毕业论文-水泥稳定砂砾路基基层配合比研究.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）目录摘要Abstract 第1章 绪 论1 1.1研究背景及意义1 1.2 国外研究现状1 1.3 国内研究现状2 1.4本文研究的内容与研究思路5第2章 水泥稳定砾石的材料特性及裂缝成因7 2.1水泥稳定砂砾材料特性7 2.2 网状裂缝和纵缝7 2.3 基层产生裂缝的原因7第3章 水稳基层砾石结构特点与类型比较9 3.1 水泥稳定砾石结构类型与特点9 3.1.1 悬浮密实结构9 3.1.2 骨架密实结构9 3.1.3 骨架空隙结构10 3.2 骨架密实型、悬浮密实型和骨架空隙型级配比较10第4章 骨架密实型集料配合比设计15 4.1 骨架密实型水泥稳定砾石基层的实施运用15 4.2 骨架密实型水泥稳定砾石的结构及适用范围15 4.3 必须严格控制集料中小于0.075mm颗粒的含量16 4.4 我国骨架密实型水泥稳定砾石集料的最大粒径及级配范围16 4.5 设计级配数据处理与图解17结论25参考文献26致谢28I摘要黑龙江省内道路公路的结构形式主要以水泥稳定类为主，其中主要以碎石、砂砾为基层主要材料。经过长时间的工程道路实践证明，许多人都忽略了影响砂砾基层稳定性的最为主要的因素，级配的不合理、骨料的选择不符合规范、细骨料含量较多甚至还会主观认为水泥剂量用的越多越好等等，这样就会导致一系列的问题的出现，例如：裂缝的出现、脆性增加、温缩、干缩系数变大、抗变形能力下降等。因此在工程道路施工过程中，严格把控这些因素对于施工具有积极的影响，不仅可以在其他方面得到优化研究，更能使道路的使用寿命增加，所以配合比、级配更应该严格把控。关键词：水泥稳定砂砾；路基基层；配合比；研究AbstractThe structure of HeiLongJiang province road highway mainly cement stabilized class, mainly with crushed stone, gravel as main material at the grass-roots level. After a long road engineering practice has proved that many people have ignored the most main factors, which influence the stability of gravel base of grading is not reasonable, the choice of the aggregate is not in conformity with the specification, fine aggregate content even more subjective think cement dosage, the more the better, and so on, this will lead to the emergence of a series of problems, such as: the occurrence of cracks, brittleness increases, temperature shrinkage, dry shrinkage coefficient become bigger, resistance to deformation ability, etc. Therefore in the process of road construction, strictly handle these factors for construction has a positive impact, not only can be optimized in other ways, more can increase the service life of the road, so the mixture ratio, the grading should be more strict control.Keywords: Cement stabilized gravel; Subgrade base; Mixture ratio; research第1章 绪 论1.1 研究背景及意义随着中国经济的飞速发展，大型基础设施的兴建，公路、道路成为了沟通经济的关键因素，但由于交通量的逐渐增加，交通荷载的慢慢增多，越来越多的公路不堪重负，纷纷都出现了不同程度的裂缝，归结其主要原因，就是基层的承载力并没有达到现代交通压力的范围，所以在现有的工程道路结构中基层的集料用量以及颗粒级配也就成为了至关重要的条件。