（交通运输规划与管理专业论文）北京六环路工程水泥稳定碎石基层应用技术研究.pdf

摘要 在我国，半刚性基层己成为高等级公路路面基层的主要结构形式。其中水 泥稳定碎石是一种典型和常用的半刚性基层材料。水泥稳定碎石基层具有承载 力高、早期强度高、耐水性和抗冻性好、具有较强的抗冲刷能力、疲劳特性 好、耐久性好等优点。 到目前为止，在北京市已建高速公路路面结构中，二灰碎石( 石灰、粉煤 灰) 基层占了很大的比例。对于水泥稳定碎石基层，除京津塘高速、京石高速 部分路段等少数几条高速公路外十几年来几乎没有采用过。因此，为了适应北 京市六环路重载交通的实际需要，提高道路的整体性能，防止路面的早期病 害，本论文以六环路工程( 黄村至良乡段) 为研究载体，在通过对国内外高等 级公路路面水稳碎石基层的应用情况调查、掌握国内外水稳碎石材料的相关研 究成果和应用经验的基础上，展开对水泥稳定碎石基层应用技术研究。 本论文研究内容主要包括四个方面：原材料选择及相关试验研究；混 合料配合比设计研究；水稳碎石延迟特性研究；水稳碎石基层施工技术研 究。 另外，本论文还结合工程实旖后评估结果，对关系水泥稳定碎石工程应用 效果的几个重要问题进行了探讨，并提出了相应的建议措施。最后在上述研究 的基础上，提出了课题下一步的研究方向。 关键词水泥稳定碎石：路面基层；配合比；延迟时间；施工工艺 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e m i r i n db a s ec o u r s eb e c o m e st h em a i ns 缸u d 帆f o r mo fa s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n to fm o s to fa d v a n c e dh i g h w a y si nc h i n a a m o n gt h e mt h ec e m e n ts t a b i l i z e d c r u s h e dr o c ki sak i n do ft y p i c a la n dc o m m o n l yu s e db a s ec o u r s em a t e r i a l i th a st h e a d v a n t a g e so f h i g hc a r t i n ga b i l i t ya n dh i 出e a r l ys t r e n g t h 、f i n ea n t i w a t e rd a m a g ea n d f i n ea n t i - f r e e z i n gd a m a g e 、g o o dr e s i s t i n ga b i l i t yo f e r o d i n ga n df a t i g u e ，e t c u pt i l ln o w ，a m o n gt h es t r l l c h l r e sa n dm a t e r i a l so fa s p h a l tp a v e m e n to ft h e c o m p l e t e de x p r e s s w a y si nb e i j i n g ，t h el i m ef l ya s hs t a b i l i z e dc r u s h e dr o c kh a st a k e n v e r yl a r g ep r o p o r t i o n a st ot h ec e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e dr o c k ，i th a ss c a r c e l y a d o p t e df o ro v e rt e ny e a r se x c e p ts u c haf e ws e v e r a le x p r e s s w a y sa st h ea i r p o r t e x p r e s s w a ya n dt h eb e i j i n g - t i a n j i n - t a n g g ue x p r e s s w a y ，e t c s o ，i no r d e rt om e e t t h ea c t u a ln e e do f t h eh e a v i l yl o a d e dt r a f f i co f t h eb e i j i n gs i x t hm n ge x p r e s s w a ya n d i m p r o v et h es e r v i c ea b i l i t yo ft h ee x p r e s s w a ya n dp r e v e n tt h ee a r l yd i s e a s eo fa s p h a l t p a v e m e n t ，t h i ss u b j e c tl a u n c h e si n t ot