骨架密实性的水稳抗裂研究

骨架密实性的水稳抗裂研究
摘要：骨架密实级配水泥稳定碎石与常规级配相比，具有较高的密度，较小的含水量，嵌挤形成的强度大，
并具有较好抗裂性能和力学性能，能预防沥青面层的缩裂，提高了路面的承载力和耐久性。

因此骨架密实型
水泥稳定碎石具有较好的发展前景。

关键词：骨架密实型；基层；抗裂性；分析；应用
随着水泥稳定碎石基层在工程中的广泛使用，发现在早期出现了比柔性基层沥青路面多而频繁的裂缝。

裂缝的存在会使水危及整个路基路面结构，还易引起沥青面层较快出现网裂、坑槽等病害。

因此，对以水泥稳定碎石基层的公路建设造成了潜在危险，也限制了水泥稳定类碎石基层的应用。

水泥稳定碎石在温、湿变化作用下产生较大的收缩变形是导致基层裂缝及反射裂缝的主要原因。

因此，为了改善水泥稳定碎石基层抗裂性能，本文提出了密实骨架结构水泥稳定碎石基层，及其配合比设计方法，并对此进行了大量室内外试验。

结果表明，骨架密实结构水泥稳定碎石基层具有良好抗裂性能。

1 裂缝产生原因分析
1.1 干缩裂缝
水泥稳定碎石在干燥空气中硬化时, 随着水分的减少, 体积将收缩变形, 每隔一段距离产生均匀的干缩裂缝。

水泥稳定碎石产生干缩裂缝的原因与其水泥、水和碎石因为水泥剂量太低, 强度难以满足要求; 而剂量过高时, 混合集料都有很大的关系。

一方面混合料在凝结硬化过程中, 水泥与水起水化反应, 消耗大量的水分。

水泥含量越高, 则消耗的水分越多。

另一方面, 碎石集料表面也要吸附水, 集料稳定碎石基层的强度、平整度和裂缝的产生。

水泥稳定碎石中的细料成分越多, 表面吸附的水分就越多。

再者, 基层施工过程中, 含水量越大, 蒸发散失的水分就越多。

因此就越易产生干缩裂缝。

1.2 温缩裂缝
水泥稳定碎石由于混合料中有 5% 左右的水泥, 所以具有热胀冷缩的性质,
在混合料硬化初期, 水泥水化放出较多的热量, 但散热较慢, 因此其内部温度较高, 使内部体积膨胀。

而外部如遇气温急剧降低则冷却收缩, 内胀外缩相互制约, 产生较大的应力。

一旦应力超过其极限抗弯拉强度, 将产生温缩裂缝。

温缩裂缝多数是横向分布。

1.3 网状裂缝
网状裂缝也叫龟裂 , 它是由于局部弯沉太大, 在外力作用下产生结构性破坏的裂缝, 它是一种破坏性较大的裂缝, 如遇下雨, 则渗水, 在外力作用下引起翻浆。

初期时仅为网状细裂纹, 随着时间的推移, 裂纹处基层内部的水分继续蒸发, 裂纹逐渐发展成为发散形裂缝。

在外力作用下, 基层呈塌陷状。

1.4 纵缝
纵缝如果水泥稳定碎石基层在施工早期产生纵缝, 一定是施工控制方面引起的。

其原因应归结为局部土基压实度或基层压实度没有达到规范要求。

但城市道路基层 7 d养护期满后, 如果管理维护不到位, 也会产生纵缝。

由于基层较厚, 采用分层碾压作业。

第一层摊铺碾压成型时, 其厚度较薄, 一般在 15 cm 左右, 尽管养护期满, 但其承载能力较低。

1.5 路基不均匀沉降产生裂缝
路基不均匀沉降产生裂缝如果水泥稳定碎石基层产生纵向裂缝, 多是由于局部土基及底基层压实度达不到规范要求引起, 在重车的作用下产生的反射裂缝, 有时呈弧状分布,且表面形成一定的高度差。

