防裂性水泥稳定碎石配合比设计试验研究

程乔

【摘 要】随着我国经济高速发展，公路所承受的交通量和载重越来越大，相应路面病害也越来越多，如何设计高强度高稳定结构来提高路面使用寿命就显得尤为重要。水泥稳定碎石路面基层作为路面的主要承重层结构以其强度高、水稳性好等特点得到了很快的应用和普及。但是水泥稳定碎石基层通病是容易开裂，本文通过在水泥稳定碎石中添加一部分天然砂和粉煤灰改变配合比组成，达到了防裂抗裂的目的。

【关键词】水泥稳定碎石；配合比；防裂；试验

0 引言

笔者曾经参加在陕北修建的一条高速公路，设计路面基层采用水泥稳定碎石，这条路因为工期紧，设计这种材料结构优点是：强度形成快且高，只要钙化成型便不怕水长期侵蚀，具有水泥混凝土的一些性质，而且板结性、抗冻性都较石灰稳定土好。但是，这种结构随着水泥水化、水分蒸发散失，表层裂纹越来越多，越到后期每隔20～30m就形成一道约1～2mm左右的横向贯通裂缝（尤其陕北冬寒夏热，风沙气候多，这种病害更为明显），针对这种现象，早期如果不加以预防，后期反射性裂纹升至沥青路面，就会引起路面车辙、开裂、唧浆等病害不断出现。因此如何设计出既经济合理，又能达到防裂抗裂的水稳碎石配合比就是本文试验研究的目的。

1 裂缝的成因分析

水泥稳定碎石中掺了水泥，水泥凝结硬化后混合料有收缩性能，有资料表明如果水泥剂量从5%增加到7%，干缩系数增加20%～30%，水泥剂量在5%～6%时，其收缩系数最小，超过6%后，混合料的收缩系数增大。其次水泥稳定碎石材料组成设计中参加了一定比例的石屑料，其中含有一定的石粉，石粉具有干缩湿胀的效应；再其次就是陕北昼夜温差有时较大，也容易产生温缩现象。

由此可见，水泥稳定碎石基层裂缝的内部成因主要是由干缩和温缩现象引起的。

2 材料组成分析及措施

根据以上分析：从配合比设计上如果在保证设计强度要求，适当降低水泥的用量；在满足规范和设计要求的级配范围，不改变骨架密实结构前提下，采用收缩变形小的材料取代部分石屑将有助于裂缝的减少。

从国内外目前施工现状来看，普遍采用了粉煤灰来取代部分石屑用量，因为粉煤灰以球形玻璃体的形式存在，这种球形玻璃体比较稳定，表面又相当致密，不易水化中，本身收缩变形的性能小；而且粉煤灰中含有大量SiO2、AL2O3等能反应产生凝胶的活性物质，水泥水化生成氢氧化钙通过液相扩散到粉煤灰球形玻璃体表面，发生化学吸附和侵蚀，生成水化硅酸钙与水化铝酸钙，大部分水化产物开始以凝胶体出现，随着凝期的增长，逐步转化为纤维状晶体，并随着数量的不断增加，晶体相互交叉，形成连锁结构，填充混合物的孔隙，形成较高的强度。可见使用粉煤灰，不但能减少干缩裂缝，而且还能增加后期强度，这就是普遍采用粉煤灰的原因。

但是在实际施工中，粉煤灰又存在如下几个问题：

（1）目前市面上粉煤灰质量优劣相差较大，不容易控制。

（2）粉煤灰含水量不易控制，运至施工现场的粉煤灰多为湿灰，含水率从百分之十几到百分之几十都有，稍微时间长点，有的还结成了大团大块，给搅拌和施工带来了很多不便。

（3）基层施工一般都是在路基转序至路面时集中施工，往往是几台拌合设施、几个工作面同时施工，粉煤灰需求量大，经常供不应求，造成中途停工待料

（4）目前市面上粉煤灰价格也较高

为此，我们只要在保证骨架结构形式，不降低结构的强度前提下，适当降低粉煤灰用量，改用天然砂取代石屑，应当是可行的。因为天然砂干缩系数比石屑小得多，也能有效增加早期主动防裂效果，而且天然砂强度高、表面光圆，在混合料压实过程中能起到材料快速排列、挤压，使压实度短期快速完成，降低过程持续时间。

3 配合比调整

从上述的分析中知道：石屑中的粉尘含量高导致混合料收缩变形越大，因此降低其在配合比中的比例，减少集料中的粉尘含量，有助于使成型混合料收缩变形的减小、裂缝的减少。

原配合比：31.5～19：19～9.5：9.5～4.75：4.75～0=20：38：14：28，外掺4.5%的水泥

掺5%的天然砂，8%的粉煤灰取代13%的石屑

调整后配合比：31.5～19：19～9.5：9.5～4.75：4.75～0：天然砂：粉煤灰=20：18：14：15：5：8，外掺4.2%的水泥

4 试验结果

4.1 击实试验结果

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）相关要求。

4.2 强度试验结果

按照图纸设计要求，水稳碎石设计强度基层不小于3.5MPa。

以重型击实试验确定的最大干密度和最佳含水量为成型依据， 按98%的压实度成型15cm×15cm圆柱试件；养生温度20±2℃，养生湿度90%，养生期的最后一天浸水24小时。各种混合料的7d无侧限抗压强度试验结果见下表2。

5 实体工程验证

通过在神佳米高速公路K19+350～K19+850铺筑试验段，结果表明混合料均匀、不离析，易于质量控制，加之摊铺、碾压、养生等控制，压实后的水稳混合料纹理丰富，没有产生裂缝，开放工程车辆后，表面基本无松散。通过后期观察，主动抗裂效果均比较好，反射裂缝数量极少，仅有1条不规则的裂纹。

6 总结

通过以上配合比的调整，虽然达到了防裂的效果，但在施工过程中我们还要加强原材料质量检验和控制，特别是0～4.75mm规格中0.075mm的通过率。另外配合比一旦确定，拌合时计量一定要准确，搅拌要均匀，因为试验研究表明，粉煤灰和天然砂掺量过低，不能较好的起到主动防裂所显现的成果，反之用量过大则会对早期强度起到不利影响，再者，水泥稳定碎石施工后，一定要覆盖保湿养生至少7天龄期，不然也会因为表面水分散失太快引起干缩裂缝。

[责任编辑：王伟平]