工程道路结构中，基层的好坏决定了道路的使用寿命，那么基层的水泥稳定层也就成为了关键，影响基层稳定因素有很多，例如：骨料颗粒形状、水泥剂量多少、粗细集料配比、水的用量等等。这些因素中，无论用量多少，都会给基层造成一定影响。那么在骨料的选择方面，根据黑龙江地区的特性，我们应选择骨料颗粒形态良好、外形圆润饱满1；在水泥剂量选用方面，水泥剂量多的话，就会让基层整体结构脆性增加，水泥剂量少的话，又会导致基层承载力不够；在粗细集料配比方面，应该严格控制好粗细集料的分界点，使得基层级配良好；在水用量方面，因做到在混合料含水量适中，用水量恰到好处。通过以上分析可以得出，在工程施工中，控制好这些因素，就能使基层性能得到进一步优化，本文分别从这些方面做到严格控制，并分别在悬浮密实、骨架密实、骨架空隙进行对比并作出分析。1.2 国外研究现状关于在水泥稳定类半刚性基层材料的相关规范上，每个国家都不尽相同，主要表现在设计理论以及设计方法上，那么关于在水泥稳定类的结构方面也表现出了不同，所以每个国家在工程道路施工过程中要求的强度标准也大有不同，下面就是我总结的相关资料以及几个国家关于这方面的规范：在欧洲应用半刚性基层路面的最为多的国家就是法国，欧洲其他国在这方面的应用同样也很多，那么法国在水稳类结合料方面的要求包括：沥青混凝土基层应用的厚度为6-14cm，水稳类基层厚度将大为增加，大概为25-65cm，这种结构与我国在这方面的的应用较为相同，所以在这方面上，我国可以以法国为参考。对于基层早期强度方面，7d的强度为4MPa,主要应用于法国中部地区（温和气候和交通条件不拥堵）。南非的道路施工过程中，一般按照压实度为9%进行压实，并进行质量检查与鉴定，如果按照规范进行10%的压实度，则不能满足工程施工强度要求，在相应规范要求下，水泥稳定类基层材料需要进行严格的控制，都具有一定的上下幅度要求，不可以超过一定范围。在20世纪70年代，非洲的道路施工中，C1、C2的使用导致大部分道路路面出现不同程度的裂缝，使用寿命缩减，而后进行改良，C3、C4现主要应用沥青路面，且施工强度不大于2MPa。表1-1 南非水泥稳定材料7d无侧限抗压强度数据规范表指 标C1C2C3C4最大最小最大最小最大最小最大最小100%最佳干密度（设计规范）12.06.06.03.03.01.51.50.07597%最佳干密度（施工规范）8.04.04.02.02.01.01.00.5日本在工程道路施工中技术领先，对于半刚性沥青路面，已很少使用，仅用在交通量少、交通压力小、车辆荷载不大的道路上。日本在水稳类基层中，水泥剂量应用不同于其他国家，7d强度仅为2MPa,底层强度更低，小于1MPa。1986年，英国交通部出台了公路工程技术标准，其中将水泥稳定类基层材料的强度等级分成4个不同的等级，分别为:CMB1=4.0MPa、CMB2=7.0MPa、CMB3=10.0MPa、 CMB4=15.0MPa。在美国，关于水泥稳定类基层主要规范分为两个等级，分别为：等级A、等级B。规范等级A包括：7d水泥稳定强度为5.2MPa，这一规范主要用于高等级公路，交通量较大、荷载较大的公路上。规范等级B包括：水泥剂量为2%-3%时，其结构自身的抵抗压力的数值R=80。这些规范都会使美国公路施工更为优化。1.3 国内研究现状在我国，工程道路施工中应用较为广泛的就是水泥稳定类基层。这种基层主要特点就是具有良好的水稳性和较强刚度，路面荷载作用路径通过它再传递到底基层。所以这就要求了这类基层在施工过程中要进行严格的控制，不仅是骨料方面，还有级配方面。经过多年的工程道路施工实践与经验表明，对于我国东北地区的特殊地理条件与气候条件，基层在施工中是最为主要控制的方面，无论是沥青还是水泥路面，基层都将成为至关重要的因素，基层的好坏，直接影响整个道路的质量，那么影响基层质量的因素主要包括材料的组成、材料的质量、材料的表观类型以及集料级配等，所以，合理的控制好这几个方面，就能使我国道路的使用寿命成倍增加，更能在经济上获得直观的收获。我国对于水泥稳定砂砾的颗粒级配、水泥剂量和水等都有一定的要求与规范2。在工程道路施工过程中，特别的对基层的施工是一个关键步骤，因为基层的好坏将影响整个路面的质量与使用寿命，所以在施工过程中，控制水泥稳定基层影响因素尤为重要，需要提前做好科学的准备与充分的规范。施工中，首先应确定整个工程需要多少集料，包括粗细集料、水泥、以及水的量，这些质量的好坏很重要，必须要进行严格的质量控制3。在这种结构道路施工过程中，水泥的质量就显得尤为重要，因为水泥是决定基层承载力的一个关键因素，因此，我们应该选择稳定性良好、质量强度足够的优质水泥。选取优质的水泥，避免选择那些快速凝固的水泥（水泥凝固必须达到7个小时以上）、早强水泥以及快要过期的水泥等，水泥进场必须要有相应的检验合格证书，并符合规范要求；那么砂砾的选择也很有讲究，最大粒径不能超过31.5mm，砂砾的压碎值不能高于1/3，更应该符合规范要求4。