h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho f t h ec e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e dr o c ki nb e i j i n gs i x t hr i n ge x p r e s s w a yo nt h eb a s i so f i n v e s t i g a t i n g t h ea p p l i e ds i t u a t i o n si nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dh i 曲w a yp r o j e c t sa n d g r a s p i n gr e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t sa n da p p l i e a t i o ne x p e r i e n c e so f t h ec e m e n ts t a b i l i z e d c r u s h e dr o c k t h i ss u b j e c tr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d ef o u rr e s p e c t sm a i n l y ：r a wm a t e r i a l sa n d r e l e v a n te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ；1 1 1 i x t u r ed e s i g nr e s e a r c h ：d e l a yp r o p e r t i e s r e s e a r c h ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i c a lr e s e a r c h i na d d i t i o n ，b a s e do i 1t h ee v a l u a t i o na n da n a l y s i sa f t e rt h ep r o j e c ti sc o m p l e t e d ， t h i ss u b j e c tc a r r i e so nt h ed i s c u s s i o na b o u ts e v e r a li m p o r t a n tq u e s t i o n sw h i c ha r c r e l a t e dt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ec e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e dr o c k a n dp u t sf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gs u g g e s t i o n s i nt h ee n d ，o nt h eb a s i so f a b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h ，t h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r ei sp r o p o s e d k e y w o r d sc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e dr o c k ；b a s ec o n r s e ；m i x t u r ed e s i g n ；d e l a y t i m e ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i c a l 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：猛里毽，日期：之竖：堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 橘官患， 第l 章绪论 第l 章绪论 北京市六环路工程水泥稳定碎石基层的应用技术课题的研究工作开始于 2 0 0 4 年3 月，其成果已直接应用于2 0 0 4 年六环路黄村一良乡段新建工程中，也 为今后北京市其它高等级公路路面水稳基层的应用提供参考和借鉴。本论文以六 环路工程( 黄村至良乡段) 为研究载体，在通过对国内外高等级公路路面水稳碎 石基层的应用情况调查、掌握国内外水稳碎石材料的相关研究成果和应用经验的 基础上，并结合北京市六环路工程的具体实际，展开水泥稳定碎石基层混合料配 合比、延迟特性及水泥稳定碎石基层施工技术应用等方面研究工作。 1 1 工程简介 北京市六环高速公路途经大兴、通州、顺义、昌平、海淀、，门头沟、丰台、 房山八区，是一条截流、疏导市区过境交通、连接市区边缘集团的全封闭、全 立交的高速公路环，全长约2 0 0 公里，设计时速1 0 0 公里，双向4 车道加连续 停车带，路基宽2 6 米。