林百岑

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司）

0 引言

路基路面的強度與穩(wěn)定性跟水的關系緊密相連，路面內部的水能造成或加速路面的損害。排水路面中，透水基層用的材料有排水式瀝青穩(wěn)定碎石、級配碎石、大粒徑透水性瀝青混合料、骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石和透水水泥混合料，其中骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石混合料，礦料由粗集料和細集料兩部分組成，粗集料部分充當骨架強度結構作用，細集料和無機料化合后的反應物可以填充骨架空隙。排水瀝青路面結構中的水透過透水基層，滲到骨架密實型的無機結合料穩(wěn)定材料的下基層，然后從側向排到路面邊沿，從而改善路面材料的作用環(huán)境，減輕水損害，延長使用壽命。通過對骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石級配組成和室內試驗的研究，總結出配合比設計的關鍵因素。

1 結合料及原材料的技術指標

透水基層的水泥穩(wěn)定材料采用水泥、粗集料、少量的細集料及水分按設計空隙率和水灰比結合穩(wěn)定形成骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石。

集料選用清遠佛岡飛龍石場的石灰?guī)r，規(guī)格分別有10～25mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm；水泥選用英德海螺水泥有限責任公司生產的P·O42.5水泥；拌合水采用飲用水。

對所用的粗集料分別進行壓碎值試驗、針片狀顆粒含量試驗（游標卡尺法）、0.075mm以下粉塵含量、軟石含量、顆粒分析等試驗，對細集料進行顆粒分析和＜0.075mm的粉塵含量試驗。檢驗結果見表1。表1的技術要求參照JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》。

表1 集料技術指標及檢驗結果

各檔集料的篩分結果見表2。表2中的技術要求參照JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》。

表2 集料顆粒分析結果

進行水泥的凝結時間測試，試驗結果見表3。技術要求參照GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。

表3 水泥凝結時間結果

根據《透水瀝青路面技術規(guī)程》CJJ/T 190-2012，在透水基層混合料的配合比設計的指標要求中，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的要求為：水泥采用32.5或42.5級的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥；水泥用量宜為8%～12%；水灰比宜為0.39～0.43；材料的空隙率為15%～23%；7d抗壓強度為3.5～6.5MPa。

作為透水基層的混合料，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石必須具有足夠的透水能力。透水能力用透水系數、連通空隙率指標來衡量。連通空隙率是保證排水層發(fā)揮作用的關鍵，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的連通空隙率是通過減少細集料的含量來實現，而細集料含量少必然導致結合料的強度變低。因此要控制好水泥的用量，否則強度指標達不到設計規(guī)范要求。

為了實現骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石排水層性能要求，同時又不影響結合穩(wěn)定材料的路用性能，確定7d無側限抗壓強度設計值為≥3.5MPa。

2 礦料級配組成設計

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石透水性材料為多孔混合料，它的級配類型為開級配，要求空隙率大并且各集料間嵌不密實和連通，透水性能強，故礦料的級配設計很重要。根據《公路排水設計規(guī)范》JTG/TD33-2012對透水性排水基層集料的要求，集料應選用潔凈、堅硬的碎石，其壓碎值不得大于30%，最大粒徑為20mm或25mm，并不得超過層厚的2/3。

在《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》JTGF40-2004中，用于排水基層的開級配瀝青穩(wěn)定碎石混合料ATPB-25的礦料級配范圍見表4。

表4 ATPB-25級配范圍

在《排水瀝青路面設計與施工技術規(guī)范》JTG/T 335 0-03-2020中，對于排水瀝青混合料PA-20的級配范圍見表5。

表5 PA-20級配范圍

在《透水瀝青路面技術規(guī)程》CJJ/T190-2012的技術指標中，明確用于透水基層的級配碎石的空隙率宜大于10%，級配碎石的級配范圍見表6；用于透水基層混合料的大粒徑透水瀝青混合料LSPM的公稱粒徑不宜小于26.5mm，選用的級配范圍見表7。

表6 級配碎石的級配范圍

參考表4～表7數據，遵循空隙率為15%～23%、水灰比為0.39～0.43的設計原則，通過室內擊實試驗，利用密度與空隙率的關系，采用體積法驗證改善，確定最終的級配范圍，見表8。

表7 大粒徑透水性瀝青混合料LSPM-25推薦級配范圍

根據表2各集料的篩分結果，計算各集料的用量比例，使得合成的礦料級配在表8的上下限范圍內且接近S線。骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石設計級配曲線見圖1。

圖1 合成礦料級配曲線圖

表8 骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的級配范圍

3 室內物理性能分析

3.1 測定各指標的試驗方法

根據CJJ/T 190-2012設計規(guī)范中水泥用量宜為8%～12%的要求，骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石采用規(guī)范范圍內的5個水泥用量與設計的礦料級配進行擊實試驗，擊實方法采用丙法擊實，得到的擊實結果和水灰比結果如表9所示。

表9 不同水泥劑量的結合料的擊實和水灰比結果

按不同的水泥劑量，根據各自穩(wěn)定材料的最大干密度和最佳含水量，采用設計配合比進行配料，按照靜壓法成型試件用于測試穩(wěn)定材料的連通空隙率，其中成型試件的壓實度取值81%。壓實度是參照CJJ/T 190-2012規(guī)范中空隙率為15%～23%的設計要求取中值，即系數0.77～0.85的中值為0.81。標準養(yǎng)生7天后按不同的水泥劑量為標的分別測定連通空隙率、透水系數和無側限抗壓強度。

