一种高强度、低裂度水泥稳定级配碎石及其制备方法

摘要

本发明涉及“一种高强度、低裂度水泥稳定级配碎石及其制备方法”属公路工程设计领域。高强度、低裂度的水泥稳定级配碎石，所述矿料级配分为5-6档，其中4.75mm通过率在35％～40％，粗粒径碎石的压碎值为22％以下采取以上技术方案后，本发明材料具有如下有益效果：1、水泥稳定级配碎石7d无侧限抗压强度提高到6～8MPa；2、水泥稳定级配碎石干缩系数减少到0.008～0.013。从而实现混合料高强度、低收缩开裂的技术优点，适宜于修建长寿命路面，可提高路面结构承载力、延长路面结构使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属公路工程技术领域，具体涉及一种水泥稳定级配碎石材料及其制备工艺，该材料 具有较高的强度较低的收缩开裂率，从而提高水泥稳定级配碎石基层的整体承载能力和路面 的使用寿命，可用于修建半刚性基层的长寿命沥青路面和水泥路面。

背景技术

半刚性基层，特别是水泥稳定碎石基层，具有力学性能优良、板体性能好、刚度大、承载 能力强、适宜的工作性能和方便的施工工艺等优点，与其他类基层相比，更能适应当今大吨 位汽车运输和交通量的迅速发展。设计优良的半刚性水泥稳定碎石基层能满足公路“足够的 强度、适宜的刚度和耐久性、较小的变形”的技术要求。在当前和今后一段时间内，水泥稳 定碎石半刚性基层路面仍是我国公路路面的主要结构形式。

但是，由于我国公路路面建设时间较短，经验不足，路面结构厚度设计中也只单纯强调了 半刚性基层的抗压强度和模量，加之施工、经济投入和交通量增长过快等诸多因素，已经建 成的许多道路出现了开裂、冲刷唧浆等早期损坏现象，其中收缩裂缝问题最为突出，并已成 为该半刚性路面结构的主要缺陷。更有甚者，为减少水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，采用降 低水泥稳定碎石强度、减少水泥剂量等技术措施，降低了基层承载力，又更加剧、催化了基 层开裂现象。

基层裂缝的出现破坏了路面结构整体性和连续性并在一定程度上导致结构强度的削弱(如 裂缝处弯沉增大、回弹模量降低等)。而且随着雨水或雪水的浸入，基层变软，在大量行车荷 载反复作用下导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧浆现象，使裂缝加宽；裂缝两侧的沥青 路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。

目前，公路行业科研及工程技术人员主要集中在水泥稳定级配碎石基层的抗开裂研究上， 技术措施主要有如下几类：

(1)改善水泥稳定碎石的级配，减小半刚性基层材料的收缩系数，增强基层的抗裂性；

(2)在满足设计强度的基础上限制水泥用量，并且尽量选用低标号、水化热小、干缩性 小的水泥，适当加入缓凝减水剂、缓凝阻裂剂、减缩剂等外加剂，为提高后期强度，减少收 缩裂缝可用粉煤灰代替部分水泥剂量等；

(3)在水泥稳定碎石材料组成设计中掺入添加剂或者是加筋材料(玻璃纤维、聚丙烯纤 维等)来限制其收缩；

(4)在日本，用水泥和特殊沥青乳剂综合稳定使水泥与沥青混合以防水分的蒸发，而沥 青乳剂中的水分则供给水泥硬化，使收缩系数随沥青剂量的增加而减小。

值得指出的是，能同时提高水泥稳定碎石材料强度并降低水泥稳定碎石基层收缩开裂率的 技术措施，且实体工程实用效果较好的技术措施，尚未见报道。

研发使用高强度、低裂度水泥稳定级配碎石基层，可提高路面结构的承重能力，以适应当 前繁重的交通和恶劣的气候变化；同时，还可提高路面基层的抗收缩开裂能力，以避免或减 少路面早期损坏现象；在提高路面的使用质量与寿命，降低返修次数，提高公路运营的综合 效益方面都十分必要且意义重大。

发明内容

本发明是提供一种高强度、低裂度的水泥稳定级配碎石，其7天无侧限抗压强度提高到 6-8MPa，干缩系数减少到0.008-0.013。

同时本发明还提供该材料的制备方法。

高强度、低裂度的水泥稳定级配碎石，包括级配的矿料，所述矿料级配分为5-6档，其中 4.75mm通过率在35％-40％，粗粒径碎石的压碎值为22％以下。

所述矿料级配下表：

  筛孔(mm)   26.5   19   13.2   9.5   4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075   上限％   100   85   71   60   40   29   21   15   11   8   5   下限％   100   82   66   54   35   26   19   13   10   7   5

