骨架密实结构水泥稳定碎石混合料路用性能试验分析

董佳媛

（河北盛通公路建设有限公司，河北 承德 068150）

0 引言

新中国成立以来，我国设计建造的道路取得了非凡成就，现阶段在我国已建设的道路中，主要是半刚性基层道路[1]，而半刚性基层材料中最主要的组成是水泥稳定碎石材料，其通常由级配碎石、水和凝胶材料经过搅拌、摊铺和压实后形成的骨架型基层，具有良好的承载力、水稳性、板体性、原材料便宜简单易得。相较于以往的基层材料，半刚性基层材料的性能虽然已经有了很大提升，但仍然极易产生收缩裂缝，存在抗裂能力低等问题[2]。据相关部门的统计研究，目前我国的主要交通道路上的路面基层材料使用效果不理想，道路存在严重损坏。为改善提高水泥基层碎石的性能，许多国内外学者专家在混合料中加入如纤维、外加剂等特殊材料[3-8]，但由于施工工艺和造价成本过高的原因，并不适合大量推广。此后，结合水稳层矿料级配思路，一种具有抗冲刷、抗疲劳、抗裂缝性和较高强度的骨架密实结构水泥稳定碎石材料应运而生。为进一步了解骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的实际性能，需要进行更深层次的试验研究。本文采用理论知识与相关击实试验、抗压回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、干缩与温缩试验和抗冲刷试验相结合的方法，对骨架密实结构水泥碎石混合料稳定的路用性能进行研究，希望能够对骨架密实结构水泥碎石混合料性能的相关研究提供一定的参考价值。

1 水泥稳定碎石基层材料配比设计

为得到最大干密度和最佳含水率之间的关系，按照不同比例的水泥用量对水泥稳定碎石进行重型击实试验，分三组试验，不同试验标准参数见表1。试验集料最大粒径是26.5mm，应采用第三种方法对水泥稳定碎石混合料进行击实试验，以得到混合料的含水量-干密度关系。试样的湿密度和干密度计算公式分别见式（1）和式（2）。

表1 不同试验方法参数表

式（1）～（2）中：ρω为材料的湿密度（g/cm³）；m1为试筒与湿试样的总质量（g）；m2为试筒的质量（g）；V为试筒的容积（cm³）；ρd为试样的干密度；ω为试样的含水量（%）。

经过击实试验，结合公式计算，得到骨架密实结构水泥稳定碎石和悬浮密实结构水泥稳定碎石的试验结果，分别见表2和表3。

表2 骨架密实结构击实试验结果

表3 骨架密实结构击实试验结果

由表2和表3可知，水泥用量相同的情况下，骨架密实结构和悬浮密实结构的最佳含水量都在一定区间内变化，悬浮密实结构的最佳含水量略大于骨架密实结构，但悬浮密实结构的最大干密度略小于骨架密实结构。

2 试验分析

2.1 抗压回弹模量试验

一般采用材料的抗压回弹模量反映路面结构的模量，抗压回弹模量能够体现出路面材料在应力状态下的某些特性，即宏观上的力学性能，材料的尺寸、受力状态和变形程度之间存在一定的关系。只有合适的基层抗压回弹模量才能将荷载有效地分散传递到土基，如果基层抗压回弹模量过大，基层和面层之间的应力相差变大，会缩短面层的寿命，同时，基层本身也容易因刚度过大而断裂；如果基层抗压回弹模量太小，荷载不能有效快速扩散到土基，面层层底弯拉应力和土基承受的应力都将增加，导致路面结构的刚度降低，进而对路面结构造成不良影响。

将不同水泥用量的骨架密实结构水泥稳定碎石试件，采用顶面法，将养生龄期为27d的试件浸水24h后取出，擦干水并修补试件表面的不平处，根据我国对抗压回弹模量试验的规范进行抗压回弹模量测试，同时与悬浮密实结构进行比较。测试结果见表4。

表4 骨架密实结构和悬浮密实结构抗压回弹模量测试结果

由表4可知，在相同水泥用量时，悬浮密实结构的抗压回弹模量低于骨架密实结构，随着水泥用量从4%增加到6%这个过程，抗压回弹模量有较明显的增长；而悬浮结构只有当水泥用量大于5.5%时，抗压回弹模量的增加值才有明显的改变。

2.2 无侧限抗压强度试验

路面结构中承受交通荷载的主要是水泥稳定碎石基层，根据相关人士的实地调查，早期道路的损坏通常是由于基层承重不达标造成的，因此，基层强度高的路面更能适应现代社会发展对交通道路的需求。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[7]的规范要求，对骨架密实结构和悬浮密实结构进行7d无侧限饱水抗压强度试验，试验结果见表5所示。

表5 骨架密实结构和悬浮密实结构7d无侧限抗压强度测试结果

由表5可知，随着水泥用量的增加，7d龄期的骨架密实结构和悬浮密实结构试件的强度也随之增加，悬浮密实结构的强度明显低于骨架密实结构，虽然这两种试件都呈现强度增加的趋势，但抗压强度随着水泥用量的增加而逐渐变小，最终试件损坏。