目前，已经建成通车1 1 0 公里，尚余9 0 公里将于2 0 0 7 年前全部建成，其中六环路黄村至良乡段长为2 4 公里，2 0 0 4 年4 月份破土动 工，2 0 0 4 年年底完工。六环路( 黄村至良乡段) 路面结构形式如图卜l 所示。 其中路面基层采用水泥稳定碎石基层，设计要求7 d 无侧限抗压强度为3 m p a 。 x i 巨巨巨f 陲睡；蚕：渊| i _3 5 c n 沥青玛啼腊碎石混 6 料s m a 一1 6 6 c m 粗嚏式沥膏混凝土a c 一2 0l 7 c m 粗粒式沥：蕾混凝a c 一2 5i 1 日c n 水口狲定碎石 1 8 c n 二灰碎石 1 8 c 几二灰碎石 图l - 1 六环路( 黄村至良乡段) 路面结构形式 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 研究的目的和意义 高速公路路面常用的基层材料可分为三大类。一类是柔性基层材料，如沥青 碎石；第二类是半刚性基层材料，如水泥稳定碎石( 土) 、石灰稳定土、二灰碎 石( 土) 等；第三类是刚性基层材料，如水泥混凝土、贫混凝土和碾压混凝土。 其中半刚性基层材料具有整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好、利于机械化 施工等优点且工程造价低，能适应重交通发展需要，因此在我国公路建设中得到 广泛的应用，目前己成为高等级公路路面基层的主要结构形式。其中水泥稳定碎 石和二灰碎石是两种典型和常用的半刚性基层材料。 二灰碎石和水泥稳定碎石作为高速公路路面基层各有优劣：二灰碎石基层具 有后期强度高，收缩系数小，板体性好，水稳性、抗冻性较好，且能大量利用工 业废料( 粉煤灰) ，经济性好等优点。同时也存在：1 、早期强度低，养护时间长， 施工进度受到限制；2 、表谣松散起灰，不利于层间结合；3 、耐冲刷性一般，影 响耐久性等缺点。因此二灰碎石基层在应用过程中存在蓑很大的局限性。与之相 比较，水泥稳定碎石基层具有以下几个优点：l 、早期强度高、施工时间紧凑， 对保证工期有利：2 、基层稳定性、耐久性和抗冻性及与面层结合好；3 、疲劳特 性较好，路面长期性能好等优点。另外，通过精心的原材料选择、合理的配台比 设计、严格的施工工艺及精心养护可以在很大程度上解决水泥稳定碎石收缩性 大、易产生裂缝的缺陷，因此被广泛应用于各地高等级公路建设之中。为适用北 京市六环路的重载交通，提高路面的承载能力和早期强度，防止路面的早期病害， 六环路黄村至良乡段采用了水泥稳定碎石基层的路面结构。 在北京市己建高速公路路面结构中，二灰碎石基层占了很大的比重。表1 - 1 列举出了北京市部分高速公路半刚性基层路面的使用情况。 表l l 北京市高速公路采用的半刚性基层沥青路面结构 公路名称面层类型与厚度基层类型与厚度底基层类型与厚度 3 5 c m 中粒式沥青混凝土 京石4 5 c m 粗粒式沥青混凝土 4 0 c m 石灰粉煤灰碎石 ( 砾石) 2 0 c a n 石灰砂砾( 石) 7 u r n 沥青碎石 第1 章绪论 公路名称 面层类型与厚度 基层类型与厚度底基层类型与厚度 5 m 中粒式沥青混凝 2 0 c m 水泥粒料 2 5 3 5 c r n 石灰土、 京滓塘6 c m 粗粒式沥青混凝土 ( 碎石或砾石) 水泥土、水泥石灰 1 2 口 a 沥青碎石 土或石荻粉煤灰土 4 c m s m a 一1 6 4 0 c i n 石灰粉煤获碎石 3 0 c i n a 石灰土 6 c m 辊粒式沥青混凝土 ( 砾石) 7 粗沥青混凝土 2 c m 沥青石屑层 京哈4 c m 中粒式沥青混凝土3 6 c m 无机结合料 1 8 c r a 石灰土 5 c m 沥青碎石 5 c m 中粒式沥青混凝土 八达岭6 e m 粗粒式沥青混凝土2 0 c m 水泥稳定砂砾3 0 c m 石灰土 t 2 c m 沥青碎石 5 c m s m a 一1 6 3 6 c m 石灰耪煤灰碎石1 8 a n 石灰粉煤灰碎石 五环6 c m 中粒式沥青混凝土 7 c m 粗沥青混凝土 ( 砾石) ( 砾石) 六环 4 c m 中粒式沥青混凝土 3 6 石灰粉煤灰碎石 1 8 c r a 石灰土 5 9 m 粗粒式沥青混凝土 ( 砾石) ( 已建) 7 c m 粗粒式沥青混凝土 到目前为止，对于水泥稳定碎石( 砾石) 基层，除京津塘高速、京石高速部 分路段等少数几条高速公路外十几年来几乎没有采用过。因此，为了适应北京高 速公路建设的需要，确保北京市高速公路工程质量、提高经济效益，有必要在借 鉴各地高速公路路面基层结构中水泥稳定碎石基层应用的理论成果和实践经验 的基础上，并结合北京地区的具体实际，有针对性地展开对北京六环路黄村至良 乡段工程水泥稳定碎石基层及其相关应用的研究工作。 本课题的目的是从北京市高速公路建设的需要和北京地区的实际出发，通过 调查研究、广泛收集资料，充分利用各地高速路面水稳基层方面的相关研究成果 及应用经验，系统进行室内外试验，给出符合工程实际、有充分科学依据、经济 合理的水泥稳定碎石路面基层混合料组成设计，同时进行原材料的优选、延迟特 性、工艺参数、养生方式试验等相关内容研究，并提出具体的施工技术要求，以 1 北京工业大学工学硕士学位论文 苎! 