骨架空隙型水泥稳定碎石级配组成及室内性能试验研究

林百岑

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司）

0 引言

路基路面的强度与稳定性跟水的关系紧密相连，路面内部的水能造成或加速路面的损害。排水路面中，透水基层用的材料有排水式沥青稳定碎石、级配碎石、大粒径透水性沥青混合料、骨架空隙型水泥稳定碎石和透水水泥混合料，其中骨架空隙型水泥稳定碎石混合料，矿料由粗集料和细集料两部分组成，粗集料部分充当骨架强度结构作用，细集料和无机料化合后的反应物可以填充骨架空隙。排水沥青路面结构中的水透过透水基层，渗到骨架密实型的无机结合料稳定材料的下基层，然后从侧向排到路面边沿，从而改善路面材料的作用环境，减轻水损害，延长使用寿命。通过对骨架空隙型水泥稳定碎石级配组成和室内试验的研究，总结出配合比设计的关键因素。

1 结合料及原材料的技术指标

透水基层的水泥稳定材料采用水泥、粗集料、少量的细集料及水分按设计空隙率和水灰比结合稳定形成骨架空隙型水泥稳定碎石。

集料选用清远佛冈飞龙石场的石灰岩，规格分别有10～25mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm；水泥选用英德海螺水泥有限责任公司生产的P·O42.5水泥；拌合水采用饮用水。

对所用的粗集料分别进行压碎值试验、针片状颗粒含量试验（游标卡尺法）、0.075mm以下粉尘含量、软石含量、颗粒分析等试验，对细集料进行颗粒分析和＜0.075mm的粉尘含量试验。检验结果见表1。表1的技术要求参照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》。

表1 集料技术指标及检验结果

各档集料的筛分结果见表2。表2中的技术要求参照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》。

表2 集料颗粒分析结果

进行水泥的凝结时间测试，试验结果见表3。技术要求参照GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》的规定。

表3 水泥凝结时间结果

根据《透水沥青路面技术规程》CJJ/T 190-2012，在透水基层混合料的配合比设计的指标要求中，骨架空隙型水泥稳定碎石的要求为：水泥采用32.5或42.5级的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥；水泥用量宜为8%～12%；水灰比宜为0.39～0.43；材料的空隙率为15%～23%；7d抗压强度为3.5～6.5MPa。

作为透水基层的混合料，骨架空隙型水泥稳定碎石必须具有足够的透水能力。透水能力用透水系数、连通空隙率指标来衡量。连通空隙率是保证排水层发挥作用的关键，骨架空隙型水泥稳定碎石的连通空隙率是通过减少细集料的含量来实现，而细集料含量少必然导致结合料的强度变低。因此要控制好水泥的用量，否则强度指标达不到设计规范要求。

为了实现骨架空隙型水泥稳定碎石排水层性能要求，同时又不影响结合稳定材料的路用性能，确定7d无侧限抗压强度设计值为≥3.5MPa。

2 矿料级配组成设计

骨架空隙型水泥稳定碎石透水性材料为多孔混合料，它的级配类型为开级配，要求空隙率大并且各集料间嵌不密实和连通，透水性能强，故矿料的级配设计很重要。根据《公路排水设计规范》JTG/TD33-2012对透水性排水基层集料的要求，集料应选用洁净、坚硬的碎石，其压碎值不得大于30%，最大粒径为20mm或25mm，并不得超过层厚的2/3。

在《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004中，用于排水基层的开级配沥青稳定碎石混合料ATPB-25的矿料级配范围见表4。

表4 ATPB-25级配范围

在《排水沥青路面设计与施工技术规范》JTG/T 335 0-03-2020中，对于排水沥青混合料PA-20的级配范围见表5。

表5 PA-20级配范围

在《透水沥青路面技术规程》CJJ/T190-2012的技术指标中，明确用于透水基层的级配碎石的空隙率宜大于10%，级配碎石的级配范围见表6；用于透水基层混合料的大粒径透水沥青混合料LSPM的公称粒径不宜小于26.5mm，选用的级配范围见表7。

表6 级配碎石的级配范围

参考表4～表7数据，遵循空隙率为15%～23%、水灰比为0.39～0.43的设计原则，通过室内击实试验，利用密度与空隙率的关系，采用体积法验证改善，确定最终的级配范围，见表8。

表7 大粒径透水性沥青混合料LSPM-25推荐级配范围

根据表2各集料的筛分结果，计算各集料的用量比例，使得合成的矿料级配在表8的上下限范围内且接近S线。骨架空隙型水泥稳定碎石设计级配曲线见图1。

图1 合成矿料级配曲线图

表8 骨架空隙型水泥稳定碎石的级配范围

3 室内物理性能分析

3.1 测定各指标的试验方法

根据CJJ/T 190-2012设计规范中水泥用量宜为8%～12%的要求，骨架空隙型水泥稳定碎石采用规范范围内的5个水泥用量与设计的矿料级配进行击实试验，击实方法采用丙法击实，得到的击实结果和水灰比结果如表9所示。

表9 不同水泥剂量的结合料的击实和水灰比结果

按不同的水泥剂量，根据各自稳定材料的最大干密度和最佳含水量，采用设计配合比进行配料，按照静压法成型试件用于测试稳定材料的连通空隙率，其中成型试件的压实度取值81%。压实度是参照CJJ/T 190-2012规范中空隙率为15%～23%的设计要求取中值，即系数0.77～0.85的中值为0.81。标准养生7天后按不同的水泥剂量为标的分别测定连通空隙率、透水系数和无侧限抗压强度。