决定水泥稳定砂砾基层强度的主要因素包括以下几个方面：1.颗粒自身的强度；2.颗粒与颗粒之间的；3.粗、细集料之间的颗粒与水泥之间的粘结力。这些都是从基层的结构形式上可以看出的。那么既然已经知道这三方面的影响因素，我们就可以分别从这三个方面下手，从整体上提高整个结构的强度。例如：我们可以挑选优质砂砾，外形饱满、颗粒圆滑；还可以找到最佳的水泥剂量，4%、4.5%、5%等等；再就是得到一个最优质的配合比，使得在使用这个配合比情况下整体结构强度最大，抗压性能最好的配合比。对于级配方面，尽量在配置配合比时，让其级配曲线达到圆滑，并尽量接近中值，且保持英文字母“S”形，主要可以在配比时调整粗、细集料的各自用量，使其达到最优化，并能保证其使用强度与使用寿命。在水泥稳定类中以砂砾作为基层方面，裂缝的产生是最为主要的危害，引起裂缝的主要因素：温度收缩、干缩特性。那么在温缩特性方面，部分高等院校对基层材料进行了干缩与温缩试验并得出了相应结论，实验内容主要包括一些石灰粉煤灰类、石灰稳定类以及水泥稳定类基层试验，得出了一部分结论与想法，之后按照结论和想法又陆续进行了试验去验证自己的一些想法，结果如他们所料，也证实了裂缝的产生与温缩系数有关5。国家“七五”攻关等许多研究成果，最终得出了收缩性大小的次序为：石灰稳定类最高，其次为石灰粉煤灰稳定类，最后为水泥稳定类。具体关系形式就是石灰稳定类石灰粉煤灰稳定类水泥稳定类。东南大学对高等级高速公路的半刚性进行的深入研究，最终等出了不同种类的几种材料的干缩系数；东北林业大学姜斌综合分析水泥稳定砂砾基层材料的干缩性能时，水泥剂量为4.5%的骨架空隙水泥稳定砂砾混合料干缩特性最好，水泥稳定砂砾基层混合料的平均干缩系数也随之增加，慢慢增长6。张洪华教授分别作了三组试验：水泥稳定细粒土的温缩系数、水泥稳定中粒土的温缩系数、水泥稳定粗粒土的温缩系数，并由试验得出相应结论：1.水泥用量多少将直接影响温缩系数；2.水泥稳定类粒土温缩系数大小具体关系为：粗粒土中粒土细粒土；3.无论是哪种土，其影响因素都含有土的含量7。在防裂措施研究方面，长安大学蔡飞经过研究得出了一些重要结论：（1）对于一定量的水泥稳定砂砾材料，存在一个最佳引气剂掺量，在该掺量下，材料干缩抗裂和温度抗裂系数系数均为最优；(2)在进行抗裂性能分析方面，蔡飞利用了这两个不同的指标：收缩抗裂系数以及韧度系数。分别从各自系数方面进行深入研究与探讨，并作出了系统全面的分析与评价8。按规范设计出来的混合料的断裂韧度仅是体积设计法混合料的50%。说明按体积法设计出来的材料可以较大幅度地提高材料的韧性，增强材料的抗裂性能9。在水泥稳定基层路用性能方面，交通部庚赓等人重点分析了水泥粉煤灰的基层碎石级配，并利用科学的手段进行微观分析，他们分别利用扫描电子显微镜以及X射线的方式，去了解其基层的形成过程，主要强度来源以及其构成方式等，并得出了相关结论：（1）由于水泥粉煤灰混合料中含有火山灰，又因为火山灰具有水化性，会不断耗费水泥用量以及水泥化产物，这样就使得其基层的强度比较高；（2）因为粉煤灰自身具有稀释作用，所以将导致在混合料中水泥的水化凝结程度比不加粉煤灰的水泥稍有落后，这样就可以增加这种基层的早期强度，并使得其强度均有增加；（3）随着时间的增加，相应的水泥粉煤灰龄期的增长，其自身的力学性能也在不断加强，主要是因为其微观的水化产物从最初的无定形变化的高结晶程度，宏观上主要体现在力学性能的增加与优化10。我国在上世纪80年代，吉林省公路勘测设计院在1986年设计的四浑线平岗至三合线为公路等级为二级。原设计基层为二灰碎石组合设计8:18:74，因雨季更换为水泥稳定碎石（4:20:76），后期使用效果良好。在半刚性基层材料研究方面， 重庆交通学院的杨锡武和梁富权对半刚性基层材料进行的研究，研究的方面主要是针对养生的时间与养生的条件。而后他们又对包括水泥稳定碎石在内的多种半刚性基层材料进行研究，龄期的增加与自身的收缩应变之间的规律，并得出了龄期与收缩应变的回归方程11。此外，谭鹰、李彬等人也进行了相关实验，实验内容主要围绕的是半刚性基层材料在温缩、干缩方面的研究。河北工业大学岳福青教授同样也对半刚性基层材料进行试验，研究主要包括温缩、干缩系数，以及温缩、干缩应力的大小，主要利用的是西尔斯和不里恩公式，通过以上计算可以得出相应结论，并指出了基层材料开裂的原因12。吉林省交通科学研究所刘志隆等提出半刚性基层材料的抗冻少裂配合比，研究了半刚性基层沥青路面的冻融变化的规律，并提出了抗冻少裂的路面结构组合。在水泥稳定砂砾级配方面，长安大学戴教授的团队通过在实验室做的大量实验表明，骨架密实型结构较悬浮密实型与骨架空隙型在减少收缩量方面有显著提高，抗裂性能也有所增大，即使这样，对于在工程道路施工中，并不会增加建造成本。