所述6档矿料为：26.5-19mm、19-13.2mm、13.2-9.5mm、9.5-4.75mm、2.36mm-4.75mm、 0-2.36mm。

所述细集料中0.075mm以下含量有10％，则合成级配中0.075mm以下的含量为3％-4％。

水泥稳定级配碎石的制备方法，包括如下步骤：

1)按上述水泥稳定级配碎石级配及备料要求矿料级配合成；

2)现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行配合比设计， 确定该材料的最大干密度、最佳含水量和水泥剂量，其中强度标准为6-8MPa；

3)按配合比设计结果进行拌和；

4)成型碾压和养护。

所述拌和时，各档集料和水泥采用计重装置，拌和时间为10-20s；拌和温度为10℃-50 ℃。

所述碾压为先采用双钢轮压路机进行稳压2-3个来回，然后再用激振力大于35t的重型振 动压路机、18-21t三轮压路机或25t以上的轮胎压路机继续碾压密实，最后采用双钢轮压路 机碾压以消除轮迹。

所述养护为采用透水式土工布铺设，洒水养护。

采取以上技术方案后，本发明其具有以下有益效果：

1、水泥稳定级配碎石7d无侧限抗压强度提高到6-8MPa；

2、水泥稳定级配碎石干缩系数减少到0.008-0.013。

从而实现混合料高强度、低收缩开裂的技术优点，适宜于修建长寿命路面，可提高路面结 构承载力、延长路面结构使用寿命。

附图说明

图1：各级配最佳含水量汇总，

图2：各级配最大干密度汇总，

图3：水泥稳定级配碎石混合料干缩系数与强度的关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本发明的具体步骤如下：

(1)给出强度高、干缩系数小的水泥稳定级配碎石矿料级配范围

高强度、低裂度的水泥稳定级配碎石，包括级配的矿料，所述矿料级配应在下表给定的级 配范围之内，4.75mm筛孔通过率控制在35％-40％，且粒径4.75mm以上的粗集料压碎值不大于 22％。

表1：高强度、低裂度的水泥稳定级配碎石矿料级配范围(累计通过百分率％)

  筛孔(mm)   26.5   19   13.2   9.5   4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075   上限％   100   85   71   60   40   29   21   15   11   8   5   下限％   100   82   66   54   35   26   19   13   10   7   5

为保证实际制备时矿料的合成级配满足表1要求，集料规格应有5档以上，当采用5档集 料备料，其矿料合成级配仍不能满足表1级配范围的要求时，必要时采用以下6档集料规格 备料，如26.5-19mm、19-13.2mm、13.2-9.5mm、9.5-4.75mm、2.36mm-4.75mm、0-2.36mm。

为说明表1矿料级配的强度较高、干缩系数较小的优点，采用了固定一种水泥剂量、变换 六种不同矿料级配(其他原材料、试验条件均相同)的试验方案，对水泥稳定级配碎石的力 学和物理指标进行对比分析，具体试验结果及分析如下：

采用的水泥剂量固定为6％，六种矿料级配如下表2，4.75mm及其以上的碎石含量依次为 50％、55％、60％、65％、70％和75％六种不同的水平：

表2：六种试验用水泥稳定级配碎石的级配曲线(累计通过百分率％)

首先进行重型击实试验，试验结果见表3。通过两次平行试验，最终确定这六中混合料的 最佳含水量和最大干密度，并绘制相关曲线(见图1和图2)。从曲线可以明显看出，随着混 合料中粗集料的增加(由U级配到Z级配)，混合料的最佳含水量和最大干密度并非单调变化。 在W和X级配附近出现极值状态：最大干密度达到最大值，最佳含水量处于最小值。对于Y、 Z级配的混合料，由于粗集料含量较高，没有足够的细集料填充空隙，难以保证混合料的密 实，因此导致混合料最大干密度的下降和最佳含水量的增加。

表3：水泥稳定碎石击实试验结果

从数据看出，随着混合料中粗集料的增加，这六种混合料最大干密度和最佳含水量存在一 定的规律，最大干密度大时，最佳含水量降低，反之亦然，两者的相关系数达到85％。

因此，从击实试验结果看，对于水泥稳定级配碎石混合料级配存在一个合理的范围，粗集 料不能太少，也不能太多，粗集料过多将会影响混合料的密实性。在碎石含量为60％-65％的 范围内混合料的最佳含水量最低，最大干密度最大。

根据击实试验结果，这6种级配混合料分别按照最大干密度和最佳含水量的标准成型高度 为10cm，直径为10cm的圆柱形试件(压实度为98％)(T0843-2008)，进行无侧限抗压强度试 验，试件龄期分别为7天和90天，试验结果见表4。