鼍詈! 曼! 曼曼詈量曼基曼皇曼曼曼皇曼篁苎皇! 鼍曼! 曼曼皇! ! 曼曼曼曼曼皇曼曼昙曩il 曩蔓霸曼曼曼皇兰皂! ! ! 曼曼! 曼曼皇皇 指导六环路的工程建设，也为今后的北京高速公路建设积累技术经验和施工经 验。 1 3 国内外应用现状 国外发达国家从2 0 世纪6 0 年代开始把水稳碎石用于高等级公路路面基层。 国外柔性路面占相当大的比例，其基层大多采用沥青碎石基层( 厚度通常在1 5 2 0 c m ，有时达到3 0 c m ) ，底基层大多采用粒料基层或水泥粒料基层；国外的半 刚性路面也占一定比例，其基层一般都采用水泥结粒料基层，极少采用其它类 型稳定处治基层。例如，在重交通高速公路上，法国及西班牙等国不允许采用 无结合料的粒料基层或底基层，德国采用水泥稳定粒料基层，但其上沥青面层 最小厚度为1 2 e m 。表卜2 摘录了国外某些高速公路路段上采用的沥青路面结构。 袭1 - 2国外部分高速公路路段上采用的沥青路面结构 国 面层及厚度( c m ) 基层及厚度( c m ) 底基层及厚度( c m ) 名 奥地沥青混凝土( 2 7 + 3 0 + 4 1 )沥青稳定碎石( 1 4 + 1 6 )防冻层( 3 0 ) 比利混凝土( 4 + 8 、沥青稳定碎石( 1 6 )底基层 意大沥青混凝土( 3 + 7 )沥青稳定碎石( 1 5 )级配砂砾( 3 5 ) + 砂层( 3 0 4 0 ) 浇注式沥青混凝土( 3 5 卜 德国沥青混凝土( 8 5 ) + 贫混凝土( 1 5 ) 防冻层 砂砾沥青混凝土( i s l 德国沥青混凝士( 4 + 3 + 5 )沥青碎石( 1 8 )级配砂砾( 1 5 ) + 防冻层 浇注式沥青混凝土( 3 5 ) + 德国沥青稳定碎石( 1 8 )级配砂砾( 1 5 ) + 防冻层 沥青混凝士( 3 5 + 5 ) 沥青稳定碎石( i o ) + 挪威沥青混凝土( 1 0 ) 砂砾( 3 0 ) + 防冻层( 4 0 9 0 ) 未筛分碎石( 5 0 ) 阿根 沥青混凝土( 7 5 ) 沥青稳定碎石( 1 2 5 卜 舫冻层( 3 5 ) 廷 沥青乳液稳定砂土( 1 0 ) 沥青稳定碎石( 1 6 卜 法国沥青混凝( 3 + 4 ) 底基层砂0 5 ) 水泥处治( i o 3 5 ) 荷兰沥青混凝土( 4 “) 沥青稳定砂砾( 1 2 - 1 8 )水泥稳定砂( 1 5 4 0 ) 瑞士沥青混凝土( 3 + 4 )沥青稳定碎石( 11 ) 砂砾( 3 0 ) + 水泥处治砂砾( 2 0 ) 热压式沥青瀛凝士( 3 8 ) + 英国 粗粒式沥青混凝土( 6 8 ) 十 贫混凝土( 1 9 ) 级配砂砾( 2 0 】 热压式沥青混凝土( 6 3 ) 第1 章绪论 国名 面层及厚度( c i l l )基层及厚度( e m )底基层及厚度( c m l 沥青混凝土( 5 ) 十 瑞典水泥砂砾( 1 8 ) 沥青碎石( 7 5 ) 沥青碎石( 6 l o ) + 西班牙沥青混凝土( 3 5 + 4 6 )级配砂砾或水泥砂砾( 1 5 ) 水泥砂砾( 2 0 ) 沥青混凝土( 8 ) 碾压混凝土 结合粒料处治 西班牙 沥青混凝土( 1 5 ) 水泥结粒料结合粒料处治 中粒沥青混凝土( 4 ) + 波兰 粗粒沥青混凝土( 6 ) +水泥石屑f 2 7 ) 水泥石屑( 路拌( 1 2 ) + 石屑 ( 5 ) ) 沥青矿料混合料( 8 ) ( 1 0 1 5 沥青混凝土，中等交通)水泥结粒料 意大利 ( 2 0 沥青混凝土，高速公路)水泥结粒料( 2 0 ) 洼；由于不同国家的高速公路上以及同一国家不同高速公路上的交通量和交通组成差别甚 大，所采用的路面结构和厚度都有较大的差别。 我国已建的高速公路基层均为半刚性基层，常用的是水泥稳定粒料和石灰粉 煤灰稳定粒料基层。其中水泥稳定碎石基层正得到越来越广泛的应用。表1 - 3 摘 录了国内部分采用水泥稳定碎石基层的高速公路路段上的沥青路面结构。 表1 - 3国内部分采用水泥稳定碎石基层的高等级公路沥青路面结构 长度 路面结构 高速公路名称 ( k m ) 面层( c m )基层( c m )底基层( e m ) 4 中粒式 广佛高速 1 5 7 2 5 水泥稳定碎石 2 5 2 8 水泥稳定土 5 耜粒式 4 细粒式 深圳机荷高速 5 粗料式4 0 水泥稳定碎石2 8 级配碎石垫层 6 粗粒式 4 中粒式 宁宿徐高速 1 0 2 5 粗粒式3 4 水泥稳定碎石( 6 )2 0 石灰稳定士( 1 2 ) 7 沥青碎石 4 中粒式 连徐高速二期 1 1 2 6 6 粗粒式3 8 水泥稳定碎石2 0 二灰土 7 沥青碎石 4 中粒式 青银高速河北 1 8 3 55 粗粒式 1 9 水泥稳定碎石 1 8 _ _ f i 获稳定土或二灰土 段 + 1 8 二灰碎石 6 粗料式 京沪高速河北 4 细粒式 2 0 水泥石灰稳定士 5 租料式3 8 水泥稳定碎石( 5 ) 段 ( 3 ：6 ：9 1 ) 6 粗粒式 5 北京工业大学工学硕士学位论文 长度 路面结构 高速公路名称 ( k r n ) 面层( c m )基层( c m )底基层( e r a ) 4 细粒式 1 9 水泥稳定碎石 2 0 石灰稳定土 京沈高速河北段 5 粗料式 + 1 8 二灰碎石 6 租粒式 4 中粒式 京张高速河北段 6 粗料式3 8 水泥稳定碎石( 5 )4 0 水泥稳定砂( 5 ) 8 粗牧式 5 中粒式 榆林靖边高速 1 1 72 0 水泥稳定碎石( 5 )3 6 石灰稳定土 7 粗粒式 4 细粒式 罗宁高速公路 3 3 75 粗料式3 0 水泥稳定碎石( 5 ) 2 0 水泥稳定碎石( 3 ) 6 粗粒式 4 细粒式 沈大高速 3 7 5 5 中料式 2 0 水泥稳定碎石3 0 水泥稳定土 6 粗粒式 国内外对水泥稳定碎石的研究结论和工程实践经验，主要有以下几个方面： 1 、对于水泥稳定碎石，强度随水泥剂量增加而增加。但就收缩性而言，存 在着一个最佳水泥范围。一般认为水泥剂量超过6 ，会导致干缩和温缩系数大 幅度增长。很多研究表明，当水泥剂量在3 6 时，其收缩性没有明显差异。 2 、集料级配的好坏不但对基层强度有影响，而且对其他的路用性能也有影 响。一般情况下在水泥剂量、石料的强度、石料形状等满足相应规范要求的前 提下，根据规范所给定的级配曲线配置的混合料7 d 抗压强度大都符合要求。但 各个级配混合料的抗裂性能和抗冲刷性能却有较大的差异。对于用水泥稳定碎 石这类半刚性材料作基层的道路，在使用中发生破坏的原因，除了极少数是为 因抗压强度不足引起的以外，大多是由于其收缩性大或抗冲刷能力不足所致。 所选用的配合比应该是在充分考虑道路沿线地质、水文、气候以及施工难易程 度的条件下，抗压强度、抗裂性和抗冲刷性之间的一种平衡。盲目提高强度的 做法导致基层刚度过大，容易产生收缩裂缝增大等其他负面的影响。 3 、在适当范围内增加粗集料比例，不但能提高强度，而且能减少收缩裂缝。 但在配合比设计中还应充分地考虑到在实际施工是否易于操作，例如：摊铺机 摊铺粗料含量较多的混合料时，由于摊铺机分料器在分料的过程中将混合料中 的粗颗粒拨到了两侧，易使局部的地方出现离析现象。同时细料含量较多时， 第1 章绪论 压实阶段容易产生弹簧现象。与之相比，当混合料配比适当时则极少发生离析 和弹簧现象。 4 、水泥稳定碎石基层碾压时含水量越大，干缩越严重；养生不善，基层材 料时干时湿，甚至长时间曝晒会导致基层的早期开裂。 5 、压实度越大越不宜产生收缩裂缝，因此必须采用重型压实标准。 6 、水泥稳定基层内产生的裂缝与基层施工时的温度和年温度梯度或多年的 温度梯度有密切的相关性。在高温季节旌工的基层经过冷季节后产生收缩裂缝， 而在低温条件下施工的基层经过热季节后产生膨胀性的裂缝。因此应根据当地 的气候条件，合理地安排基层的施工时间。 1 4 主要研究内容 1 、原材料选择； 2 、混合料级配设计； 3 、混合料延迟特性： 4 、施工工艺参数确定； 5 、养生试验； 6 、施工技术要求； 7 、实施效果总结 1 5 研究方案 l 、调查国内外高等级公路路面水稳碎石基层的应用情况，收集国内外特别 是国内其他地区水稳碎石材料的相关研究成果和应用经验； 2 、从本工程实际出发进行原材料选择； 3 、通过配合比试验，进行混合料目标配合比设计； 4 、通过延迟试验，确定混合料施工延迟控制时间； 5 、铺筑试验路，检验、修正目标配合比，取得关键工艺参数； 6 、试验路段养生试验，确定养护方式： 7 、进行施工工艺研究，提出施工技术要求，指导旌工； 8 、参与工程施工，指导生产配合比设计； 9 、进行工程实施效果分析，总结经验。 1 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章混合料配合比设计试验方案 混合料配合比设计也称材料组成设计，它是路面设计的重要组成部分。通过 配合比设计使混合料能达到规定的技术要求。同时，配合比设计又是施工质量管 理的重要内容。混合料组成的选择必须使其：具有合适的强度和耐久性；具有较 小的收缩变形和较强地抗冲刷能力；贯彻就地取材，便于施工，技术可行，经济 合理的设计原则。水泥稳定碎石混合料配合比设计试验依据主要有： 公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) ； 公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) ； 公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 - 9 4 ) ； 公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 - 2 0 0 0 ) ； 公路工程质量检验评定标准( j t j 0 7 1 9 8 ) ： 2 1 水泥剂量选择 水泥稳定碎石中强度指标在很大程度上取决于水泥的剂量，随着水泥剂量 的增加，水泥稳定碎石的物理一力学性质也将显著地改变。不过，过多的水泥 用量，虽然可以获得强度的增加，但会产生较大干缩裂缝和温缩裂缝，同时， 在经济上也不合理。因此，在进行水泥稳定碎石基层材料设计时，要综合地考 虑各种因素来加以确定水泥剂量。在保证所铺的基层达到所规定的各种质量指 标前提下，应取用低的水泥剂量，以降低工程造价。