同济大学林绣贤通过大量自身的实践进而得出并总结出一定观点，不管什么结构，其材料组成必须拥有较为优秀的配合比，并逐级填充，使得在良好配合比下获得良好级配13。他认为：骨料的合理含量要根据实际材料计算，骨料空隙部分即为密实的结合料含量。关于石灰与粉煤灰比例，以1:31:4为最好，但石灰在混合料中含量也不低于5%14。2002年青海修建的海湖路工程中施工单位将6%水泥的水稳砂砾改为水泥稳定砂砾，做了3各类别，12组不同组合设计的水泥稳定砂砾试验，并进行了水泥稳定砂砾和水泥稳定砂砾路用性能对比。1.4 本文研究的内容与研究思路方法黑龙江地域辽阔，地处中国最北端，气候条件恶劣，这也给东北地区的工程道路施工带来不小麻烦，加之降水较多，温度变化大，地形地貌特征丰富，山川、盆地、沙漠都较多，土壤类型复杂，土质更为繁杂，所以在公路施工过程中，格外注意这种地形的特点，对于这种地形，要制定出更加适合这种地形的工程施工办法，使得公路施工更加有效率15。随着中国经济的飞速发展，黑龙江地区也在加快大型基础设施的兴建，公路、道路成为了沟通经济的关键因素，但由于交通量的逐渐增加，交通荷载的慢慢增多，越来越多的公路不堪重负，纷纷都出现了不同程度的裂缝，归结其主要原因，就是基层的承载力并没有达到现代交通压力的范围，所以在现有的工程道路结构中基层的集料用量以及颗粒级配也就成为了至关重要的条件16。黑龙江地区工程道路主要应用水泥稳定砂砾作为该地区主要应用的基层材料，那么影响这种结构的主要因素主要包括：粗、细骨料的用量、水泥剂量的多少、水用量的多少等，控制好这些方面，就会有效提高道路的路用性能以及较少道路裂缝的产生，那么骨料也应该选择质优的集料。在不同地区骨料选择方式不同，但都应该进行严格控制。因此，本文研究的内容为：（1） 水泥稳定砂砾路基基层配合比概况研究（2） 基层裂缝产生的原因及防范措施（3） 骨料级配理论（4） 混合料配合比研究（5） 最大孔隙率研究（6） 最大密实度与最优含水率研究（7） 不同结构下进行对比研究（8） 不同结构下不同水泥剂量不同配合比进行研究，并确定最优配合比据此本文的研究的方法为：（1）由于黑龙江的特殊地质条件以及气候条件，在工程道路施工过程中水泥剂量的多少、骨料级配是否合理、砾石形状良好等都最为重要，所以本文就这几方面进行研究。 （2）设立对比试验，对比悬浮密实型结构、骨架密实型结构以及骨架空隙型结构三种结构优缺点。（3）不同配合比下进行计算孔隙率以及最佳含水量。（4）分别设立三种不同水泥剂量下三种不同配合比的水泥稳定砂砾分别做六组试验，并进行无侧限抗压试验，确定3d、7d其强度是否符合，从中选出最优配合比第2章 水泥稳定砾石的材料特性及裂缝成因2.1水泥稳定砂砾材料特性半刚性基层材料有很多种类，包括水泥稳定类，水泥粉煤灰等，它们都是由水泥和骨料组成的，这些结构形式都具有强度高的优点，但是由于水泥的存在，他们又都具有一定的脆性，抗变形性能差以及不确定性。那么这些结构的最主要特点主要是靠内部集料的相互挤碰、集料的级配形式、以及集料的表面形态、尺寸等。所以我们在挑选集料的时候，应做到严格把控17。具体有以下方面的要求：首先集料的温缩、干缩系数一定要小，不然会在温度或者湿度变化下而产生裂缝；其次就是要挑选在抗冲刷性能优异、骨料颗粒形状良好的集料。水泥稳定砂砾基层因其自身具有的良好特点，主要在于其整体抗压性能好承载力高、整体性良好等特点，同样，这种结构也会有一定的缺点，例如：如果干缩和温缩系数高的话，就会导致一系列裂缝的产生和发展。所以在工程道路施工过程中，必须严格注意到这一点。图2-1网状裂缝2.2 网状裂缝和纵缝网状裂缝又称做龟裂，如图2-1所示，这种龟裂是由于局部弯沉过大，在外力荷载作用后，基层承载力不够，导致自身结构破坏而发生的不可逆裂缝的产生。如果遇到下雨、下雪、则渗水，在外力作用下会引起道路翻浆。最初仅为网状细裂缝，但是随着时间慢慢的增加，水分从路面慢慢进入基层后在高温情况下发生图2-2 纵缝蒸发，这样持续进行下去，那么就将会导致一系列不良情况的发展。如果在水泥稳定砾石基层的早期施工中产生纵纹，那么一定要加以足够的重视，并做到严格控制18。城市道路基层7d养护期满后，如果管理马虎不到位，也一样会产生纵缝，如图2-2所示。由于基层较厚，采用分层碾压作业。在第一层摊铺碾压成型时，其厚度比较薄，一般在15 厘米左右，尽管养护期满，但其承载能力仍较低。 2.3 基层产生裂缝的原因(1) 水泥剂量过高,并不是水泥剂量越多结构的承载力就越好，相反的，其自身的一些特点例如温缩系数、干缩系数高的话，变形也就越大，也容易开裂。(2) 级配不合理。在整个骨料级配中，粗细集料所占比例不合理，细集料所占比例较多，细集料本身具有亲水性和保水性，会导致结构整体收缩变大，不易控制。(3) 混合料离析。