表4：各级配无侧限抗压强度

从表中数据看到，随着混合料中粗集料含量的变化，抗压强度表现为随着粗集料增加，强 度逐渐提高，达到某一个峰值后，再逐渐减小的变化趋势。对于7天抗压强度，W级配的强 度水平最高，此时的粗集料含量为60％(4.75mm的通过率为40％)；对于90天的抗压强度，V 级配的强度水平最高，此时的粗集料含量为55％(4.75mm的通过率为45％)。因此，从抗压强 度角度看，为了达到较高的强度标准，混合料中的粗集料含量的合理范围为60％-55％。

另外，从不同粗集料含量混合料的强度水平看，在相同的水泥剂量的前提下，由于级配的 差异，导致混合料的强度差异较大。对于7天强度，W级配混合料的强度分别比相邻的V级 配和X级配的混合料强度提高6.3％和11％，比强度最低的Z级配，提高48％；对于90天强度， V级配混合料的强度分别比相邻的U级配和W级配的混合料强度提高8.1％和9.3％，比强度最 低的Z级配，提高67.5％。因此，严格的控制混合料级配对提高混合料的抗压强度十分有利。

采用与无侧限抗压强度相同尺寸和压实标准的试件，进行6种混合料的动态和静态的抗压 回弹模量的测定。试件龄期为90天。动态试验的荷载频率为10Hz。试验结果见表5。

表5：抗压回弹模量(龄期90天)

从抗压回弹模量角度，随着混合料中粗集料含量的变化，动态和静态模量都随之产生较大 的变化。从数据看，对于X级配(4.75mm以上粗集料含量65％)的动态和静态模量都最大， 其次是W级配，也就是说，为了达到最佳的模量水平，混合料中的粗集料含量宜为60％-65％。

按照相同的成型标准，针对6种混合料分别成型长×宽×高＝40×10×10cm的中梁试件 (T0844-2008)，试件在温度20±1℃和湿度98％下养生6天后，饱水24小时。将饱水后的试 件表面水擦干至无明显水迹后称重，记做M0。试件在温度为20±1℃的环境下自然风干，经 过7天后，测量试件的重量，记做M1，和收缩量δ。然后，分别计算各种混合料的失水率、 干缩应变和干缩系数。有关的试验结果见表6。

表6：六种水泥稳定级配碎石混合料干缩试验的干缩参数汇总

  级配   碎石含量％   干缩应变   干缩系数   失水率％   U   50   5.84E-04   1.14E-02   5.11   V   55   4.80E-04   9.71E-03   4.94   W   60   4.93E-04   9.63E-03   5.12   X   65   4.30E-04   1.05E-02   4.12   Y   70   5.00E-04   1.07E-02   4.66   Z   75   3.81E-04   8.09E-03   4.71

从试验结果看，当混合料中粗集料含量较少时，混合料的干缩系数和干缩应变都比较大(如 U级配)；当混合料中粗集料增加后，混合料的干缩系数和干缩应变明显减小(如V、W级配)。 说明混合料的干缩特性与混合料中粗集料含量多少有直接关系。但是，当混合料中粗集料过 多时，混合料的干缩系数、干缩应变又明显增加(如Y级配)。这是由于此时混合料的含水量 过高。对于Z级配混合料，其干缩性能的变化与前五种混合料有明显的不同。由于该混合料 的粗集料含量很高，达到了开级配的状态，混合料中的空隙率较大，因此，其干缩应变和干 缩系数都比较小。

针对前5种混合料，通过数据分析表明，混合料的干缩应变与混合料最佳含水量有良好的 相关性，相关系数达到0.9837。

结合上文强度试验结果，建立6种混合料强度与干缩系数的关系曲线(见图3)。由图可 见，随着混合料强度的增加，混合料的干缩系数呈二次曲线规律变化。当通过级配的优化选 择，提高了混合料的强度，同时也可使混合料的干缩系数保持较低的水平。

综上所述，通过一系列的实验分析，研究了相同矿料品种，不同级配规律情况下水泥稳定 级配碎石混合料的力学性能和干缩特性，得到以下结论：

1)通过混合料的级配优化可以有效提高混合料的力学性能，试验表明，当混合料中 4.75mm以上的粗集料含量为60％-65％之间时，即矿料级配4.75mm筛孔通过率在35％-40％之间 时，水泥稳定级配碎石混合料具有最佳的力学状态。其最大干密度较高，最佳含水量较低， 同时强度和模量较高。

2)同时，在这种条件下，水泥稳定级配碎石混合料具有较低的干缩系数和干缩应变，为 减少这种路面结构的反射裂缝创造有利条件。

(2)所用粗集料的压碎值必须在22％以下

本发明所用粗集料压碎值指标要求在22％以下，一方面是在一定水泥剂量下，保证水泥稳 定级配碎石混合料能够达到设计标准6-8MPa；另一方面是在相同强度标准条件下，减少水泥 用量，从而有助于减少水泥稳定级配碎石的干缩系数。