公路路面基层施工技术规 范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 规定水泥剂量为3 6 。另外，从收集到的国内十余条高 等级公路水稳基层所采用的配合比数据( 见表2 3 ) 来看，国内高等级公路水 稳基层混合料水泥剂量采用范围在4 5 6 之间。基于上述考虑，本次试验按 4 、5 、6 三种水泥剂量配制混合料。 2 2 集料级配选择 集料的级配合成是路面基层设计的主要内容。只有粗集料和细集料的合理 搭配才能保证路面基层材料既有较好的骨架性又有较好的填充性。只有较好的 级配才能使水泥稳定碎石混合料具有较高的强度、较好的稳定性和较低的收缩 r 第2 覃混合科配台比性计试验方莱 系数。水泥稳定碎石的粒料越粗，则强度越高，稳定性越好，预防温缩、干缩 裂缝的能力越强。而细料过多，则抗冲刷能力降低，收缩系数增大；但细料偏 少，则混合料容易离析，摊铺碾压后难以密实，导致表面层孔隙率偏大，过于 粗糙，粒料间粘结力不足。因此集料的合成级配范围选择在混合料配合比设计 中占有十分重要的地位。 从收集到的国内十余条高等级公路水稳基层所采用的配合比数据( 见表 2 3 ) 来看，国内高等级公路的水泥稳定碎石基层集料级配范围大都取用接近规 范中值范围：在2 0 0 0 年以前竣工的工程中接近于公路沥青路面设计规范 ( j t j 0 1 4 - 9 7 ) 要求级配中值( 见表2 一1 ) ：在2 0 0 1 年以后竣工的工程中接近于 公路路面基层旌工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 所列表3 2 2 中3 号级配中值 ( 见表2 2 ) 。表2 3 列出国内一些高等级公路水泥稳定碎石基层所用集料级配。 2 0 0 0 年l o 月1 目起实施的新版公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 9 0 0 ) 舍弃了原来的基层方孔筛尺寸，而统一采用与国际接轨的沥青方孔筛尺寸。它 和公路沥青路面设计规范( , i t j 0 1 4 9 7 ) 分别提供了两种不同的基层集料级 配范围，如表2 一l 、表2 2 。尽管在粒径4 7 5 m m 以下范围这两种级配范围是一 致的，但在公路路面基层施工技术规范中为了提高混合料的强度和稳定性， 以适应不断提高的设计承载能力的要求，增加了9 5 t m 以上碎石的含量。同时 又考虑到相对于其他等级公路来讲，高速公路水泥稳定碎石基层在施工工艺和 施工机械配置方面具有更高要求，在施工中可采用两台摊铺机呈梯队作业施工， 适当增加粗集料用量不易出现离析情况，公路路面基层施工技术规范中增加 了1 9 r m 以上碎石的含量。目前国内绝大多数高等级公路在水泥稳定碎石基层混 合料级配设计中采用公路路面基层施工技术规范级配范围。 基于上述考虑，本试验混合料合成级配决定采用接近于公路路面基层施 工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 所列表3 2 2 中3 号级配中值( 表2 2 ) 范围。 表2 - 1公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 要求水泥稳定集料的颗粒组成范围 筛孔粒径 3 1 51 99 54 7 52 3 60 60 0 7 5 规定通过范围 1 0 08 8 9 55 7 7 72 9 - - 4 91 7 3 5 8 五20 7 中值( ) 1 0 09 1 56 73 92 61 53 5 表2 2 公路路面基层施工技术规范( r r j 0 3 4 - 2 0 0 0 1 要求水泥稳定集料的颗粒组成范围 筛孔粒径( m m ) 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 60 60 0 7 5 规定通过的范围( ) 1 0 0 9 0 1 0 07 2 8 94 7 6 72 9 - 4 91 7 3 58 2 20 7 中值( ) 1 0 09 58 0 55 73 92 6 1 5 3 5 北京工业大学工学顶士学位论文 表2 - 3国内一些高等级公路水泥稳定碎石基层所用集料级配 路 通过下列方孔筛尺寸( 咖) 的质量百分率( ) 最佳虽大水泥7 d 抗 含水量干密度 剂量 压强度 备注 名 3 1 5 2 6 5 1 9 9 5 4 7 52 ，3 g 0 6 0 0 7 5 g c m 3 m p a 惠漾普硅3 2 5 1 0 09 467 1 25 7 42 i 7 1 0 43 35 52 2 253 3 9 一级路1 9 9 4 芷 郑许 普硅4 2 5 1 0 0 9 5 6 6 7 6 4 7 2 2 8 41 0 5 1 4 5 0 72 356 1 6 高速路 1 9 9 5 蛊二 普硅4 2 5 竹曲高速 1 0 09 4 46 664 1 21 71 2 13 35 12 35 04 7 1 9 9 9 年 普硅4 2 5 日竹高速1 0 09 8 2 6 7 4 3 6 5 2 0 21 2 o0 95 oz ，0 】5 04 8 1 9 9 9 蛊三 国道1 0 8 线 