在集料混合时，如果不控制好细集料的含量，就会导致整体结构含水量的不确定性，如果水分少的话，就会造成离析，使集料的基层的不同位置发生错位、导致不同级配混合，性质不一致，容易发生开裂。(4) 碾压时骨料颗粒整体含水量影响。在实验室进行碾压时，无论含水量过大还是过小，对结构整体均都具有不好的影响，有的甚至不能达到规定的压实度。(5) 压实度影响。压实度一旦受到影响，那么由此得到的数据也就收到一定影响，如果压实度不足，强度、抗裂性、整体性都将降低，导致结构整体失效。(6) 养生方法以及交通压力。在实际工程中，如果施工中养生措施不好，水分过度蒸发而易导致路面开裂；那么在施工过程中，如果养生强度没达到，相应大型车辆作用在上面，更会导致裂缝的产生，并不可避免的造成不必要的损失19。小结 本章主要分析了水泥稳定砾石基层材料的主要结构特点，分析了其自身结构的特性，以及如何挑选优质的集料，并能保障使用功能；同时还做出了自身存在的缺点与不足，主要表现为该种结构使用后产生的裂缝类型并分析原因。第3章 水稳基层砾石结构特点与类型比较3.1 水泥稳定砾石结构类型与特点水泥稳定砾石是一种由多种材料复合而成的复合型材料，其中主要包括粗细集料、水泥等。在这一类的水稳材料中，主要包括三种形式：悬浮密实型结构、骨架密实型结构还有就是骨架空隙结构20。这些结构形式中，组成的材料数量，级配以及各个结构粗细集料的分布情况，分布位置，以及骨料之间的的摩擦，关联等均有不同那么区分这三种结构形式的最主要措施就是将他们分别压实后，起骨架作用的粗集料的空隙与起填充作用的细集料的体积之间的相应关系作比较来确定。3.1.1 悬浮密实结构图3-1悬浮密实结构悬浮密实型混合料中起填充作用的细料压实体积应大于气骨架作用的粗集料形成的空隙体积，这种结构通常采用连续型密级配，骨料由大到小连续存在。由于大颗粒骨料（粗骨料）所占数目较少，含量低，构成骨架不能有效形成支撑。这种结构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较小，其强度主要受水泥在骨料中的粘结力所控制，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。如图3-1所示 3.1.2 骨架密实结构图3-2骨架密实结构骨架密实型混合料中细料的压实体积应临界于粗集料形成的空隙体积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，混合料中填细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21。试验结果表明大粒径水泥稳定砾石骨料间的嵌挤作用明显，抗压强度和抗压回弹模量明显大于常规级配（如 图 3-2 所示）有良好的承载能力，其他方面也都有所提高，包括抗裂性能、抗弯性能都较其他结构较为优化，特别的对于干缩与温缩系数，都有所减少，有效降低裂缝的产生。在相应设备条件下对温度与湿度不同作用下的不同养生时间段内的半刚性路面进行非线形有限分析，分析结果如下：无论是任何状态下，骨架密实型的水泥稳定砾石基层间断级配在受到的干缩与温缩共同作用下的产生的应力均小于常规的连续级配，随时间的推移，使用寿命增长，拉应力逐渐增加，但仍优于其他结构。通过以上实验分析，能够更好地为东北地区路面施工做好铺设，同时也优化了在水稳开裂方面的性能22。3.1.3 骨架空隙结构图3-3骨架空隙结构骨架空隙型（如图3-3）混合料中起填充作用的细料压实体积则小于粗集料形成的空隙体积,压实后混合料中存有一定的空隙，这种结构粗骨料较多，而细集料含量相对较少，数量低，导致起骨架作用的粗集料形成的空隙不能完全被细集料填充。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。如今，在工程道路施工中，作为排水基层的主要应用，骨架空隙型结构应用广泛，由于这种结构的自身特点，在国外的应用效果较好，而在国内的使用状况远不如国外，最为主要的原因就是国内能够提供相应结构的级配标准以及相应颗粒分布特点的规范使用很少23，不能有效应用实际工程中。由其他两种结构形式的相应规范可以看出，悬浮密实型结构类的水泥稳定砂砾级配的确定方法在很大程度上区别于其他两种结构形式，主要包括：粗、细集料的区分界线、粗细集料的级配设计范围，有效骨架形成、以及再配混合料时与水泥形成的空隙填充等等，但是最为主要就是合理的规划各个结构形式下的级配比例。3.2 骨架密实型、悬浮密实型和骨架空隙型级配比较图3-4 筛分图示目前,骨架空隙结构水泥稳定砾石材料主要被用作排水基层。资料表明，排水基层在国外有应用，且使用效果较好。但这种材料在我国的实际应用很少，主要原因之一是现在很少有规范能够精确地提供出对应的级配方法和颗粒大小的选择方式，规范还不那么健全，这次本文主要针对规范相关健全的骨架密实型和悬浮密实型两种结构进行比较。