(3)水泥稳定级配碎石的制备方法及其关键控制指标

1)拌和

A)拌和机与摊铺机的生产能力应互相匹配。对于高速公路和一级公路，为保证混合料施 工现场摊铺施工的连续，混合料拌和机的产量宜大于400t/h。

B)对于特重交通条件下的高速公路的基层施工，拌和设备应具备6个(不少于5个)料 仓，同时应配备计重装置；

C)对于其它交通等级的高速公路和一级公路的基层施工，拌和设备应具备不少于4个料 仓；

D)各个料仓之间的挡板高度应不小于1m，以避免料仓在加料时各档料的掺混。

E)高速公路基层混合料的拌和应采用二次拌和方式，即将两台拌和机串联在一起，混合 料先后在两个拌和机内拌和，以提高混合料拌和的均匀性；对于一级公路，混合料可采用一 次性拌合，但拌和缸的长度应不小于5m。

F)装水泥的料仓应密闭、干燥，同时内部装有破拱装置，防止因水泥遇潮而导致水泥流 量的不均匀。对于高速公路工程，水泥料仓应配备计重装置，以准确计量水泥的添加量(不 能通过电机转速计量水泥的添加量)。

G)、加水量的计量应采用流量计的方式。对于高速公路和一级公路工程，水的流量数值应 在中央控制室的控制板面上显示，以便在施工过程中实时显示和调整。含水量宜略大于最佳 值，使混合料运到现场，经摊铺后，碾压时的含水量不小于最佳值，同时也不宜高于最佳含 水量的1.5％以上。

2)摊铺

A)、混合料摊铺应保证足够的厚度，一般每层的摊铺厚度不小于16cm(碾压成型后的厚 度)，最大厚度不大于20cm。

B)、当下承层施工质量检测合格后，方可开始摊铺上面结构层。采用两层连续摊铺时，下 层质量出现问题时，上层应同时进行处理。

C)、应采用摊铺功率不低于120kW的沥青混凝土摊铺机或稳定材料摊铺机摊铺混合料。

D)、如下承层是稳定细粒土，应先将下承层顶面拉毛，再摊铺混合料；如下承层是稳定中、 粗粒料，应先将下承层清理干净，并洒铺水泥净浆，再摊铺混合料。

E)、当采用两台摊铺机并排摊铺时，两台摊铺机的型号、出厂期应相同。在施工期间，两 台摊铺机前后的间距应不超过10m，且确保两个施工段面纵向有30-40cm的重叠。

F)、在摊铺机后面应设专人消除粗细集料离析现象，特别应该铲除局部粗集料“窝”，并 用新拌混合料填补。

G)、为了减少废料，便于边缘碾压，纵向宜立模板。

3)碾压

A)、为了确保水泥稳定材料的碾压质量，碾压工序应在水泥初凝前完成。

B)、为保证碾压效果，施工单位应配备足够的碾压设备。对于双向四车道高速公路或一级 公路，半幅摊铺需要至少4台重型压路机；对于双向六车道的半幅摊铺，至少需要5台重型 压路机。

C)、一般先采用双钢轮压路机进行稳压(2-3个来回)，然后再用激振力大于35t的重型 振动压路机、18-21t三轮压路机或25t以上的轮胎压路机继续碾压密实，最后采用双钢轮压 路机碾压以消除轮迹。

D)、在碾压过程中如发现弹簧现象，应将该路段混合料挖出，重新换填新料碾压。

E)、碾压成型后的表面应平整、没有轮迹。

4)养生

A)、每一段碾压完成并经压实度检查合格后，应立即开始养生。采用铺设土工布进行养生。

B)、一般采用透水式土工布全断面覆盖，并应注意缝之间的搭接，不能留有间隙。

C)、铺设土工布后，应注意洒水，每天洒水的次数应视气候而定。夏天施工时，一般上、 下午应各洒水一次。

D)、当铺设防水土工布时，施工过程同上。

E)、养生至上层结构层施工前1-2天，方可将土工布掀开。

F)、养生期不宜少于7d。对于二级和二级以下的公路，如养生期少于7d即铺筑沥青面层， 则应限制重型车辆通行。

G)、在养生期间未采用覆盖措施的水泥稳定材料层上，除洒水车外，应封闭交通。在采用 覆盖措施的水泥稳定材料层上，不能封闭交通时，应限制重车通行，其他车辆的车速不应超 过30km/h。

5)预锯缝

A)预切缝的间距一般为8-15m。

B)应掌握好预切缝的时机，应在基层材料具有一定强度的条件下切缝，同时也应避免由 于长时间放置，材料强度增长，导致不规则裂缝产生。一般可在养生的3-5天内切缝。

C)切缝深度一般为基层厚度的1/2-1/3，切缝宽度3-5mm。

D)切缝后应及时清理缝隙，并用热沥青填满。