3.1.1 连通空隙率

骨架空隙型水泥稳定碎石的连通空隙率主要试验步骤如下：

⑴骨架空隙型水泥稳定碎石在5个不同水泥剂量按各自的击实结果，采用设计配合比进行配料，按100×100的标准样品规格计算每份材料的加水量、水泥的质量、粗细集料颗粒的质量，每份由人工充分搅拌；

⑵按最佳含水量的一半水量添加至矿料中分别充分拌和均匀，然后闷料浸润30min；

⑶在把试样装入模前，加入准备好的水泥并拌和均匀，把预留的水量喷洒至混合料后中充分拌匀，直到混合料达到最佳含水量的状态。

⑷搅拌均匀后的混合料装入试模，用力压平试模两端的压板，试件静置8～12小时后再脱模，脱模时间不能太早，因为试件的细集料含量比较小，不能完全包裹住粗集料，早脱模容易导致试件脱落松散导致费件。

⑸把脱模后的试件放在专用的塑料袋中密封并进行编号，然后放到养护室标准养护7天。

⑹每组试验至少三个试件，把养生后的试件用卡尺测取直径和厚度（精确至0.1mm），测直径时选取两个位置，测厚度时取4个（交互90°），用各自的平均值计算试件的体积（V）。

⑺将试件在室温干燥空气中风干至质量不再发生变化后，测定常温、干燥状态下的试件质量（A）。

⑻将试件置于常温下的水中约1min后，测定其水中重量（C）。测定时，用木槌轻轻敲打试件，将空隙中残存的空气排出。

连通空隙率应按公式⑴、⑵进行计算：

式中，

VV＇——通空隙率（%）；

V＇——混合料和封闭空隙的体积（mm3）；

V——试件的体积（mm3）；

A——试件常温、干燥状态下的质量（g）；

C——试件在水中的质量（g）；

ρw——常温水的密度（1.0g/cm3）。

试验结果应以平行试验的连通空隙率的平均值表示。连通空隙率的试验装置如图2所示。

图2

骨架空隙型水泥稳定碎石在不同的水泥剂量下，在7d的龄期进行混合料的连通空隙率试验，结果见表10。

表10 连通空隙率试验的结果

3.1.2 透水系数

骨架空隙型水泥稳定碎石的透水系数试验主要步骤如下：

⑴把养生后的试件用卡尺测取直径和厚度（精确至0.1mm），测直径时选取两个位置，测厚度时取4个（交互90o），用各自的平均值计算试件的横截面面积（A）。

⑵将试件放进套筒，与套筒的周边接触处用密封材料密封，使其不会在套筒的内侧壁漏水，水仅仅从试件的上下表面进行渗透。

⑶装有试件的套筒上接透水圆筒后放入溢流水槽，打开外部水源向套筒内供水，调节水阀大小，直至溢流孔保持常水位。

⑷进水在常水压条件下向下渗透，渗透通过试件的水用量筒收集，测定5s左右的透水量。

透水系数按式⑶、⑷计算：

式中，

Crw——透水系数（㎝/s）；

Q——渗透经过试件的水量(㎝3)；

t——渗透经过试件的时间（s）；

L——试件的高度（㎝）；

H——水头高度（㎝）；

A——试件的横截面面积（㎝2）；

K20——标准温度（20℃）时试件的透水系数；

ηT——T℃时水的动力黏滞系数；

η20——20℃时水的动力黏滞系数。

以3个试件的测定结果的平均值作为最终的透水系数结果，透水系数的试验装置如图3所示。

图3

骨架空隙型水泥稳定碎石在不同的水泥剂量下，在7d的龄期进行混合料的透水系数试验，结果见表11。

表11 透水系数试验的结果

3.1.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验的方法按JTG E51-2009 T0805来执行，检验结果如表12所示。

表12 无侧限抗压强度试验的结果

3.2 室内性能试验的综合分析

综合室内试验结果描绘相关的关系曲线。连通空隙率与水泥剂量的关系曲线见图4。

图4 连通空隙率与水泥剂量的关系图

透水系数与水泥剂量的关系曲线见图5。

图5 透水系数与水泥剂量的关系图

无侧限抗压强度与水泥剂量的关系曲线见图6。

图6 无侧限抗压强度与水泥剂量的关系图

由三个关系曲线图可以看出，随着水泥剂量的增加，连通空隙率和透水系数逐渐减少，而无侧限抗压强度逐渐递升。根据规范[5]的设计要求，强度要求≥3.5MPa，水灰比为0.39～0.43，因此确定骨架空隙型水泥稳定碎石中水泥的最佳剂量为10%。

4 结语

通过对骨架空隙型水泥稳定碎石所用原材料进行优选，然后优化骨架空隙型水泥稳定碎石的级配组成设计，参照多种透水路面材料的级配要求综合估算出合适的级配范围，按击实结果的大小作为强度相关性的依据，通过力学性能综合分析、合适的水灰比以及路用性能、施工难易程度分析，选择19%的空隙率即压实系数为0.81，水泥剂量为10%的骨架空隙型水泥稳定碎石。

根据骨架空隙型水泥稳定碎石透水性材料的无侧限抗压强度和水对材料的影响，总结规律如下：

⑴无侧限抗压强度的数值并不很高，击实结果最大干密度和水泥剂量呈正相关，要平衡好强度和水泥剂量的关系，尽量选择高密度的材料以对冲整体稳定材料的强度的不足。

⑵随着水泥剂量的增加，连通空隙率和透水系数逐渐减少，而无侧限抗压强度逐渐递升。

⑶水灰比与击实结果成正比，在水泥剂量一定下，控制好最佳含水率等于控制好水灰比。