3 干缩试验

半刚性基层材料自身拥有一个无法避免的缺陷，即在受外界环境影响后会产生明显的收缩性，在温度和湿度反复变化及不同车载的作用下，收缩产生干温缩裂缝，造成受力不均衡，从而导致路面的稳定性下降，最终破坏路面结构。

随着时间及环境温度的变化，水泥稳定碎石混合料内部的含水量不断蒸发而导致混合料的体积减小，发生干缩现象。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[7]的规范要求进行相应的时间干缩试验，干缩试验中设置五个不同水泥用量的骨架密实结构和悬浮密实结构中梁试件，结果见表6。

表6 骨架密实结构和悬浮密实结构干缩试验结果单位：%

由表6可知，水泥稳定碎石的总干缩系数与水泥用量成正相关，当水泥用量在5%时，骨架密实结构与悬浮密实结构的总干缩系数比较相似，在此次试验中，悬浮密实结构对应的总干缩系数相对骨架密实结构增长较快，表明混合料的级配形成的骨架对水泥稳定碎石的干缩系数有着明显的影响。

4 抗冲刷试验

基层和面层之间会存在一定的自由水，在反复荷载作用下，能够抵抗由此产生的抗动水压冲刷的能力即为水泥碎石混合料的抗冲刷性能。由于降雨等各种外界原因，水流入水泥混凝土或沥青路面的结构层内部，而流入的水又不能及时有效地排出，长期挤压在基层和面层之间，使基层长期浸泡在水中。在日复一日的车辆荷载的冲压作用下，基层材料容易流失，日积月累，流失的材料积压在裂缝中，逐渐形成泥浆，最终喷出路面。

虽然水泥稳定碎石的评价标准主要是通过抗冲刷性能间接反映的，但国内外测定水泥稳定碎石抗冲刷性能的方法和器械不同，本试验中，主要用机架、电机、手轮、计数器、橡胶冲刷头、冲刷桶等组成最大冲击力为0.8MPa、加载频率为10Hz的抗冲刷试验仪。用冲刷头朝试件顶板中间向下冲压的试验挤出试件顶面中间细粒浆的过程，来模拟车载作用力导致基层顶部和面层底部之间挤出产生细粒浆的现象；而冲刷头快速向上缩回时，由于冲刷头底部和试件顶面之间产生了负压效应，此时会把水迅速吸入到冲刷头底部，同时将试件表面的细颗粒以及动力水压导致的“冲刷细渣”带出来，整个过程是一种泵吸作用，用来模拟路面面层回弹。试验用冲刷仪如图1所示。

图1 试验用冲刷仪

此次试验采用的冲刷仪是自行按照国家及行业相关规范要求研制的，试验性能强，可靠性高。试验中分别选取骨架密实结构和悬浮密实结构不同龄期的试件进行冲刷试验，这两种不同结构类型的水泥稳定碎石在不同龄期和不同水泥含量下的冲刷性能试验结果见表7和表8。具体的试验过程如下：

表7 骨架密实结构不同水泥含量、不同龄期的冲刷试验结果

表8 悬浮密实结构不同水泥含量、不同龄期的冲刷试验结果

（1）用固定支架将15cm×15cm的圆柱形试件固定在底座，放入钢桶，注入水，直至水的高度比试件高0.5cm。

（2）用旋转手轮将放有冲刷桶的钢板缓慢升到定位孔和定位杆相互接触的位置。

（3）位置调整合适后，调整大带轮的收紧程度，用手轻轻转动仪器，直至能平稳转动大带轮。

（4）插上电源，事先设置好试验次数，红色按钮为暂停键，绿色按钮为开始键。

（5）冲刷试验结束后，将冲刷桶内的液体倒入金属桶中，静止安放12h。

（6）12h后，将金属桶里的液体倒出，放在恒温105℃的烘箱中，烘干后取出，记录重量。

由表7和表8可知，骨架密实结构和悬浮密实结构冲刷量与水泥含量存在正相关关系，从贝雷法设计的角度出发，在相同龄期中，4.5%水泥含量对于骨架密实结构是一个临界点，当水泥含量大于4.5%时，随水泥含量的增加，冲刷量明显降低，反之，冲刷量增加不明显；而对于悬浮密实结构，水泥含量的增加并没有带来明显的冲刷量变化。可以表明，在选用骨架密实结构时可以通过适当增加水泥含量提高水泥稳定碎石的抗冲刷能力。

5 结语

为分析骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的路用性能，本文采用理论知识结合相关击实试验、抗压回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、干温缩试验和抗冲刷试验对骨架密实结构水泥碎石混合料的稳定的路用性能进行研究，研究结果表明：级配设计合适的悬浮密实结构水泥稳定碎石抗压回弹模量和抗压强度比骨架密实结构小得多；骨架密实结构水泥稳定碎石结构的干缩系数比悬浮密实结构小；骨架密实结构水泥稳定碎石冲刷量与冲刷时间具有同趋势变化关系。