沈 凱，程 理

(1.昆山市鹿通路橋工程有限公司，江蘇 蘇州 215300；2.東南大學，江蘇 南京 215123)

1 引 言

半剛性基層是我國公路及城市道路普遍采用的主要路面基層材料，其具有強度高、板體性好等優(yōu)點。水泥穩(wěn)定碎石具有較好的抗沖刷性、水穩(wěn)定性、抗凍性和抗疲勞性，且具有良好的經(jīng)濟性，在半剛性基層材料中使用最為廣泛[1]。然而，隨著水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面的大量使用，逐步發(fā)現(xiàn)路面早期出現(xiàn)了比柔性基層瀝青路面多而頻繁的反射裂縫[2，3]。這不但造成巨額的維修成本，而且極大影響路面使用性能和行車安全。針對該問題國內(nèi)外學者從改性材料，外摻材料，級配等方面不斷提出改善水穩(wěn)碎石基層的抗開裂方法[4-6]。

在總結間斷級配設計理論的基礎上，依據(jù)貝雷法分別確定了水穩(wěn)填充大粒徑碎石中大顆粒碎石的粒徑范圍和填充水穩(wěn)的最大公稱粒徑，依據(jù)主骨料空隙填充法得出了可由粗、細集料的振實密度確定二者的組成比例。采用以上方法對試驗路段基層材料進行了配合比設計，得到了合成級配與施工配合比。該試驗段位于蘇州昆山市祖沖之路北路與雉城南路交界處，祖沖之路北路的主道路一側的支路段上，作為昆山市交通工程集團有限公司關于水泥穩(wěn)定碎石結構與材料抗裂技術應用研究的研究路段。

2 組成設計思路

貝雷法是由美國伊利諾伊州運輸部的Bailey首先提出較為完整的骨架密實型級配的設計思想，貝雷法將集料分為粗、細集料兩部分，粗集料用以形成骨架，提供主要強度。細集料用以填充粗集料產(chǎn)生的空隙，與水泥膠結提供次要強度。粗細集料根據(jù)集料的公稱最大粒徑劃分，可按照公式(1)確定

PCS/0.22NMPs

(1)

式中:PCS為第一控制篩孔尺寸；NMPS為公稱最大粒徑。

式中的系數(shù)與細集料的形狀有關，細集料全為圓形時，取0.15，粗集料全為方形時，取0.29，取值范圍在0.15～0.29之間，一般取0.22。

在確定粗細集料公稱最大粒徑劃分之后，確定粗、細集料各組分的密度，礦質(zhì)混合料的總重，根據(jù)各級粗集料體積與各級細集料體積之和為單位體積的原理，確定各集料的合成質(zhì)量百分比。之后根據(jù)粗集料中所含的部分細集料以及細集料中所含的部分粗集料，分別修正粗、細集料的質(zhì)量百分比。

最后貝雷法混合料的合成級配通過以下三個參數(shù)進行分析與控制

(2)

(3)

(4)

根據(jù)經(jīng)驗，CA越大時，粗集料顆粒之間越不易嵌擠成型，施工難于壓實，CA越小，混合料越容易產(chǎn)生離析并難以壓實，一般CA在0.4～0.8之間而FAc和FAf一般要求小于0.5。[7]

按照傳統(tǒng)最大密度理論設計的混合料，其礦料級配組成往往過于密實，較粗的集料懸浮于較細的集料中，這種結構主要依靠水泥水化產(chǎn)物膠聯(lián)作用形成強度；與之相比，按骨架密實型級配設計的混合料，突出了集料骨架的形成，粗顆粒間的接觸點增多，在外界荷載作用下，主要依靠集料間的內(nèi)摩阻力來傳遞荷載，具有更好的抗變形能力。另外，相比于連續(xù)級配，間斷級配由于剔除了某幾檔細集料，降低了對粗集料骨架形成的干涉效應，因此本試驗在進行水穩(wěn)填充大粒徑碎石的組成設計時，采用間斷級配是更合理的選擇。

試驗總體設計思路如下：采用間斷級配，用大粒徑顆粒(26.5～31.5 mm)形成骨架，保證其充分接觸，是承載的主要框架;以不干擾大粒徑骨架形成為目標，選擇較小公稱最大粒徑((參照貝雷法的標準，按0.22倍公稱最大粒徑控制，即4.75 mm)的混合料進行填充，并與大粒徑粗集料一起形成間斷級配，其主要作用不是與粗顆粒形成板體，而是在大粒徑骨架間隙對大粒徑顆粒骨架起到支撐和側向限制作用；為保證填充材料側限作用，增加填充混合料的強度和形狀契合度，用水泥結合料穩(wěn)定，整體用于填充大粒徑顆粒骨架間空隙。