矿渣3 2 5 1 0 09 1 7 6 7 6 4 0 62 6 3 8 5 052 34 53 6 8 侯马一新绛 1 9 9 9 年 国道1 0 5 线 缀凝4 2 5 1 0 09 5 46 6 6 4 32 3 ，51 23 7 46 32 3 24 53 8 8 单县段1 9 9 9 侄 宁宿徐 缓凝3 2 5 1 0 09 26 53 52 51 345 02 3 666 高速l1 9 9 9 证 宁宿徐缓凝3 2 5 1 0 09 86 94 22 41 3472 2 l65 高速21 9 9 9 芷 沥青规范 1 0 09 1 56 73 92 61 53 5 中值 2 0 0 0 年以后工程 京珠高速普硅3 2 5 1 0 09 7 2 7 7 3 5 7 3 3 9 1 2 5 11 2 4 1 _ 36 02 4 054 6 末阳一宜章2 0 0 1 毛 临长 普硅4 2 5 1 0 09 8 ，l8 5 3 5 9 43 8 72 7 31 5 44 15 8 2 ，2 95 55 6 高速12 0 0 1 庄 临长普硅4 2 5 1 0 09 6 3 8 3 65 8 13 7 8 2 5 、4 1 5 84 15 92 3 454 7 高速22 0 0 1 年 普硅3 2 5 榆靖高速 1 0 09 6 48 1 1 5 7 2 3 7 2 2 7 8 1 0 2 75 4 2 3 755 3 2 0 0 2 短 酱硅3 2 5 衡枣高速 1 0 09 7 6 7 9 25 6 1 3 b 52 61 5 21 56 02 ，2 8 5 55 8 2 0 0 3 芷 施工规范 1 0 09 58 0 55 73 92 61 53 5 中值 1 0 第2 章混台料配合比设计试验方案 。 瓣 捌 蚓 芒 * 捌 圈 毒多7 一 一= 豢嚣韦器 _ 萨 - - i = 墨孽蛊碧 一_ 衫彩z - - 一 r ? t j 守：r 乏 0 0 7 506 2 3 6 4 7 59 51 92 6 53 1 5 筛孔尺寸( m ) 图2 - i 京珠( 末阳宜章) 高速( 2 0 0 1 年) 水稳碎石级配曲线 + 级配上限，：少 一级配下限 o 厂 一级配中值 纡+ 合成级配 广 i z 易 幺 0 0 7 50 62 3 54 7 59 51 92 6 53 l - 5 捧孔尺寸( 咖) 图2 2临长高速。( 2 0 0 1 年) 水稳碎石级配曲线 一_ j 一级配l 限i 一一理7 - 一级配下限 厂 广 1 + 合成级配为笋 卢 ， ， j ( 弦多， 矾0 7 5乱62 3 64 7 59 51 92 6 53 】_ 5 筛孔尺寸( 皿) 图2 3衡枣高速( 2 0 0 3 年) 水稳碎石级配曲线 岳；蚰帅加0 一毒爵篁恻 5；鲫阳靳印蚰肋加o 旨：鲫w蚰m 0 北京_ 】：= 业大学工学碗士学位论文 2 3 混合料配合比设计步骤 l 、选取材料，进行原材料的试验。 2 、筛分试验，合成级配 对配合比设计所选取的不同种粒径碎石进行筛分试验，根据筛分结果通过试 算法组配混合料，计算混合料级配满足级配中值要求。 3 、确定水泥剂量的掺配范围 本工程要求水稳碎石基层7 天无侧限抗压强度要3 m p a 。水泥剂量按4 、 5 、6 三种比例配制混合料，即水泥：碎石的比例为4 ：1 0 0 、5 ：1 0 0 、6 ：1 0 0 。 4 、做标准击实试验，确定最佳含水量和最大干密度 5 、制作试件 按最佳含水量和计算得到的最大干密度的9 8 制备试件，作为平行试验的试 件数量为9 个。按现行规范规定采用1 5 0 x1 5 0 r a m 的圆柱体试件。 6 、测定饱水无侧限抗压强度 试件在规定温度下保湿养生6 天，浸水2 4 小时后，按公路工程无机结合 料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 进行测定无侧限抗压强度。 计算试验结果的平均值和偏差系数。 7 、确定试验室配合比( 目标配合比) 根据强度标准，确定合适的水泥剂量。此剂量试件室内试验结果的平均抗压 强度应符合：r r d ( 1 z a c n 高速公路保证率取9 5 ，此时z a = 1 6 4 5 c v 为偏差系数，当试件数为9 个时，c v 应不大于1 0 1 5 。否则应重做 试验。如不能降低偏差系数，则应增加试验数量。 8 、确定生产配合比 根据施工现场情况，对确定试验室配合比( 目标配合比) 进行调整。高速公 路要求集中厂拌法施工，水泥剂量要增加o 5 。 2 4 延迟试验方案 水泥稳定碎石的施工与二灰碎石相比，其控制难点主要在于水泥与集料遇水 第2 章混台料目e 台比设计试验方粟 产生凝结硬化作用，混合料逐渐胶结在一起，压实时必有一部分压实功用来破坏 这种胶结作用。当压实功不变时，必然影响其压实及后期成形后的强度。因此， 从加水拌和到碾压终了的延迟时间对水泥稳定碎石混合料的强度和所能达到的 干密度有明显的影响。延迟时间愈长，混合料强度和干密度损失愈大。水泥延迟 时间的长短也直接影响水泥稳定基层的施工质量。过短，影响水泥稳定混合料的 搅拌、运输、摊铺和压实等工序；过长，则影响水泥稳定基层强度的形成。 