水泥稳定砂岩碎石路面基层的性能研究

刘红誉，刘伟

（1.微山县东方建设工程监理有限公司，山东 济宁277600；2.济宁市公路发展中心微山公路局，山东 济宁277600）

1 引言

经济飞速发展的背景下，我国的公路里程不断增加，基本建成了全面覆盖的公路网络。而在当前的技术条件下，多数公路基层采用的都是半刚性材料，如水泥稳定碎石，本身具备较强的抗弯拉强度和稳定性，其良好的基层性能使路面铺筑环节产生的弯拉应力和弯拉应变较小，能够很好地承受车辆荷载的反复作用，并且使用寿命较长。

2 水泥稳定碎石研究现状

水泥稳定碎石是一种以级配碎石为骨料，借助一定的胶凝材料和灰浆对骨料空隙进行填充压实，使其具备一定的密实度，通过碎石间的嵌挤锁结获得足够的强度。水泥稳定碎石具备较高的初期强度，而且伴随着龄期的增长，强度还会不断提升，在结成相应的板体后，还会具备很好的抗渗性及抗冻性[1]。

水泥稳定碎石基层中，水泥的剂量和力学性能会对路面的使用寿命产生直接影响，一些研究人员结合具体工程案例，对不同级配和不同水泥掺量的水泥稳定碎石基层的性能进行了研究。结果显示，在相同级配条件下，水泥在混合料中掺加的比例越高，混合料的最佳含水率和7 d无侧限抗压强度越大。而且当水泥掺加量增大时，混合料最佳含水率会在前期呈现出快速增长的趋势，受水化反应的持续影响，经过一定时间后，混合料最佳含水率的增长速度也会有所下降；如果水泥在混合料中的掺加量固定，增加粗集料的含量后，混合料的最佳含水率会有所下降，相应的最大干密度和水泥稳定碎石的无侧限抗压强度也会减小。运用平行试验对不同混合料配比以及不同龄期的水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度、劈裂强度等性能进行研究，结果显示，混合料的配比对水泥稳定碎石的强度影响巨大，适当增加混合料中水泥材料占比，水泥稳定碎石的力学性能会随之提高，较快的水化反应使水泥稳定碎石具备很好的初期强度，而且随着龄期的增加，水泥稳定碎石的强度会进一步增大，并最终达到稳定状态[2]。

3 水泥稳定砂岩碎石路面基层性能研究

3.1 技术要求

水泥稳定碎石混合料属于无机结合稳定材料，稳定性强，抗冻能力优越，但从实际应用的角度分析，经常会出现开裂问题。因此，水泥稳定碎石混合料一般被用于路面基层或底基层的施工。路面基层主要承受来自车辆的竖向荷载，并且能够将路面承受的应力转移到基层，减小路面结构承受的压应力，减缓路基不均匀沉降对面层的影响。不同面层结构对于基层有不同的要求，结合相应的工程实践，水泥稳定碎石基层有以下3个关键技术要求：

1）具备较高的强度和稳定性，以避免道路在使用过程中出现基层严重变形的情况。

2）具备良好的水稳定性和抗冻性能，并配合相应的排水措施来保证基层施工效果，以避免水因素引发的基层湿软问题。

3）具备较长的疲劳寿命。从力学特性的角度对半刚性材料和线弹性材料进行分析，可以发现二者有很大的相似性。当车辆在路面行驶时，产生的荷载会经由面层传递到基层和底基层，产生累计破坏，当累计次数达到上限时，基层和底基层就会完全破坏[3]。因此，在对路面基层以及底基层材料进行选择的过程中，应确保其具备较长的疲劳寿命，以保证路面结构的稳定性。

3.2 集料性能试验

为了更好地研究水泥稳定砂岩碎石中集料的性能，对使用的砂岩和石灰岩进行了相应的性能试验。

3.2.1 筛分

对照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的集料筛分试验，对集料进行3档筛分：砂岩为0～9.5 mm、2.36 ～13.2 mm、9.5 ～26mm；石灰岩为0～4.75 mm、2.36 ～13.2 mm、4.75 ～19mm。经过筛分后，可以确定砂岩和石灰岩集料存在部分重叠粒径，从集料物理性质研究的角度，对表观密度、吸水率以针片状3个物理指标进行对比分析[4]。具体分析结果见表1。

表1 集料物理性质指标

3.2.2 压碎值

压碎值是对集料路用性能进行评价的重要指标，选择粒径在9.5 ～13.2 mm的砂岩和石灰岩集料，烘干后晾至室温，称取900 g样本平均分为3组，使用国家标准试桶分3次填料，振捣密实，使用电液压力试验机进行加载，将加载速度控制在0.67 kN/s，连续加载10m in，当压力达到400 kN后，稳压5 s然后卸载。对压碎集料中粒径不超过2.36 mm的细粒料进行称取，集料压碎值对比结果如图1所示。

图1 集料压碎值对比

3.3 混合料级配设计

级配设计在水泥稳定碎石配比设计中非常重要，集料本身的级配会直接影响其性能参数，如孔隙率、堆积密度等。目前，混合料级配设计的常用方法有2种：数解法和图解法。2种方法在实际应用中都要求对级配参数以及目标级配范围进行确定。通过砂岩和石灰岩集料的级配设计，确定集料在水泥稳定碎石混合料中的比例以及各材料的最佳配比，保证水泥稳定碎石的强度和稳定性。

3.4 混合料击实试验

借助相应的击实试验结果绘制混合料含水量-干密度曲线，确定砂岩和石灰岩混合料的最佳含水量及最大干密度：最佳含水量分别是5.8 %和5.4 %，最大干密度分别是2.284 g/cm3和2.345 g/cm3。对照相应的曲线可以得出，在水泥用量固定的情况下，随着用水量的增大，干密度会先达到相应的峰值，然后逐步下降，石灰岩最佳含水量相对砂岩较小。其原因主要是砂岩吸水性更好，而石灰岩的最大干密度相对砂岩较大，主要是粗骨料较多，单位体积质量大[5]。

4 结语

在工程建设中，要提高水泥稳定砂岩碎石的强度，可以增加水泥用量或增大击实功，但从实际应用的角度考虑，前者会导致工程成本的增加，而且容易引发路面开裂问题；后者则会导致基层结构稳定性下降。对此，可以利用一定比例的石灰岩来替换砂岩，形成水泥稳定碎石混合料，在充分保证水泥稳定砂岩碎石强度和质量的同时，实现对资源的充分利用，有效节约资源，降低工程造价。对于实践环节，工程技术人员应结合具体情况，做好替换比例的计算，使替换后的水泥稳定混合料能够更好地适应路面基层的施工要求。