筛分如图3-4所示 表3-1 骨架密实型级配范围表通过下列筛孔（mm）的质量百分率%筛孔尺寸31.519.09.54.752.360.60.075通过百分率/%10068-8635-5822-3216-288-150-3表3-2 悬浮密实型级配范围表通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%筛孔尺寸31.526.5199.54.752.360.60.075通过百分率/%10090-10072-8947-6729-4917-358-220-7表 3-3 骨架空隙型级配范围表通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%筛孔尺寸31.526.5199.54.752.360.60.075通过百分率/%90-10066-10054-10039-10028-8420-708-470-30由以上表3-1、3-2、3-3可以得出，骨架类型的无论是密实型还是空隙型结构形式都是间断级配，而悬浮密实型则为连续级配，再由表中各结构类型的筛孔尺寸的通过率可以看出，骨架密实型级配不连续，且砾石较大，相应粗集料在骨架中更为占优，所以在选取原材料的时候，应选取较多的粗集料，粒径较大砾石。将各个粒径下的砾石以及矿粉拿到实验室进行筛分试验，并进行水稳砂砾设计。试验中设立对比试验，对比结构分别为：悬浮密实型以及骨架密实型。在实验室分别对两种结构进行击实成型试验，在击实实验过程中，由于两种结构不同，采取击实方式也不一样，特别的，骨架密实型结构我们采取简单的振动成型，因为这种方式不仅能够让骨架形成较为稳定，更能使骨料之间摩擦增强，互相填充、依附。达到最佳的最大的密实效果。表3-4 骨架密实型与悬浮密实型实验对比表项目最佳含水量%最大干密度g/cm3 7d强度MPa 孔隙率配合比：砾石（1-3）：砾石（0.5-1）：矿粉骨架密实型 4.242.426.0 35.5%50:25:25悬浮密实型 4.062.394.3 39.8%40:27:33图3-5 孔隙率测定图3-6 孔隙率测定从表格中的数据可以得出，骨架密实型结构在各个方面均表现出了优异性，再看配合比方面，骨架密实型结构粗集料的含量显然要高于悬浮密实型，由于细集料对收缩反应明显，所以这也充分证明了骨架密实型结构在抗裂性能方面优于悬浮密实型结构。在实验室进行级配试验的时候，将原材料分开价格档次，逐级进行筛分，并将筛分好的集料摆放在相应区域，由于是间断级配，所以在填充时应注意填充料的用量，筛分好后，将粗细集料分开，利用振动压实原理，逐级向器皿内填充，并测定其密实度以及相应状态下的空隙率，并以此方法直到找到最大密实度为准，然后分别称取各自体积与重量，最后确定其填充作用的细集料的体积，并找到相应配合比。在实验室进行实际操作时，我们将会把集料大致分成四个档次，分别为：集料A：2031.5mm；集料B：1020mm；集料C：510mm；集料D：05mm进行操作，然后再筛分原材料过后进行质量的称取，并计算相应档次集料的通过率，并按照每种比例进行百分比计算并绘图。完成以上操作后，就要进行混合料的拌制了，本次试验拟采用三种水泥剂量进行拌制，分别为3%、4%、5%，后通过击实试验，得出不同水泥剂量下的混合料最佳含水量以及干密度，由此得出相应结论。无论是实验室还是在实际道路施工过程中，不能总使用一样的配合比，这样会使不同条件下的施工带来不必要的麻烦，那么在使用的过程中，必须进行相应级配的配比，集料颗粒的筛分、检验等。由于本文主要对骨架密实型进行试验，大颗粒骨料将会使用较多，其自身的缺陷（离散性、不均匀性）会导致实验时测量数据的精确性，所以更应该对集料的选取以及配合比的选用做到严格控制。通过以上分析可以得出相关结论，那么接下来通过控制其中一种砾石的通过率质量百分率。并降低其他砾石通过质量的情况下，测定其不同情况下的孔隙率并总结规律，分别利用四组数据测定骨架密实型结构的孔隙率变化，如下表所示，首先控制砾石（1-3）集料质量减少，矿粉量增加，测定孔隙率，然后逐渐增加砾石（1-3）的用量，减少矿粉质量，那么在测定每一情况下的孔隙率，孔隙率公式： (1) 计算结果数据如下表3-5所示，由表中数据得到图3-7所示：表3-5 骨架密实型级配范围表 集料级配砾石（1-3） 砾石（0.5-1）矿粉孔隙率 通过率%（1） 45 30 25 37.7% 通过率%（2） 55 30 15 34.2% 通过率%（3） 60 30 10 32.6% 通过率%（4） 70 25 5 38.5%孔隙率百分数通过率选项图3-7 孔隙率变化 其中1、2、3、4分别代表通过率%（1）、通过率%（2）、通过率%（3）、通过率%（4），那么从表中可以看出，随着粗集料的增加，孔隙率在不多减少，但是当粗集料减少到一定程度后，在减少就不一定能缩小孔隙率，这所以要控制好粗细集料的合理级配，这样就能处理好集料之间的级配，达到最优配合比。