5，10），［10，20），［20，30）mm。采用石屑作为细集料。

压碎值的大小直接影响基层强度，是衡量集料力学物理力学性质的重要指标。集料压碎值为10%，满足公路路面基层施工技术规范要求。高速公路和一级公路的集料压碎值不得大于30%［9］。

2 试验配比

作者拟选取同一集料配合比的混合料，研究6种不同的含水量条件下抗压强度与含水量和干密度的关系；水泥稳定类混合料的强度影响因素除本身材料的性质外，还有水泥稳定类混合料的配比，包括集料级配、含水量及水泥剂量。

表2 水泥稳定碎石试验配比Table 2 Experiment with the ratio of cement－stabilized crushed stone

表3 水泥稳定石屑试验配比Table 3 Experiment with the ratio of cement－stabilized stone chips

3 试验结果分析

1）水泥稳定类混合料最佳含水量试验的分析

水泥稳定碎石和石屑混合料干密度与含水量的关系分别如图1，2所示。从图1，2中可以看出，水泥稳定类混合料在不同含水量下有不同的干密度。水泥稳定碎石混合料的最佳含水量为5.06%，对应的最大干密度为2.5g／cm3；水泥稳定石屑混合料的最佳含水量为4.52%～4.98%，对应的最大干密度为2.35g／cm3。水泥稳定碎石的最大干密度要大于水泥稳定石屑的最大干密度。水泥稳定碎石混合料的干密度曲线的峰值较水泥稳定石屑混合料的干密度曲线的峰值明显。这表明水泥稳定石屑的含水量在最佳含水量附近变化时，水泥稳定石屑的干密度不会有太大的波动。在工程施工过程中，水泥稳定石屑的含水量更容易控制。

图1 水泥稳定碎石混合料干密度与含水量的关系Fig.1 Relationship between dry density and water content in the cement－stabilized crushed stone mixtures

图2 水泥稳定石屑混合料干密度与含水量的关系Fig.2 Relationship between dry density and water content in the cement－stabilized chipping mixtures

2）水泥稳定碎石混合料抗压强度与含水量的关系

水泥稳定碎石混合料抗压强度与含水量的关系如图3所示。从图3中可以看出，水泥稳定碎石混合料的抗压强度在含水量小于4%时，随着含水量的增加而增大。含水量在4%～6%范围内，水泥稳定碎石混合料的抗压强度的变化很小，保持在最大值附近。含水量大于6%时，水泥稳定碎石混合料的抗压强度随着含水量的增加而减小。其规律与水泥稳定碎石干密度和含水量的关系有些类似，但是，水泥稳定碎石最大抗压强度不是一个波峰而是一个区间，所对应的含水量是一个范围。施工中水泥稳定碎石最佳压实效果指的是最大干密度。

图3 水泥稳定碎石混合料抗压强度与含水量的关系Fig.3 Relationship between the compressive strength and water content in the cement－stabilized gravel mixtures

3）水泥稳定碎石混合料抗压强度与干密度的关系

水泥稳定碎石混合料抗压强度与干密度的关系如图4所示。从图4中可以看出，干密度小于2.37g／cm3时，水泥稳定碎石混合料的抗压强度随着干密度的增加而增大。当干密度在2.37～2.45g／cm3时，水泥稳定碎石混合料的抗压强度保持不变。当干密度为2.47g／cm3时，水泥稳定碎石混合料的抗压强度急剧减小。当干密度大于2.47g／cm3时水泥稳定碎石混合料的抗压强度又随着干密度的增加而增大。作者认为：试验样本的数量较少及试验中的误差问题，并不影响试验的总体规律；由于水泥稳定碎石结构靠粗骨料的嵌挤和砂浆的填充粘结形成强度，干密度较小时，随着干密度的增加，粗骨料的嵌挤效果逐渐变好，通过振动击实成型的混合料的抗压强度逐渐变大。当粗骨料的嵌挤效果达到最好时，混合料的抗压强度不再变化。干密度达到一定值时，抗压强度急剧减小，此时对应的含水量最大，水泥砂浆的强度以及水泥砂浆与粗骨料的粘结强度较小，因此具备较小的抗压强度。当干密度继续增加时，粗骨料的嵌挤达到最好，此时水泥砂浆的强度以及水泥砂浆与粗骨料的粘结强度逐渐变大，抗压强度逐渐变大。

图4 水泥稳定碎石混合料抗压强度与干密度的关系Fig.4 Relationship between the compressive strength and dry density in the cement－stabilized gravel mixture

4 结论

1）水泥稳定碎石混合料的最大干密度处是一个波峰，水泥稳定石屑混合料的最大干密度对应的含水量是一个区间。

2）水泥稳定碎石混合料的最大抗压强度对应的含水量是一个区间。施工中水泥稳定碎石最佳压实效果指的是最大干密度，只对应一个最佳含水量，而不是指的最大抗压强度。

3）水泥稳定碎石混合料结构靠粗骨料的嵌挤和砂浆的填充粘结形成强度，因此，只有在粗骨料的嵌挤效果达到最佳，砂浆强度和砂浆与粗骨料的粘结强度都达到最佳时，混合料才具备最大的抗压强度。

（References）：

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［2］张雪强.水泥稳定碎石组成结构及强度形成机理分析［J］.山西建筑，2009，19：168－170.（ZHANG Xueqiang.Analysis of the structures and the strength formation mechanism of the cement－stabilized macadam［J］.Shanxi Architecture，2009，19：168－170.（in Chinese））

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［4］李淑明，许志鸿.水泥稳定碎石基层的最低劈裂强度和抗压强度［J］.建筑材料学报，2007（2）：177－182.（LI Shu－ming，XU Zhi－hong.The minimum splitting and compressive strength of the cement－stabilized macadam base［J］.Building Materials，2007（2）：177－182.（in Chinese））

［5］吕文江，宋彬，杨景，等.两种骨架密实级配水泥稳定碎石的性能对比研究［J］.交通标准化，2012（9）：37－41.（LV Wen－jiang，SONG Bin，YANG Jing，et al.Performance comparison of the two frameworkgrading cement－stabilized aggregates［J］.Communications Standardization，2012（9）：37－41.（in Chinese））

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［7］琚晓辉.水泥稳定碎石基层抗裂性能应用技术研究［D］.郑州：郑州大学，2007.（JU Xiao－hui.Crack resistance of cement stabilized macadam base application technology research［D］.Zhengzhou：Zhengzhou University，2007.（in Chinese））

［8］吴渝玲.孔隙率对沥青混合料水稳定性影响研究［J］.公路工程，2014，39（5）：202－269.（YU Yu－ling.Porosity of the asphalt mixture water stability impact study［J］.Highway Engineering，2014，39（5）：266－269.（in Chinese））

［9］李福普，沈金安.JTG F40－2004，公路沥青路面施工技术规范实施手册［M］.北京：人民交通出版社，2004.（LI Fu－pu，SHEN Jin－an.JTG F40－2004，Asphalt pavement construction specifications［M］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese））