高速公路水泥稳定碎石优化设计研究

摘要:基层水泥稳定碎石混合料目标配合比与现场生产配合比脱节一直是半刚性基层施工的通病。依托甜永高速公路项目，通过数理统计手段对水泥稳定碎石基层级配进行优化设计，以期解决该项目基层目标配合比与生产配合比脱节、目标配合比试验周期长而无法有效指导基层现场施工的现象。

关键词:水泥稳定碎石;级配;基层;生产配合比;优化

1项目概况

甜永高速工程建设项目是银百国家高速公路(G69)的重要部分，它南接陕西咸旬高速公路，从而在交通网络线上形成了北通银川、南接西安的省际间快速联络通道，是陕、甘、宁三省地区的重要运输大通道。甜永高速路面结构为:上面层为superpave－13(4cm);中面层为superpave－20(6cm);下面层为ATB－25(8cm);基层与底基层均为水泥稳定碎石混合料，设计级配为C－B－1。

2级配优化方案

水泥稳定材料其强度主要来自于矿料本身的强度(如压碎值、针片状含量)、矿料级配(最为重要)和混合料的密实性以及水泥的水化作用。本次级配优化工作的主要目的是为了分析水泥稳定混合料中碎石含量的合理范围，为后续的施工及质量管控提供了依据。详细步骤如下。1)对基层材料每批次原材料筛分数据进行统计计算，求出各档集料各粒径的平均通过率及标准差。2)根据各档矿料筛分统计结果，通过调整混合料4．75mm筛孔上的通过率设计4条级配曲线(4．75mm筛孔上的通过率间隔在2%左右，同时保证混合料级配曲线基本符合C－B－1的级配范围)。3)根据前期生产配合比(基层或者底基层)确定的设计水泥剂量，对设计的中4条级配曲线进行重型击实试验，从而确定出各级配曲线混合料的最大干密度ρd及最佳含水量wopt。4)根据击实试验结果，分别对4条级配曲线的混合料进行7天无侧限抗压强度试验，并逐个计算出4条级配方案的7天无侧限抗压强度代表值，最终在其中选择强度最高的曲线作为最佳级配曲线。5)根据各档原材料筛分的平均通过率及标准差，通过各粒径筛孔通过率±2倍标准差的方式计算出各档集料的波动上、下限，按目标级配曲线比例计算出混合料的波动上、下限，原则上应以该波动上、下限作为基层施工时控制基层混合料级配范围的依据。

3原材料试验结果统计

本项目细集料(0～3mm、3～5mm)由宁夏瑞兴矿业有限责公司生产;粗集料(5～10mm、10～20mm、20～26．5mm)由平凉新盛矿业有限责任公司生产，压碎值、针片状含量等指标均满足要求。此次试验统计了0～3mm的石屑筛分结果共计40组，3～5mm的细集料筛分共计40组，5～10mm碎石共计40组，10～20mm碎石共计40组，20～25mm碎石共计40组。各档集料平均筛分通过率及标准差统计结果如表1所示。

4级配优化设计及选择

4.1级配优化设计

以各档集料筛分平均通过率进行掺配，通过改变4．75mm筛孔上的通过率设计出4条目标级配曲线，每条级配曲线的4.75mm筛孔上的通过率按2%左右递减或递增，同时也要确保满足C－B－1级配范围要求。级配方案设计如表2所示。

4.2选择最佳级配

对4种级配方案分别按照4．1%水泥剂量进行重型击实试验，进而确定出4种水泥稳定碎石混合料的最大干密度及最佳含水率，具体的结果如表3所示。根据击实试验所确定的最大干密度ρd及最佳含水率wopt，并按照98%的压实度，采用静压法成型规定数量(以13个试件为一组)的无侧限抗压强度试件，经在养护室标准养护7d，测定其7天无侧限抗压强度，试验结果详如表4所示。由表4中7天无侧限抗压强度试验结果可知，3种方案抗压强度均满足设计要求(≥3．5MPa)，其中方案3的无侧限抗压强度值最高，这说明在相同水泥剂量条件下，方案3的级配的力学性能最优，故确定方案3为最佳级配。

5确定和验证混合料级配范围

5.1确定混合料级配范围

根据各档矿料平均通过率及标准差，按各档集料平均通过率±2倍标准差的方法计算出各档集通过率的波动上、下限，并按照方案3各档集料掺配比例计算出符合要求的级配波动上、下限，以期将此范围作为施工过程中基层混合料颗粒级配的控制范围，波动上、下限(即混合料级配范围)如表5所示。根据计算出的级配波动上、下限来看，9．5mm以上粗集料级配波动范围较C－B－1更宽，这与集料筛分统计中单档粗集料级配波动变异系数非常吻合，0．15mm、0．3mm筛孔上的通过率偏粗，也与0～3mm石屑级配偏粗吻合。由此可以判定本次级配优化过程是合理的，也能与前期集料检测数据相匹配，故建议施工过程中基层级配控制应注意以下几点。1)严格控制10～20mm、20～25mm碎石级配，确保混合料级配的稳定性，针对26．5mm超粒径现象，允许混合料有2%～3%的超粒径颗粒。2)考虑到0～3mm石屑级配偏粗但较稳定，碎石加工场短时间难以整改，若贸然改动筛孔尺寸导致级配变动，对控制混合料级配稳定性不利，故建议将混合料级配范围进行相应调整，施工过程中应加强进场细集料级配及0．075mm含量检测，以确保混合料级配稳定。3)水泥稳定结构层作为高速公路的主要承重层，级配设计以密实防水、抗冲刷、收缩性小、强度高等要求为技术目标，故在关键筛孔4．75mm档选用实测结果计算的波动范围7%(37%～43%)作为该标段水稳混合料的控制范围。根据集料筛分结果和波动范围，建议将混合料级配范围作微调整，如表6所示。

5.2验证混合料级配范围

根据TYLM6同段拌合站配备德通800型振动拌缸2台，串联组合振动双拌缸拌合，通过对104组拌合站皮带传送带混合料的级配抽检和统计结果分析，发现其4．75mm筛孔上的通过率超过级配上限的有2组、超出级配下线的有11组，实测合格率为87．5%，最大标准偏差为1．7%;26．5mm通过率小于100%的有2组，超粒径含量宜控制在1%以内。根据7天现场钻芯取样检测发现，所检100个芯样均完整、密实，并对芯样进行了无侧限抗压强度试验，试验结果统计如表7所示。由表7可知，现场芯样无侧限抗压强度代表值远大于设计强度(≥3．5MPa)，最大值达到了7．2MPa，且变异系数仅为6．0%。由此可知，级配优化对生产配合比及混合料生产起到了实质性的指导作用。

6结论

本文首先对甜永高速公路项目集料进行筛分统计，然后通过级配掺配优化设计和本项目集料实际情况得到了合理的级配范围，最后通过混合料筛分及现场钻芯取样检测进行了验证，现得到如下结论。1)通过混合料级配优化设计，能准确有效控制混合料生产级配且能保证其稳定性，对混合料生产和现场施工起到了实质性的指导作用。2)通过建立集料数据库，能够最大限度缩短配合比设计耗时周期长的问题。3)通过级配优化设计及数理统计方法准确得到了合理的生产级配控制范围。

参考文献:

［1］中华人民共和国交通运输部．JTG/TF20－2015公路路面基层施工技术细则［S］．2015．

［2］刘凯勇．高速公路水泥稳定碎石基层质量控制要点［J］．建筑技术开发，2020，47(9):118－119．

作者：张岩 单位：甘肃省交通科学研究院集团有限公司 甘肃省道路材料工程实验室