水泥稳定碎石振动成型

可见，通过级配调整，即采用骨架密实结构非但不能提高水 泥稳定碎石材料的劈裂强度，反而使材料的抗拉能力有所降低。 因此，在配合比设计中，当考虑半刚性基层抗裂要求时，虽然可 通过级配调整，采用骨架密实结构使材料抗压强度得以提高，但 过粗的集料级配也会使材料的抗拉能力降低。
2.1.3抗弯拉强度
级配 水泥剂量（%） 3.0 级配A 4.0 1.07 5.0 1.23 3.0 0.76 级配B 4.0 1.02 5.0 3.0 级配C 4.0 5.0
（6）通过掺加纤维来改善半刚性基层的抗裂效果。
（7）设置土工织物、应力吸收层等中间层。 （8）预制微裂缝、预切缝以降低其收缩性。
第三节 国内外研究现状
（1）半刚性基层材料温缩都与其温度收缩系数有密切关系，是其固相、 孔隙中水及气体三相组成材料的热胀缩性及其相互作用的综合效应。 半刚性基层材料干缩的基本原理是由于随含水量的蒸发而发生的毛细 管张力作用、吸附水和分子间力作用、矿物晶体或凝胶体层间水作用， 以及碳化收缩作用等四个过程而引起的整体宏观体积的收缩变化。其 干燥收缩值与材料刚度成反比，与含水量成正比。 （2）半刚性基层材料的收缩裂缝和材料本身的组成有关。整体级配越 细，干燥收缩越大，越容易导致产生裂缝；且干缩破坏主要发生在早 期。混合料集料级配过粗（4.75mm通过率29%）时基层弯沉值较大，因 此建议集料级配宜控制4.75mm通过率为34%左右。混合料中0.075mm以 下的粉料含量越多，混合料抵抗收缩能力越差。 （3）骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强ຫໍສະໝຸດ Baidu、劈裂强度、 抗冻性能、抗疲劳性能等方面明显优于规范推荐的悬浮结构水稳混合 料，尤其是抗裂能力大大提高，极大地延长了基层的开裂间距。 （4）水泥含量对混合料的路用性能具有显著影响，水泥含量越大，水 泥碎石混合料抗裂能力越差。相同级配的水泥稳定碎石混合料存在一 相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量。水泥稳定碎石混合料收缩主要 来源于干缩，而干缩主要发生在施工和养护期间。
7天无侧限抗压强度(MPa)
5.0
4.0
3.0
2.0
级配A 级配B 级配C
2.5 3.0 3.5 4.0 水泥剂量(%) 4.5 5.0 5.5
1.0
图2.1—3无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线
第二节 振动成型法水泥稳定碎石混合料路用性能研究 2.1强度特性 2.1.1抗压强度
12 10
抗压强度(MPa)
采用振动成型法的水泥稳定碎石 混合料配合比设计与施工技术
唐山市公路管理处 2009年5月
第一章 概述
第一节 半刚性基层的特点及存在的问题 第二节 半刚性基层裂缝产生的机理分析及防治措施
第三节 国内外研究现状
第四节 本课题研究的主要内容
第一节
半刚性基层的特点及存在的问题
1.1半刚性基层具有以下特点： 强度高、稳定性好、承载能力高、工程造价较低。
第二节 半刚性基层裂缝产生的机理分析及防治措施
2.3减少半刚性基层收缩裂缝的措施 目前，减少半刚性基层收缩裂缝可从以下几方面入手：
（1）尽量使用骨架密实结构矿料级配。
（2）减少细集料含量。 （3）尽可能减少0.075mm通过率。 （4）在满足强度要求的情况下，用最小水泥剂量。 （5）添加水泥膨胀剂和减缩剂。
第三节 国内外研究现状 （5）未经充分压实的混合料其局部区域空隙率偏高，从而影响 基层强度、抗冻性、抗裂特性、抗疲劳性能等，因此在基层施工 时一定要保证有足够的压实度以减少基层裂缝的产生。 （6）通过振动压实的水泥稳定碎石混合料芯样无侧限抗压强度 远高于室内静压法成型试件的无侧限抗压强度。 （7）水泥稳定碎石混合料振动压实时响应频率在35Hz左右，最 佳振幅在1.3mm－1.7mm之间。对级配良好的易于振动压实的水泥 稳定碎石混合料，静面压力、激振力等振动参数对达到标准振实 状态所需的振动时间影响很大。含水量对水泥稳定碎石混合料的 振动压实效果影响较大，水泥稳定碎石混合料振动压实的最佳含 水量略小于重型击实所确定的最佳含水量。振动压实成型方式极 大的提高了试件的抗压强度，而混合料最大干密度提高相对较小。 （8）在其它条件相同的情况下，土中粘粒含量愈多水泥稳定土 收缩能力越强。试件含水量越大，试件干缩应变越大，所以在基 层施工中要严格控制含水量。密实度越大，试件干缩应变越小， 故而减小基层开裂可以用增加压实功能来改善。