2.水泥稳定碎石结构性能分析
水泥稳定碎石是一种由水泥、粗集料、细集料所组成的复合材料。

水泥稳定类材料由于组成材料质量和数量的差异，以及各组成材料之间互相的特点、相对位置分布及相互联系的状况一般也分为三种不同的类型：
2．1悬浮密实结构
这种结构通常采用连续型密级配，骨料由大到小连续存在。

这种结构中由于粗集料数量相对较少，不能形成有效的骨架。

这种结构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较小，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载和温差作用下，易产生裂纹，从而造成路面结构的破坏。

2．2骨架空隙结构
这种结构粗骨料较多，而细料数量过少，混合料中细料的压实体积小于粗集料形成的空隙体积因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。

虽然这种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力，粘聚力相对是次要的，其抗收缩性能较好，但由于其空隙率大，使基层的耐久性受到影响。

2．3骨架密实结构(大粒径抗裂结构)
骨架密实结构是以上两种类型组成的结构。

要求混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，混合料中填隙料的压实体积应约等于粗集料形成的空隙体积，从而使混合料形成较高的密实度。

试验结果表明大粒径水泥稳定碎石骨科间的嵌挤作用明显，抗压强度和抗压回弹模量明显大于常规级配，有良好的承载能力，平均干缩系数和平均温缩系数小于常规级配，抗弯拉强度高于常规级配，抗裂性能有显著的提高。

根据柔性路面层状理论，对在温度和含水量变化作用下不同龄期的半刚性路面进行了接触非线形有限元分析，分析结果表明在施工状态下和使用状态下，大粒径水泥稳定碎石基层受到干缩和温缩作用产生的拉应力均小于常规级配；在施工状态下，温度收缩的影响明显，在使用状态下路表降温对基层的影响减小，基层所受到的拉应力随着龄期的增长而增大。

这种结构能很好的解决了水稳开裂问题，在我市的公路建设中逐步得到推广和应用。

3.骨架密实性的级配分析
全面提高设计质量在路面设计中对水稳结构层的料源调查和选择至关重要既要调查料源的储存数量又要调查料源的质量必要时对材料进行有关试验鉴定后方能确定是否采用。

3.1抗裂性分析
(1)骨密型可以控制其细集料比例。

使得结构内部粗集料均匀且有良好的嵌挤，在骨料空隙内部的细混合料大部分致密和分散的局部不致密，保持适度的孔隙率，形成不十分均匀板体来改进半刚性基层应力集中产生缩裂并返射到面层。

(2)集料粒径与比例：骨架密实级配比常规级配水泥稳定碎石最大粒径大，最大粒径分别为不大于37．5mm和31．5mm。

骨密型水稳粗集料即9．5mm以上的占42％～
66％，常规级配水泥稳定碎石(以下简称常规型水稳)9．5mm以上的仅占32％～
55％；细集料即4．75cm以下前者22％～43％，后者占29％～50％。

显然骨密型
水稳容易形成嵌挤骨架，同时也有足够的胶结强度；常规型水稳骨料处于悬浮状
态，主要是胶结强度。

骨密型由于细集料少，其收缩性小。

(3)最大干密度：试验表明骨密型最大干密度在2．409／cm3以上，比常规型大
5％～8％，因而有利于提高基层承载力和耐久性。

(4)最佳含水量：试验表明骨密型水稳比常规型最佳含水量小1．5％～2％，可以
减少干缩应变。

4 配合比设计
配合比设计取样一定要有代表性，原材料或其比例更改，应重新设计配合
比。

配料准确是保证水泥稳定碎石内在质量的关键环节。

配料准确的基本前提是
两种原材料要合格。

通过对工程实际应用的矿料分别进行筛分试验和测定其相对
密度，根据各种矿料的颗粒级配和计算用量比调配出合理的级配曲线。

由于水泥
剂量对干缩性的影响，随集料平均粒径的增大而减少，集料平均粒径越大，水泥
剂量对干缩性的影响越小；在相同条件下，水泥稳定中粗粒土的收缩性较细粒土
的收缩性要小得多；对大多数土混合料而言，随水泥剂量的增加，收缩性逐渐减
少，并达到最小值，随水泥剂量的增加，收缩性逐渐增大，水泥剂量过大，同样
会产生收缩裂缝。

