低水泥剂量水稳碎石结构层级配设计优化方法

摘要：为减少水泥剂量、控制半刚性结构层开裂，文章结合工程实例，对水稳碎石原材料及配合比进行优化。研究可知：使用6级筛分标准，对减少材料波动、提升材料稳定性、有效控制强度富余系数具有积极作用；粗集料非关键筛孔，在级配中值上下的变动不会显著影响水稳碎石的强度指标，而仅对摊铺面表观均匀性有影响；进行该石灰岩级配设计时，关键筛孔4.75 mm、0.075 mm筛孔的通过率对混合料强度及水泥剂量消耗具有较大的影响，其他筛孔参考中值，4.75 mm筛孔的通过百分率推荐值为30%～33%，0.075 mm筛孔的通过百分率推荐值为3%～4%，可取得较好的级配效果。

关键词：低水泥剂量；水稳碎石；关键筛孔；级配设计

中图分类号：U416.2" " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.020

文章编号：1673-4874（2024）11-0062-02

0引言

水稳碎石结构层具有较好的强度和刚度，且其平整度好、噪音低、行车舒适、施工工艺简单，在我国的公路建设中被广泛使用，但是水稳碎石结构层对温度、湿度变化非常敏感，容易在温度和湿度影响下产生收缩裂缝，缩短了道路使用寿命［1］。在我国早期的公路建设中，由于规范中对水稳碎石的级配要求非常宽泛［2］，导致碎石级配不合理，不能起到很好的碎石嵌挤作用，而仅仅依靠提高水泥剂量的方式达到无侧限抗压强度的要求，使水泥剂量普遍较高，进一步加剧了道路裂缝的产生，导致路面出现严重的结构层开裂及面层的反射裂缝。路段横向裂缝平均间距约为20 m，而在我国北方，半刚性结构层严重路段的裂缝间距仅为3～5 m，严重降低了道路的使用寿命［3］。在探究水稳碎石的开裂问题上，业界一致认为，减少水泥剂量及细集料用量是提高结构层抗开裂性能的重要措施［4］，但通过原材料控制及碎石级配设计，增加结构强度，从而显著优化水泥剂量［5-6］、改善开裂病害的实例却并不多见。因此，本文将结合工程实例，重点从材料的级配设计出发，探索低剂量级配碎石结构层的优化方法。

某高速公路工程是国家高速公路网的重要路段，位于四川省中部，属亚热带温暖湿润季风气候区，具有夏热期长、冬寒期短、潮湿多雨等特征。根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）设计公路为TTC3类。主车道路面结构形式为：改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13上面层+6 cm中粒式改性沥青混凝土AC-20C下面层+28 cm水泥稳定碎石基层+28 cm水泥稳定碎石底基层+15 cm级配碎石路基改善层。

1原材料

1.1水泥

水泥采用P.O42.5级缓凝水泥，初凝时间≥3 h，终凝时间≥6 h且≤10 h。

1.2粗细集料

碎石原材料主要来源于附近石灰岩料场。材料试样压碎值为18%～19％，洛杉矶磨耗损失为20%～21％，吸水率＜1％。石灰岩采用三级连续破碎工艺加工，水洗除尘设备控制材料洁净度及细粉含量。依据施工经验，集料的分档越细，对级配稳定性控制越有利，因此，综合考虑材料级配稳定性要求及加工成本，该项目碎石按照6级筛分标准进行加工，整筛尺寸要求分别为30 mm、22 mm、16 mm、11 mm、6 mm、3 mm，材料分档分别为19～31.5 mm（1#）、13.2～19 mm（2#）、9.5～13.2 mm（3#）、4.75～9.5 mm（4#）、2.36～4.75 mm（5#）、0～2.36 mm（6#），如图1所示。为了尽量地保持设计级配且减少水泥的消耗量，粗细集料要求除了满足规范规定的物理力学指标外，还应重点控制粗集料针片状颗粒含量≤18%（避免碎石破碎影响级配），粒径＜0.075 mm颗粒含量≤1%；细集料粒径＜0.075 mm颗粒含量控制在10%。

2配合比设计及性能检测

2.1配合比设计

根据水稳碎石层的级配控制要求，初拟以下三种碎石级配，如表1所示，级配曲线如图2所示。

A、B级配的含石率均为68%，即粗细集料的比例为68∶32。9.5 mm以上筛孔粗集料通过率参考中值，9.5 mm、4.75 mm、0.075 mm筛孔的通过率控制在中值以上，即中值偏细级配。B级配在A级配的基础上微调了粗集料的用料比例，9.5 mm筛孔通过率降低，即增加了粒径＞9.5 mm筛孔粗集料在整个粗骨架的占比，但含石率不变，也就是说4.95 mm筛孔和0.075 mm筛孔的通过率无较大变动。

C级配的含石率为71%，即粗细集料的比例为71∶29，粗集料其他筛孔的通过率在中值左右波动，关键筛孔4.75 mm筛孔的通过率控制在中值偏下，即中值偏粗级配，粉料0.075 mm筛孔含量控制在级配中值附近。