8 6 4 2 0 0
级配A 级配B 级配C
水泥剂量4.0%
yA = 1.4458Ln(x) + 1.9037 R = 0.9393 yB = 1.6553Ln(x) + 1.2622 R = 0.9948 yC = 1.3391Ln(x) + 1.903 R2 = 0.9636
2 2
30
60
90 120 龄期(天)
级配A
4.0 5.0 3.0
级配B
4.0
5.0 3.0
5.4
5.4 5.0
2.473
2.479 2.466
4.37
4.92 3.38
9.37
6.26 6.55
级配C
4.0
5.0
5.1
5.2
2.472
2.477
4.33
4.90
5.25
3.98
1.4 3个级配混合料的无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线
6.0
2.2干燥收缩裂缝产生的机理分析
半刚性材料因内部含水量的蒸发而发生体积收缩的现象称为 干燥收缩。其基本原理是由于随含水量的蒸发而发生的毛细管张 力作用、吸附水和分子间力作用以及材料矿物晶体或凝胶体间层 间水的作用等几个作用过程而引起了整体宏观体积的收缩变化。 在其它条件恒定时，半刚性材料的干燥收缩与含水量成正比， 与材料的刚度以及相对湿度成反比。
2 2
90 120 龄期(天)
150
180
210
由图中曲线关系分析可见：
（ 1 ）各配比劈裂强度均随龄期的增长呈对数函数关系增大，且 有较好的相关性。各配比均呈现出相同的规律性，直至达到稳定。 （2）就同一级配而言，水泥剂量越高材料的劈裂强度越高。说 明水泥剂量的增加可明显改善提高水泥稳地碎石混合料的抗拉能 力。 （ 3 ）对于相同水泥剂量而言，级配越粗表现出材料的后期强度 相对越低。这一点与抗压强度不同，可见，对于半刚性材料的抗 拉能力，水泥材料的粘聚力贡献更大，因而级配越粗其混合料的 抗拉能力相对较弱。
1.2半刚性基层存在的问题：
（1）普遍存在不同程度的裂缝。 （2）抗拉强度低，极限拉伸应变小。 （3）与沥青面层的层间粘结困难，很难成为整体。 （4）损坏后的维修困难。
以上问题的存在并不表明半刚性基层路用性能差，更不表明 半刚性材料不适宜作高等级路面的基层。但是，工程实践中出 现的一些问题却反映出目前采用的半刚性基层在混合料设计、 评价指标及试验方法等方面尚需进一步研究并改进。
第二章 . 振动成型法水泥稳定碎石混合料的抗裂性能研 究
第一节 . 振动成型法水泥稳定碎石混合料配合比优化设 计研究 第二节.振动成型法水泥稳定碎石混合料路用性能研究 第三节.振动成型法水泥稳定碎石混合料抗裂性能研究 第四节.抗裂基层评价方法与指标
第五节.专题结论
第一节 振动成型法水泥稳定碎石混合料配合比优化设计研究 1.1振动成型方法简介
1.2 矿料级配设计
100 90 80
各筛孔通过百分率（%）
70 60 50 40 30 20 10 0 0.075
规范级配上限 规范级配下限 合成级配A 合成级配B 合成级配C
0.6
2.36
4.75
9.5
19
26.5
31.5
筛孔尺寸（mm）
图2.1—2 设计级配与规范级配范围
1.3最佳含水量与最大干密度的确定
弯拉强度(MPa) 0.86
半刚性基层沥青路面在我国公路建设中具有重大 的历史意义。
我国高等级公路路面基层80%以上采用半刚性基层。
在今后相当长时间内，半刚性基层仍将是高速公 路沥青路面基层结构的主要形式。 因此，对半刚性基层的路用性能进一步研究，以 减少半刚性基层的缺陷（主要是裂缝），在改善半 刚性基层路用性能的基础上提高沥青路面的使用寿 命就显得尤为迫切。
2.1.2劈裂强度
