水泥稳定碎石混合料成型方法试验对比研究

摘 要：水泥稳定碎石具有强度高，板体性好，经济性好等优点，是我国使用最广泛的半刚性基层材料，比较了静压和振动成型方法设计的级配的强度、最佳含水率等指标，说明采用振动压实法进行配合比设计，使基层整体强度更加均匀，密实度更高，增强了基层的强度及抗水损害性能。

关键词：水泥稳定碎石;配合比设计;成型方法;施工工艺;最佳含水率

1 水泥稳定碎石概述

水泥稳定碎石基层作为半刚性基层沥青路面中最常用的形式，由于不合理的设计方法以及水泥稳定碎石本身材料特性，其耐久性并不理想，包括易开裂、抗水损性差成为了最突出的问题。影响水泥稳定碎石耐久性的因素很多，可分为内因和外因，外因有车辆荷载、环境（温度和湿度）以及结构组合等，而内因最主要的就是不合理的设计方法。

水泥稳定碎石的配合比设计主要确定：①不同矿料的比例，以确定级配组成;②确定级配组成的最大干密度、最佳含水率;③水泥添加量。

2 两种试件成型方法试验比较分析

对于水泥稳定碎石层次施工来说，室内试验与现场压实功已经不匹配：1）当前压实已采用振动压路机（一般不小于20t），而重型击实试验法是对应多年前（8～12）t压路机，已明显落后于生产实际;2）振动碾压作用下矿料排列方式与不同于重型击实（静压成型）不同，且集料级配变化情况也不同，导致室内静压成型水泥稳定碎石试件组成结构与现场振动碾压成型基层组成结构不吻合，已经不能科学有效地指导水泥稳定碎石设计施工，从而影响工程质量。

2.1 矿料级配组成分析

为了分析成型方法对级配组成的影响，采用水洗筛分法对成型前后的级配组成进行分析，试验结果见表1。

根据表1可以看出，振动成型后试件的级配与原级配比稍细，但变化不大，说明振动成型法不易使集料振碎影响级配;而静压成型后试件的级配发生了显著变化，细集料明显增多。

振动成型法水泥稳定碎石通过振动成型法成型试件，通过一定的面压力及激振力将混合料振动压实，混合料内部粗集料通过排列容易形成一定的主骨架，而细集料在激振力下填充进主骨架的剩余空隙中，从而形成骨架密实型的结构。混合料成型后的强度主要依靠粗集料骨架强度，而不是仅仅依靠水泥胶浆的强度。该方法能够较好地模拟实际施工中强振碾压成型的实际情况，且不易出现集料破碎现象，级配较为稳定，其强度及抗裂性能、抗冲刷性能均将显著提高^[3、4]。

2.2 最大干密度和最佳含水率比较分析

两种成型方法确定的同一级配的最大干密度和最佳含水率数据，见表2及图3。

从表2中可以得出，干密度比（振动压实最大干密度/重型击实确定的最大干密度）在1.031～1.036。

振动压实法确定的最佳含水率较重型击实确定的含水率约低0.3%～1.0%。这是因为集料在振动外力的作用下能够容易重新排列而不需依靠过多的水来润滑，从而减少了水的用量。

2.3 试件强度比较分析

对比分析两种方法确定的强度的异同，见表3及图4。

从表3及图4可知，相同水泥添加量时，7d无侧限抗压强度，R振/R静（代表值）约为1.5倍;且振动压实成型的试件强度离散性较小。从而在同一设计强度要求下，水泥剂量可比静压成型水泥剂量低0.5%～1.0%。

3 振动成型法水泥稳定碎石的特点

与重型击实法设计的水稳相比，振动成型法设计的水稳具有以下特点：

3.1 集料破碎率低，对级配影响小，易形成骨架密实结构

振动成型法水泥稳定碎石级配范围有以下特点：① 降低4.75mm通过率，一般控制在30%左右，粗集料的增加，使得在级配范围内能形成骨架密实结构混合料;② 提高9.5～19mm部分集料用量，粗集料自身组成合理，可避免现场摊铺及碾压时产生离析;③ 降低0.6mm以下粉料含量，严格控制0.075mm通过率不大于3%，可大幅提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能。