2.2现场施工及指标检测

现场拌和使用了性能较好的800型双拌缸拌和机进行拌和，每个拌缸的拌和长度≥3 m。为了明确大规模拌和对材料级配波动的影响，试验小组针对三种配合比在大规模生产中的出料均匀性及重要筛孔波动范围进行了跟踪。统计试验结果如表2所示。

不同生产日期内，在施工现场按照每日两次的频率，抽取混合料进行无侧限抗压强度试件制件。制件方式采用静压成形法，每组试验制件数量≥9个。经室内检测，得出不同碎石级配及水泥剂量下，混合料的无侧限抗压强度统计指标如表3所示。

3结果分析

从生产中出料均匀性检测情况看，当使用6级筛分标准的碎石原材进行混合料拌和时，各配合比的强度最小值与强度标准值间的差异可控制＜0.4 MPa，表明当原材料使用稳定的6级筛分标准时，对混合料均匀性有显著的提升，可有效减少由于材料波动引起的强度不合格情况，降低材料的强度富余系数，节省水泥。

通过对比A、B、C三个碎石级配的水泥消耗量及强度指标可知，在A、B、C三个碎石级配中，C级配的力学嵌挤最佳，达到要求的材料强度时，水泥消耗量最少。

当水泥剂量同为3.0%时，A级配与B级配的无侧限抗压强度值及强度富余系数值均相当，表明粗集料非关键筛孔在级配中值上下的变动不会显著影响水稳碎石的强度指标。但通过摊铺后的水稳结构层表面状态看，B级配更均匀，纵向离析带较A级配窄，虽然A、B级配强度差异小，但级配曲线上端材料占比多时（即1#材料在粗骨架中占比多），混合料摊铺离析情况比粗骨架中间级配材料多时更不易控制。

当B、C级配水泥剂量均为2.8%时，由于C级配关键筛孔4.75 mm及粉料筛孔0.075 mm的通过百分率明显降低，即材料骨架明显变粗，因此C级配对水泥剂量的消耗显著降低，同时表明关键筛孔变粗对水稳材料强度的提升具有正面作用。当4.75 mm筛孔的通过百分率保持在中值偏下即级配骨架较粗、并控制0.075 mm筛孔以下粉料含量在中值上下时，有利于减少水泥剂量。

综合A、B、C级配及出料均匀性检测结果可知，针对此石灰岩进行级配设计时，4.75 mm、0.075 mm的筛孔通过率对材料强度及水泥剂量消耗具有较大的影响。在其他筛孔参考中值时，4.75 mm筛孔通过百分率的推荐值为30%～33%、0.075 mm筛孔的通过百分率推荐值为3%～4%时，可得到较好的级配效果，水泥消耗量低。

分别对B级配和C级配的水泥剂量按照0.2%的梯度进行优化，B级配2.8%的水泥剂量与C级配2.6%的水泥剂量相当，当C级配的水泥剂量降低到2.4%时，刚好能够满足水稳结构层的强度要求，且其富余可控制在1.1以内。通过级配优化，水泥剂量为2.4%时的材料无侧限抗压强度可达到4.0 MPa以上，在国内的施工实例中是比较少见的。

4结语

本文通过选取四川省某高速公路项目水稳碎石级配设计实例，进行试验优化和总结，取得了较好的试验效果，通过分析水泥剂量优化的方法，得出了基于原材控制及关键筛孔控制的级配控制方法。

（1）使用6级筛分标准对碎石原材料及原材料粉尘加以控制，对减少材料波动，提升材料稳定性，减少强度富余系数具有积极作用。同时，该项目中采用3 mm、6 mm、11 mm、16 mm、22 mm、30 mm整筛控制标准进行碎石生产是合理的组合。

（2）粗集料非关键筛孔在级配中值上下的变动不会显著影响水稳碎石的强度指标，仅对摊铺面表观均匀性有影响。

（3）进行级配设计时，4.75 mm、0.075 mm的筛孔通过率对材料强度及水泥剂量消耗具有较大的影响。其他筛孔参考中值，4.75 mm筛孔通过百分率的推荐值为30%～33%，0.075 mm筛孔的通过百分率推荐值为3%～4%。

参考文献：

［1］陈攀林，刘松.高速公路路面水稳底基层与基层施工技术［J］.四川水泥，2019（5）：10.

［2］JTGTF20-2015，公路路面基层施工技术细则［S］.

［3］王雪彬.公路施工中水稳基层裂缝防治技术［J］.交通世界，2020，27（21）：72-73.

［4］张振伟，汤雄，李峰.青银高速公路水稳基层施工质量控制技术要点［J］.公路交通科技（应用技术版），2018，14（1）：38-40.

［5］刘铁军.抗裂型水泥稳定碎石基层材料在公路中应用研究［J］.合成材料老化与应用，2020（3）：86-90.

［6］李建斌，李强.骨架密实水泥稳定碎石混合料级配规划求解设计研究［J］.公路，2019，64（3）：255-258.

作者简介：刘丽（1989—），硕士，工程师，主要从事高速公路工程建设路面技术咨询及科研创新工作。

收稿日期：2024-05-16