1.0 0.8 级配A 级配B 级配C 水泥剂量4.0%
劈裂强度(MPa)
0.6 0.4 0.2 0.0 0 30 60
yA = 0.0903Ln(x) + 0.3546 R2 = 0.9963 yB = 0.0867Ln(x) + 0.3353 R = 0.9892 yC = 0.0689Ln(x) + 0.3447 R = 0.9981
第二节 半刚性基层裂缝产生的机理分析及防治措施
2.1温度收缩裂缝产生的机理分析
半刚性基层材料的温度收缩裂缝产生的原因有两种：①在较 大温度差下收缩应变超过极限拉应变时出现的裂缝；②在温度差 的反复作用下而形成的温度疲劳性开裂。 温差主要来源于三个特征值：施工时的温度、基层材料最高 温度（为半刚性材料的水化热升温）、最终温度或外界气温。
研究所用的振动成型压实机见下图。 根据长安大学沙爱民教授《道路材料振动压实特性研究》和我院关于《 半刚性基层抗裂技术研究》的研究成果，确定水泥稳定碎石混合料振动成型 参数为：振动频率30Hz，偏心块夹角300，激振力7612N，静面压力140kPa， 振幅1.4mm，振动总时间2min。
图2.1—1 振动成型设备
第四节
本课题研究的主要内容
重点解决的关键技术问题如下： 1）针对我国半刚性基层防止或减少开裂的科研成果和防治技 术进行调研，通过对以水泥稳定碎石为代表的半刚性基层产生收 缩裂缝的机理分析，提出解决方案。 2）根据当地原材料情况，采用能够更有效地模拟现场碾压方 式的振动成型方式进行水泥稳定碎石混合料配合比优化设计研究； 并通过不同级配、水泥剂量的材料温缩、干缩试验研究，优化出 适合当地原材料的半刚性材料既满足强度要求、又有良好的抗裂 能力的级配范围。 3）采用振动成型方式对各标段进行水泥稳定碎石混合料配合 比优化设计研究；并通过铺筑试验段进行施工技术研究。通过试 验段裂缝情况调查和开裂原因分析，进一步完善设计方法和施工 技术。 4）总结抗裂型半刚性基层的设计与施工技术，为实现半刚性 基层沥青路面的长寿命化奠定基础。
第一节
半刚性基层的特点及存在的问题
1.3水泥稳定碎石材料设计方法之不足：
1、对于粗集料比例大的粗粒土类材料：①重型击实试验方法不适用； ②静压法成型试件更不适用； 2、级配范围过宽，无进行级配优化的指导性原则； 3、用强度单指标控制材料设计，必然会忽视性能要求，如抗裂、抗冲刷、
疲劳特性等；
4、工程实践表明，现行方法优化出的水泥稳定碎石性能差，表现为细集 料（尤其是0.6mm以下的细料）比例大、水泥剂量大、密度偏小、收缩变形大。 众所周知，室内试验要准确、有效预测与控制现场施工质量，应满足两 个最基本的条件，首先要求试件成型方式能够最大限度地模拟基层施工条件， 使室内成果与基层实际应用效果有可比性；其次要求各种性能评价指标切实 反映基层在其服务环境下的服务质量。缺少此条件，室内控制与预测便无从 谈起。
根据含水量与干密度的关系曲线确定最佳含水量和最大 干密度。
表2.1—1
级配类别
各配比混合料的最佳含水量、最大干密度和无侧限抗压强度试验结果
水泥剂量(%) 最佳含水量 (%) 3.0 5.4 5.5 5.6 5.2 最大干密度 (g/cm3) 2.459 2.468 2.475 2.465 7天无侧限抗压强度 (Mpa) 3.26 4.21 5.14 3.63 变异系数 (%) 8.86 7.39 6.42 8.63
150
180
210
由图中曲线关系分析可见： （ 1 ）无侧限抗压强度均随龄期的增长而呈对数函数关系增大 ，且有较好的相关性。各配比均呈现出相同的规律性，直至达到 稳定。 （ 2 ）就同一级配而言，水泥剂量越高材料的抗压强度越高。 对于级配越趋向于悬浮密级配，水泥剂量对强度的提高的贡献越 大。 （ 3 ）对于相同水泥剂量而言，级配越粗表现出材料的后期强 度越高，说明骨架密实结构抗压强度高于悬浮密实结构。水泥剂 量越小时，骨架嵌挤作用对提高水泥稳定碎石混合料抗压强度越 有利。 众所周知，水泥剂量的增加容易使半刚性基层产生较多的横向 收缩裂缝；因此，在配合比设计中，当考虑半刚性基层抗裂要求 时，应首先通过级配调整，即通过采用骨架密实结构使材料设计 达到规范要求。