并且根據(jù)貝雷法細集料填充粗集料間隙的基本原理，從1/2最大公稱尺寸的篩孔到粗細料的分界篩孔之間(0.22～0.5D)這部分集料最容易對粗集料級配發(fā)生干涉，若該部分集料太多就會干涉粗集料的級配，特別多時其就會控制粗集料的級配,因此要限制其含量，即暫時剔除6.93～15.75 mm粒徑范圍內(nèi)的顆粒。

根據(jù)主骨料空隙填充法的指導思想，各級粗集料質(zhì)量分數(shù)與細集料質(zhì)量分數(shù)之和為百分之百，且各級粗集料體積與各級細集料體積之和為單位體積，并假設在水穩(wěn)填充大粒徑碎石攤鋪施工完成后，粗骨料空隙完全由細料水穩(wěn)填充滿，無需考慮空隙率。那么根據(jù)以上分析，水穩(wěn)填充大粒徑碎石振實狀態(tài)下，粗、細集料的質(zhì)量百分率與各密度參數(shù)間關系即遵循式5和式6的關系。這之后，就可以計算出粗細集料的質(zhì)量占比。

qc+qf=100

(5)

(6)

VCADRC=(1-ρc/ρb)×100

(7)

將公式(7)代入公式(5)和公式(6)，得到

(8)

qc=100-qf

(9)

式中：qc為粗集料的質(zhì)量百分率，%；qf為細集料的質(zhì)量百分率，%；ρc為粗集料的松方密度，g/cm3；qf為細集料的松方密度，g/cm3；ρ為粗集料細集料兩者混合振實時的松方密度，g/cm3；為振實狀態(tài)下粗集料骨架間隙率，%；ρb為粗集料的毛體積密度，g/cm3。

3 原材料

3.1 試驗用料

本次試驗中采用粗細集料取自蘇州昆山的鹿通路橋大眾拌合站的水穩(wěn)拌合材料，粗集料為公稱最大粒徑26.5 mm的G7規(guī)格粗集料。依據(jù)貝雷法確定細集料為公稱最大粒徑為9.5 mm的G10規(guī)格粗集料和公稱最大粒徑為4.75 mm的XG3規(guī)格細集料。水泥采用普通硅酸鹽水泥P·O 42.5。

3.2 配合比設計

振動壓實成型的試件顆粒堆積更為緊密，在壓實度上高于靜壓成型的試件，而對于實驗的大粒徑水穩(wěn)碎石，其強度大部分由粗集料形成的骨架提供強度，而振動成型的高壓實度相比于靜壓成型更能保證骨架成型，所以在配合比初步設計階段，首先進行振動壓實成型，進行橫向的7d無側限抗壓強度強度，優(yōu)選各個組分的最佳占比。而在之后的級配調(diào)整和強度試驗時進行靜壓成型試件，滿足規(guī)范的要求也同時對應生產(chǎn)中的常規(guī)方式。

按照主骨料空隙填充法計算得出填充用水穩(wěn)碎石的質(zhì)量比例應不大于45.2%，粗細配合比設為粗集料：細集料初步質(zhì)量比設為55∶45左右。按照最大干密度與最佳含水率試驗得出最佳含水率應為5.4%。

分別對粗細集料質(zhì)量比為60∶40，55∶45，50∶50，45∶55，含水量為3.3%、3.9%、4.5%、4.7%、5.4%，水泥劑量為3.5%的水泥穩(wěn)定碎石材料進行振動成型，通過比對7d無側限抗壓強度指標，優(yōu)選各個組分的最佳占比。

由表1可知，粗細集料質(zhì)量比為55∶45，含水量為4.5%為最佳的配合比

表1 粗細集料占比、水泥劑量、含水量及7 d無側限抗壓強度

3.3 級配調(diào)整

根據(jù)《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中混合料設計組成中的水泥穩(wěn)定級配碎石推薦的級配范圍，設計靜壓成型試件的粗細集料比例。

以間斷級配為目的，靜壓成型的一種方案以只用粗細集料這兩檔材料來成型，即G7，XG3集料作為被穩(wěn)定材料。

對于第一種方案，只使用G7，XG3兩種規(guī)格的粗細集料可以保證不存在0.22D～0.5D粒徑的集料，使這部分規(guī)格的粗集料無法干涉粗集料骨架的形成。但根據(jù)貝雷法混合料的合成級配控制參數(shù)要求計算可得粗集料比CA等于0，對于施工而言極易導致離析的現(xiàn)象產(chǎn)生，不符合參數(shù)控制的要求。配合以粒徑稍大的細集料來提高粗細集料的粘結不僅可以提高強度，并且隨著充填料質(zhì)量分數(shù)增加，也可以使料漿離析率減小[8，9]。

所以為防止施工中出現(xiàn)離析現(xiàn)象，靜壓成型的第二種方案以用粗細集料來成型，但細集料用以4.75 mm粒徑的集料為主，9.5 mm粒徑的集料為輔來成型試件，即G7，G10，XG3作為被穩(wěn)定材料。