延迟时间对混合料强度的影响取决于两个因素，即水泥品种和集料的性质， 特别所用水泥性质对延迟时间的影响至关重要。因此，既应采用终凝时间长的水 泥，又应规定旋工的延迟时间。国外通常规定施工的延迟时间为2 h 。考虑到我 国公路施工中采用路拌法的实际情况，公路路面基层施工技术规范 ( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 规定了延迟时间3 4 h 。由于高速公路水泥稳定碎石的施工采用 集中厂拌法，因此，在配合比设计时，应通过延迟试验重新具体确定应该控制的 延迟时间，以指导实际施工。 本延迟试验方案是： l 、根据确定的目标配合比，通过试验分别测定在采用两种不同种水泥时不 同的延迟时间对7 d 无侧限抗压强度的影响。 2 、根据确定的目标配合比，通过试验分别测定在采用不同含水量不同的延 迟时间对7 d 无侧限抗压强度的影响。 3 、根据确定的目标配合比，通过试验分别测定在采用不同水泥用量时不同 的延迟时间对7 d 无侧限抗压强度的影响。 对应的延迟时间( 即从加入水与水泥拌和后到试件制作完成时间) 分别为 2 h 、4 h 、6 h 。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章混合料配合比设计试验结果及分析 3 1 原材料选择 3 1 1 碎石选择 在高速公路路面基层施工中，为了不至于在试验或施工中出现压实不均或 离析现象，碎石的单个颗粒的最大粒径不应超过3 1 5 l 【l l ，碎石压碎值要求小于 3 0 7 , 。所用碎石应筛分成3 4 个不同的粒级，混合料颗粒组成应符合公路路面 基层施工技术规范( j t j 0 3 4 - 2 0 0 0 ) 所列表3 2 2 中3 号级配范围( 见表2 2 ) 。 北京地区石灰岩分布最广，石灰岩质碎石在北京土木工程中应用也最多； 尽管硬度不如玄武岩、花岗岩，但用在路面基层中已足够了。而且，工程沿线 及周边地区如房山、门头沟、丰台等地大量出产石灰岩碎石。因此，我们选择 有代表性的大灰厂产三种粒径石灰岩碎石作为试验研究骨料，其粒径规格分别 为9 5 3 1 5 m m 、9 5 i 9 m m 、0 - 9 5 m m ，经检验压碎值满足要求( 试验结果见表 3 一1 ) 。分别对三种规格的碎石进行筛分试验，得到筛分结果如表3 2 所示。 表3 - 1大灰厂石灰岩碎石压碎值试验结果表 压后通过3 m r a 筛后 试验次数试样重( g ) 压碎值( )平均值( ) 规定值( ) 试样重( g ) l3 0 0 04 1 01 3 7 1 4 0 3 0 2 3 0 0 04 3 0 1 4 3 表3 2 大灰厂碎石筛分试验结果汇总表 大灰厂碎石通过百分比( 筛孔( n l r l l ) 9 5 31 59 5 1 90 - 9 5 3 1 51 0 01 0 0 1 0 0 2 6 58 0 81 0 0 l o o 1 92 4 69 51 0 0 9 s3 72 8 99 6 3 4 7 5o8 1 7 5 - 4 2 3 6o 5 9 4 0 63 2 1 0 0 7 51 0 1 第3 章混合料配合比设计试验结果及分析 3 1 2 水泥选择 公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 规定：普通硅酸盐水泥、矿 渣硅酸盐水泥和火山灰硅酸盐水泥部可用于水泥稳定碎石。并且宜选用低标号 水泥( 3 2 5 m p a ) ，初凝时间应3 h 以上、终凝时间宜6 h 以上。严禁使用快硬水泥、 早强水泥以及已受潮变质的水泥。各项技术指标应满足相关规范的要求。 通过对各地高等级公路水稳基层水泥情况的调查，我们发现：国内大多数 高等级公路水稳基层水泥采用最多的是普通硅酸盐水泥，而且以低标号水泥为 主；其次是硅酸盐缓凝水泥，包括缓凝3 2 5 水泥和缓凝4 2 5 水泥，如宁宿徐高 速水稳基层采用缓凝3 2 5 硅酸盐水泥，初凝时间6 h 3 0 m i n 、终凝时间l o h ，1 0 5 国道单县段水稳基层采用缓凝4 2 5 硅酸盐水泥，初凝时间5 h 、终凝时间7 h ；另 外，也有一部分采用矿渣硅酸盐水泥，如国道1 0 8 线( 候马一新绛段) 水稳基 层采用3 2 5 矿渣硅酸盐水泥。 对于本工程水稳基层水泥选择，我们按照三个原则进行：技术指标满足 相关规范的要求；加入该种水泥的混合料延迟控制时间满足2 - 3 h ；本地能 大批量生产，且价格适中。本工程水稳碎石基层施工要在八、九月份进行，此 时气温还是相当高，水泥水化作用快，而对混合料的延迟控制时间又有明确的 限定，所以本工程不宜选用高标号水泥普通硅酸盐水泥。从理论上，最适宜的 应是低标号硅酸盐缓凝水泥，但北京地区没有专门厂家大批量生产这种水泥， 若指定某一厂家大批量生产该种水泥，生产厂家须大规模更新设备和调整生产 环节，这样使水泥价格大幅度提高，本工程也不能采用硅酸盐缓凝水泥。对于 普通硅酸盐水泥，只能选用低标号普通硅酸盐水泥，因此本工程把当地房山水 泥四厂生产的普通硅酸盐水泥( p 0 3 2 5 ) 作为备选水泥。另一种可选择水泥是 低标号矿渣硅酸盐水泥，该种水泥具有一定的缓凝效果，一定程度上能延长混 合料延迟控制时间。考虑到当地房山水