3.1.1 連通空隙率

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的連通空隙率主要試驗步驟如下：

⑴骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在5個不同水泥劑量按各自的擊實結果，采用設計配合比進行配料，按100×100的標準樣品規(guī)格計算每份材料的加水量、水泥的質量、粗細集料顆粒的質量，每份由人工充分攪拌；

⑵按最佳含水量的一半水量添加至礦料中分別充分拌和均勻，然后悶料浸潤30min；

⑶在把試樣裝入模前，加入準備好的水泥并拌和均勻，把預留的水量噴灑至混合料后中充分拌勻，直到混合料達到最佳含水量的狀態(tài)。

⑷攪拌均勻后的混合料裝入試模，用力壓平試模兩端的壓板，試件靜置8～12小時后再脫模，脫模時間不能太早，因為試件的細集料含量比較小，不能完全包裹住粗集料，早脫模容易導致試件脫落松散導致費件。

⑸把脫模后的試件放在專用的塑料袋中密封并進行編號，然后放到養(yǎng)護室標準養(yǎng)護7天。

⑹每組試驗至少三個試件，把養(yǎng)生后的試件用卡尺測取直徑和厚度（精確至0.1mm），測直徑時選取兩個位置，測厚度時取4個（交互90°），用各自的平均值計算試件的體積（V）。

⑺將試件在室溫干燥空氣中風干至質量不再發(fā)生變化后，測定常溫、干燥狀態(tài)下的試件質量（A）。

⑻將試件置于常溫下的水中約1min后，測定其水中重量（C）。測定時，用木槌輕輕敲打試件，將空隙中殘存的空氣排出。

連通空隙率應按公式⑴、⑵進行計算：

式中，

VV＇——通空隙率（%）；

V＇——混合料和封閉空隙的體積（mm3）；

V——試件的體積（mm3）；

A——試件常溫、干燥狀態(tài)下的質量（g）；

C——試件在水中的質量（g）；

ρw——常溫水的密度（1.0g/cm3）。

試驗結果應以平行試驗的連通空隙率的平均值表示。連通空隙率的試驗裝置如圖2所示。

圖2

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在不同的水泥劑量下，在7d的齡期進行混合料的連通空隙率試驗，結果見表10。

表10 連通空隙率試驗的結果

3.1.2 透水系數

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的透水系數試驗主要步驟如下：

⑴把養(yǎng)生后的試件用卡尺測取直徑和厚度（精確至0.1mm），測直徑時選取兩個位置，測厚度時取4個（交互90o），用各自的平均值計算試件的橫截面面積（A）。

⑵將試件放進套筒，與套筒的周邊接觸處用密封材料密封，使其不會在套筒的內側壁漏水，水僅僅從試件的上下表面進行滲透。

⑶裝有試件的套筒上接透水圓筒后放入溢流水槽，打開外部水源向套筒內供水，調節(jié)水閥大小，直至溢流孔保持常水位。

⑷進水在常水壓條件下向下滲透，滲透通過試件的水用量筒收集，測定5s左右的透水量。

透水系數按式⑶、⑷計算：

式中，

Crw——透水系數（㎝/s）；

Q——滲透經過試件的水量(㎝3)；

t——滲透經過試件的時間（s）；

L——試件的高度（㎝）；

H——水頭高度（㎝）；

A——試件的橫截面面積（㎝2）；

K20——標準溫度（20℃）時試件的透水系數；

ηT——T℃時水的動力黏滯系數；

η20——20℃時水的動力黏滯系數。

以3個試件的測定結果的平均值作為最終的透水系數結果，透水系數的試驗裝置如圖3所示。

圖3

骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在不同的水泥劑量下，在7d的齡期進行混合料的透水系數試驗，結果見表11。

表11 透水系數試驗的結果

3.1.3 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗的方法按JTG E51-2009 T0805來執(zhí)行，檢驗結果如表12所示。

表12 無側限抗壓強度試驗的結果

3.2 室內性能試驗的綜合分析

綜合室內試驗結果描繪相關的關系曲線。連通空隙率與水泥劑量的關系曲線見圖4。

圖4 連通空隙率與水泥劑量的關系圖

透水系數與水泥劑量的關系曲線見圖5。

圖5 透水系數與水泥劑量的關系圖

無側限抗壓強度與水泥劑量的關系曲線見圖6。

圖6 無側限抗壓強度與水泥劑量的關系圖

由三個關系曲線圖可以看出，隨著水泥劑量的增加，連通空隙率和透水系數逐漸減少，而無側限抗壓強度逐漸遞升。根據規(guī)范[5]的設計要求，強度要求≥3.5MPa，水灰比為0.39～0.43，因此確定骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石中水泥的最佳劑量為10%。

4 結語

通過對骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石所用原材料進行優(yōu)選，然后優(yōu)化骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的級配組成設計，參照多種透水路面材料的級配要求綜合估算出合適的級配范圍，按擊實結果的大小作為強度相關性的依據，通過力學性能綜合分析、合適的水灰比以及路用性能、施工難易程度分析，選擇19%的空隙率即壓實系數為0.81，水泥劑量為10%的骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石。

根據骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石透水性材料的無側限抗壓強度和水對材料的影響，總結規(guī)律如下：

⑴無側限抗壓強度的數值并不很高，擊實結果最大干密度和水泥劑量呈正相關，要平衡好強度和水泥劑量的關系，盡量選擇高密度的材料以對沖整體穩(wěn)定材料的強度的不足。

⑵隨著水泥劑量的增加，連通空隙率和透水系數逐漸減少，而無側限抗壓強度逐漸遞升。

⑶水灰比與擊實結果成正比，在水泥劑量一定下，控制好最佳含水率等于控制好水灰比。