3.2 最大干密度、最佳含水率确定方式不同

两种设计方法的主要区别是确定最大干密度、最佳含水率的方法不同，一是重型击实，而另一个是振动压实。

随着大吨位压路机的使用和对压实度的高要求，采用重型击实法得到的最大干密度来计算压实度往往会很容易就能满足规范要求，甚至达到100以上。这说明采用传统最大干密度计算的压实度来进行施工质量的控制已失去意义，无法满足实际要求。

3.3 成型机理不同，形成骨架密实结构，水泥剂量低但强度高

传统水泥稳定碎石采用静压成型法成型试件，通过一定的静力将混合料压实至规定的密度，该成型方法与最大干密度的确定方法是矛盾的，与实际施工时压实作用模式也是矛盾的。静压成型时，混合料在压力作用下，其中粗、细集料来不及重新排列就被压实成型，且粗集料容易被压碎，该方法成型混合料通常形成悬浮密实型结构，无法形成骨架密实型结构，而此时只能通过增加水泥剂量来使抗压强度达到设计要求，继而抗裂性能无法得到保证。（如图4）。

4 振动成型法水泥稳定碎石施工控制要点

振动成型法水泥稳定碎石从级配组成、最佳含水率、最大干密度等方面进行了调整，然而要得到良好路用性能的水泥穩定碎石基层，还需要从下列几方面进行施工质量控制：

4.1 控制好关键筛孔^[5]

粒径大于19mm集料形成主骨架，粒径大于9.5mm集料形成次骨架，必须控制级配上限，否则难以形成较强骨架，对于级配下限，如若能保证不离析，可以适当放宽要求，不作控制指标。

粒径4.75mm以下颗粒起填充作用，太多易撑开骨架，太小不密实。试验结果表明，4.75mm通过率在30～35%时水泥稳定碎石路用性能最好，试件切割面和芯样均显示出骨架密实结构形成得较好。

0.075mm以下粉料，与水泥一起起到粘结作用，太少则比表面过小、对粗集料粘结不足而易引起离析，而且也难以形成密实结构;太多则对抗裂不利。要求0.075mm以下颗粒用量宜控制在3%以下。

4.2 控制好水泥质量及剂量

由于水泥剂量偏小，在施工过程中尤其要严格控制好质量和水泥剂量，不超过设计的±0.2%。水泥剂量太小，拌和均匀性难度加大，强度可能满足布料承载力要求;水泥剂量太大，既浪费材料，又会对基层抗裂不利，对面层构成局部破坏。

4.3 控制好最佳含水率

击实试验表明，当含水率不同时，相同的混合料在相同的压实功作用下会产生不同的压实度。含水率过大时，不仅难以达到最大压实度，而且提浆作用明显影响层间结合和增大干缩裂缝的危险;含水率过小，混合料不但难以碾压成型，而且因水泥的物理、化学反应不全面而造成结构层强度难以形成，造成板体松散。施工过程中确保碾压时的含水率接近于振动法确定的最佳含水率，可以达到最大压实度。

4.4 控制好压实度

强度试验结果表明，压实度提高1%，强度大约可提高10%。因此，必须确保压实度满足要求。

根据振动成型法水泥稳定碎石基层在本项目上应用情况及其它相关研究成果可以得出结论：与传统水泥稳定碎石不同，振动成型法水泥稳定碎石混合料可以达到高强度与良好抗裂性共同存在的最优效果。只要级配合理，没有必要通过增加水泥剂量增加强度来牺牲抗裂性能，采用振动成型法水泥稳定碎石可以达到抗裂性能最佳、水泥剂量最少、强度满足要求的效果，同时还可以降低工程造价，带来巨大的经济社会效益。

参考文献：

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[2] 于淼、马骉、李笑盈、田宇翔，水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度的影响因素分析[J]. 路基工程，2018（4）：7-12。

[3] 赵中强， 不同试件成型方法的水泥稳定碎石混合料宏细微观结构性能[J]. 施工技术，2018（23）：57-63。

[4] 张蕾、惠新、陈龙、王旭东，基于图像技术的水泥稳定级配碎石加载损伤特征研究[J]. 公路交通科技，2017（6）：38-44。

[5] 肖海健、于渊卓，罗阳高速公路水泥穩定碎石基层级配优化调整[J]. 公路交通科技应用技术版，2018（8）：83-84。

作者简介：范江，男，1982年1月出生，籍贯：湖南长沙;职称：公路桥梁工程师，研究方向：公路路面、路基及桥梁施工管理方面。