配料准确的施工控制是：（1）碎石的级配要严格控制，在粗集
料中单个颗粒最大粒径不应超过37.5mm；（2）水泥稳定碎石混合料的比例要严
格控制。

即通过一定料斗门开启高度下的给料皮带机电机转速比实现既定的混合
料比例，具体调试时，碎石比例宜控制在80%～89%之间。

根据不同设计强度的
要求，确定水泥用量，确定各种混和料的最佳含水量、最大干密度，以此初步确
定各料仓的供料比例。

应考虑各地材料性能不同而引起的差异。

4.1密实型水泥稳定碎石集料的最大粒径及级配范围
JTG D50—2006公路沥青路面设计规范中骨架密实型水泥稳定类级配见表1，不同类型水泥稳定碎石的集料级配见表：
悬浮密实型级配
4.2骨架密实型的设计级配
本路段采取《公路沥青路面设计规范》(JTGD50--2006)的规定，以骨架密实型取代悬浮密实型结构进行基层的集料级配设计。

相对于悬浮密实型结构，骨架密实型结构对级配范围进行了较大修改，如19mm筛孔的通过率由90％-100％调至68％-86％；4．75 mm筛孔的通过率由29％-49％调至22％-32％；0．075mm筛孔的通过率由0％-5％调至0％-3％。

骨架密实型
4.3 配合比设计的优化
对配合比进一步进行优化，其基本原则是：在保证设计强度的情况下合理地减少水泥用量，同时级配曲线应为一条平顺的圆滑曲线，并应尽可能靠近级配区域下限，而在确保现场摊铺混合料不离析的情况下增加碎石用量，减少粒径小0．075 mm细料用量
5.基层施工过程中注意事项
根据本路段的施工过程中遇到的问题，总结得到在进行骨架密实型基层施工时应该注意的问题。

(1)针对所设计的骨架密实型结构中粗集料用量较多，且采用振动成型方法得到的最大干密度值较传统击实法相比有所增大等情况，应考虑增加碾压功率，并应通过现场试验路段确定机械组合和吨位要求。

(2)在施工过程中，应依据设计结果严格控制稳定料的含水量，避免在振动碾压过程中因含水量过高出现离析现象。

(3)建议施工过程中增加混合料合成级配的检测频率，要求集料的合成级配中19 mm和4．75 mill的通过量控制在±3％以内，且随机抽样中不应出现偏向单侧现象(即普遍出现超出或低于试验结果)。

(4)严格控制水泥用量，水泥剂量应不低于试验结果，且不得高于建议控制用量的0．5％。

(5)加强基层的保湿养生(不得过度饱水养生)，养生期应至下一结构层施工为止。

3.结语
骨架密实级配水泥稳定碎石与常规级配水泥稳定碎石相比，具有优良的抗裂性能和力学性能，不但减轻了沥青路面的裂缝率，而且也提高了路面的承载力，从而提高了沥青路面的耐久性。

抗裂型水泥稳定碎石基层有诸多优点，但也不能忽视它的缺陷，在施工中由于其特有的水泥水化硬化作用，容易产生温缩，施工工艺要求较高，但是由于水泥稳定碎石具有强度高、水稳性好的特点，能与高级公路日益提高的设计承载能力相适应，因此得到越来越广泛的应用。

只有在严格控制好原材料质量的前提下，做好配合比设计环节，并在施工过程中实事求是的做好现场试验检测工作，才能完成高质量的水稳基层建设，实践证明只要严格执行《技术规范》要求，抓住关键环节，加强控制，组织管理到位，就能够确保工程质量。