以《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)中的水泥穩(wěn)定級配碎石推薦的一組針對高速公路與一級公路的級配C-B-1作為參考，為滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)推薦級配C-B-1中0～4.75 mm篩孔尺寸的級配范圍要求，并保證合成級配參數(shù)CA滿足貝雷法混合料的參數(shù)要求。經(jīng)計算得，G10質(zhì)量占比為18%，GX3質(zhì)量占比為27%。此時的粗集料比CA等于0.25,接近合成級配參數(shù)控制的要求。

如表2所示，配合比A是以26.5 mm粒徑粗集料與4.75 mm粒徑的細集料組成的間斷級配配合比，配合比B是以26.5 mm粒徑粗集料，以及將細集料部分從原本4.75 mm粒徑的單一檔料優(yōu)化為兩部分檔料構成9.5 mm粒徑細集料所組成的間斷級配配合比，級配曲線如圖1所示。由圖1可知，在粒徑的9.5 mm以下的集料中，配合比B基本滿足在規(guī)范推薦的針對高速公路與一級公路的水泥穩(wěn)定級配碎石的級配C-B-1，在設計階段就充分考慮施工的和易性，以保證間斷級配集料的流動性、粘聚性及保水性，防止在施工過程中出現(xiàn)離析的現(xiàn)象。

表2 配合比設計方案的級配

圖1 配合比設計方案的級配曲線圖

4 水泥穩(wěn)定碎石混合料強度試驗

按照表1的配合比方案分別對粗細集料質(zhì)量比為60∶40，55∶45，55∶18∶27，含水量為5.5%、4.5%，水泥劑量為4.5%、6%的水泥穩(wěn)定碎石材料進行靜壓成型制備試件，通過比對7 d無側限抗壓強度指標，優(yōu)選各個組分的最佳占比。

由表3可知，粗集料質(zhì)量分數(shù)為55%最佳，對于細集料，使用兩檔的集料相比于使用一檔的集料，試件的強度有了明顯的提高，達到滿足規(guī)范要求的4 MPa的靜壓成型7 d無側限抗壓強度的條件。在僅使用一檔細集料的條件下，將水泥劑量提高到6%也可以使7 d無側限抗壓強度達到規(guī)范要求。

由表4可知，粗細集料質(zhì)量為55∶45，水泥劑量4.5%，含水率5.5%基本可以滿足要求，水泥強度配合比4與配合比5為強度較高比較合適選定的設計配合比。

表3 靜壓成型配合比設計方案

表4 靜壓成型試件7 d無側限抗壓強度試驗結果

表5 靜壓成型試件90 d室內(nèi)抗壓回彈模量試驗結果

5 試驗段應用實例

試驗段長100 m，位于蘇州昆山市祖沖之路北路與雉城南路交界處，祖沖之路北路的主道路一側的支路段上，試驗段采用配合比5的水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料作為基層材料。

試驗段施工完畢后進行養(yǎng)生環(huán)節(jié)，使用土工布進行覆蓋補水養(yǎng)生。由于水泥的水化作用以及早晚溫度變化等因素的影響，普通水穩(wěn)碎石材料會在養(yǎng)生階段以及養(yǎng)生完畢后的一段時間內(nèi)會出現(xiàn)溫縮、干縮開裂，在表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。與普通水穩(wěn)碎石基層材料對比，在試驗段的養(yǎng)生階段以及之后的一段時間內(nèi)，基層材料并沒有出現(xiàn)表面開裂的現(xiàn)象。對試驗段進行多次鉆心取樣，芯樣也沒有出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

試驗段采用了水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料作為基層材料，水穩(wěn)填充大粒徑碎石材料因主骨料形成框架緊密嵌擠，形成具有較好內(nèi)摩阻力的框架結構和細水穩(wěn)填充主骨架空隙，形成密實的混合料結構，較好解決了瀝青碎石承載力不足引起的不均勻網(wǎng)裂、渠化和水泥穩(wěn)定材料的縮裂問題。具有強度高、抗縮裂、不需封閉交通、對機械設備要求不高，工藝簡單、工程造價相對較低等特點。

6 結 論

(1)使用貝雷法設計確定了一種間斷級配的水泥穩(wěn)定碎石材料的配合比。G7規(guī)格粗集料質(zhì)量占比55%，G10規(guī)格粗集料質(zhì)量占比18%，XG3規(guī)格細集料質(zhì)量占比27%，水泥劑量4.5%，含水率5.5%。

(2)這種材料與骨架密實連續(xù)級配水穩(wěn)碎石在級配上相比，剔除了一部分干涉檔料，減小了干涉檔料對骨架形成的影響，更易形成骨架。強度相比也滿足要求，抗裂性能也更為優(yōu)越。