小结本章通过三种级配的比较，不仅通过密实度、最大干密度还有孔隙率的比较，能够清楚地了解到骨架密实型机构的优点，足以确立在三中结构中的优势，所以在接下来的文章中，着重研究骨架密实型的最优配合比。第4章 骨架密实型集料配合比设计4.1 骨架密实型水泥稳定砾石基层的实施运用水泥稳定砾石基层的集料级配，往往都是按照传统的惯例配置的连续密实的颗粒级配，也就是最大密实连续级配。由于其自身存在一定的缺陷，其级配曲线并不是高精度的曲线指数n=0.30.5的。同理，这种缺陷在其他别的类似曲线均有体现，例如：在某集料中，最大粒径为D，其筛孔 d 的通过率 ( % ) = ( d/D)n的曲线；椭圆形曲线，抛物线等。慢慢的，有些人逐渐意识到了细集料对级配的影响，开始提高了对细集料的控制，使得连续级配方案有所进步，但是仍然都属于悬浮形式。在道路施工过程中，水泥稳定类基层的早期强度主要靠无机结合料的剂量来维持，主要是因为由于早期基层的细集料部分较多，粗集料很难形成骨架作用。一些人主观的认为不需要控制水泥剂量，水泥剂量越多，强度越大，性能也就越优，但是却忽略了水泥计量的增多，其组成的水稳类基层脆性也会一定程度的增加，进而导致相应基层裂缝的产生、发展，并同时引起反射性裂缝，最终反映到路面上，使得路面承载力降低，失去稳定性而丧失使用功能。通过大量的工程实践以及科学的实验证明，混合料中的细集料含量降低，特别是含泥量的通过量降低，反之相应的采取增加、加大粗集料含量，对骨料基层的抗裂性能以及抗冲刷性能都有显著提升。混合集料的组成对于整个研究至关重要，那么最为关键的就是骨架密实的程度是否完全，决定其是否完全形成主要看具体的骨料颗粒级配，还有相应的混合料配合比。4.2 骨架密实型水泥稳定砾石的结构及适用范围集料的颗粒级配与集料的形式结构是划分基层的主要依据，那么区分粗、细集料成为了关键因素，在实验室，一般以4.75mm颗粒粒径为粗、细混合料的分界尺寸。经压实后的粗细集料，起骨架作用的粗集料的空隙与起填充作用的细集料的体积之间的相应关系作比较来确定，且其体积应不超过粗骨料空隙。由于骨架密实型级配属于间断级配，具有间断级配的性质，所以其级配曲线呈类似于英文字母的“S”形。在骨料级配上，较悬浮密实型的细集料通过率33%-50%相比，骨架密实型细集料的通过率仅为25%-33%，这也充分体现了骨架密实型粗骨料数量大于细骨料，细骨料的正好填充了粗骨料颗粒之间的空隙，使得骨架密实型结构更加结实，抗压。经过长期的科学研究表明，在所有条件均保持一样的情况下，骨架密实型较其他水稳情况表现更为优异，主要体现在劈裂、抗压、抗析以及抗析回弹和抗压回弹等方面。并且在温缩、干缩这两种系数下均较其他两种表现优异，更为出色，所以骨架密实型适用在一级以上公路的施工。4.3 必须严格控制集料中小于0.075mm颗粒的含量按照级配规范规定：集料粒径在0.075mm内的颗粒含量不能超过3%。颗粒上的粘土与在筛分作业中破碎而形成的粉尘成为了小于0.075mm主要来源，在实验室实验过程中，我们主要通过将骨料润湿后再进行对骨料的筛分从而降低其含量，我们将小于0.075mm范围内的颗粒、粘土、粉尘统称为含泥量25。如果混合料中粘土、粉尘也就是含泥量超过一定范围后，其危害性也会随之增大，主要原因是：含量过大，会使混合料颗粒之间粘着性降低，水泥稳定性能差。如果因为含泥量太大而骨料之间以团块形式存在的话，那么危害就会更加严重，首先在抗压方面上，一旦有压力实施，那么在颗粒表面容易发生槽坑式破坏，其次，由于较颗粒形式体积大，其最终会因为干湿作用而被破坏。骨架密实型骨料也会因为在级配过程中由于小于0.075mm含量过大其相应性能均受影响，主要原因包括：首先小于0.075mm的粘土、粉尘均具有一定的亲水性，会多消耗一部分的水分，导致整个骨料在含水率方面会受到影响，其次，由于含水量不好控制，骨料水分较多时，碾压不充足，易反弹，骨料水分较少时，会导致骨料比较干，易离析。由规范规定，集料中小于0.075mm以下的颗粒不应该含有较多的塑性指数的土。主要是其收缩性不易控制，容易受影响，所以在选取原材料是应对含泥量进行严格把关。4.4 我国骨架密实型水泥稳定砾石集料的最大粒径及级配范围在进行骨料筛分时，应把控好几个关键的筛孔尺寸：9.5mm,4.75mm,2.36mm和0.075mm等，因为只要其中一个尺寸把握不好，就会牵连整个级配，导致级配不合理。所以通过控制这些尺寸的通过率，来更好把控粗细集料的合成曲线。在集料筛分过程中，集料粒径（最大）应以31.5mm为优4-1 骨架密实型水稳级配范围表通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%筛孔尺寸31.5199.54.751.360.60.075底基层最大粒径不大于37.5mm通过百分率/%10068-8638-5822-3216-288-150-34.5 设计级配数据处理与图解由设计资料可以得出：该混合料按照级配可分为4个档次，每个档次在实验室进行试验，得出各档次范围内集料筛分结果，并记录如表4-2：表4-2 矿质集料级配与设计级配范围表矿质集料级配与设计级配范围下列筛孔（mm）的通过百分率（%）材料名称37.531.526.5199.54.752.360.60.075集料A(20-31.5mm砾石)10010064.6555555集料B(10-20mm砾石mm砾石)10010010095.56.62.32.32.32.3集料C(5-10mm砾石)10010010010086.12000矿粉D(5mm细集料)10010010010010085.846.617.82设计级配范围100100-9085-9565-8545-7030-5518-2810-204-10级配范围中值10095907557.542.523157（1）绘制图解法用图利用图解法绘制图4-1并由表4-2中的级配数据，选择相应的土工筛子以及尺寸，并确定其在横坐标中的位 置，而后按照表数据，将各个级配范围内的砾石、石屑等绘制图 4-1 图4-1 图解法用图 （2）确定各档集料用量由矩形图解法得知，在集料A与B的曲线交叉处引出一条垂直于坐标轴的垂线AA，该垂线截得集料A与B纵坐标数值上保持相等，连接矩形图对角线，且交垂线AA于M点，过点M做平行于X轴的平行线，交纵坐标于点P，截取纵坐标OP的长度X：38%，该数值即为集料A的掺料用量。以同样的方式，计算出其他集料的相应含量，得到结果为：集料B：21%，集料C：34%，集料D：7%。因此1号配合比：集料A：38%，集料B：21%，集料C：34%，集料D：7%（3）配合比校核与调整 依照集料A:集料B:集料C:集料D=38%:21%:34%:7%的比例，按照矩形图解法计算并绘制混合料的级配，计算表如4-3所示，主要采取的措施为：适当增加集料B的用量，适减少集料C的用量，使其达到合理级配，并最终调整出最优配合比。表4-3 矿质混合料合成级配校核计算表（1）材料名称下列筛孔（mm）的通过百分率（%）37.531.526.5199.54.752.360.60.075各种矿料在混合料中级配集 料A37%(37%)10010064.6555555集 料B22%(22%)10010010095.56.62.32.32.32.3集 料C32%(32%)10010010010086.12000矿 粉D9%(9%)10010010010010085.846.617.82矿粉混合料合成级配10095907557.542.523157矿粉混合料合成级配 100100-9085-9565-8545-7030-5518-2810-204-10所以2号配合比：集料A：37%,集料B：22%,集料C：32%,集料：9% 表4-4 矿质混合料合成级配校核计算表（2）材料名称下列筛孔（mm）的通过百分率（%）37.531.526.5199.54.752.360.60.075各种矿料在混合料中级配集料A38%(38%)100100555555100集料B28%(28%)10010095.56.62.32.32.32.3100集料C33%(33%)10010010086.12000100矿粉D7%(7%)10010010010085.846.617.82100矿粉混合料合成级配100957557.542.523157100设计级配范围100100-9065-8545-7030-5518-2810-204-10100图4-2 骨架密实型图解图经过调整后，3号配合比：集料A：32%，集料B：28%，集料C：33%，集料D：7%。运用以上三种配合比分别进行试块试验,试验分别是4%的水泥剂量下三种配合比试块试验,5%水泥剂量下三种配合比试块试验,以及6%水泥剂量下三种配合比试块试验,运用以上三种分别作三组试验,测试其3d、7d后试块抗压强度,并绘制表格,制定出不同配合比下3d、7d强度对比,并且选配出最优配合比。试验如图4-1、4-2、4-3所示 图4-2抗压试验图4-3抗压试验图4-1抗压试验 经过抗压试验后，试块试验抗压如图4-4所示 并对试块进行编号。 图4-4 试块试验及编号 其他试块均按此方法进行抗压试验，并进行编号。如图4-5、4-6所示图4-5 试块试验及编号 图4-6 试块试验及编号多组试块进行3d天强度，7d天强度抗压试验，试验数据记录（其中令1号配合比为A、2号配合比为B、3号配合比为C）如下表4-3所示表4-3 实验数据表