基于体积指标的多孔隙水泥稳定碎石设计方法.pdf

第2 7 卷第5 期 2 0 1 0 年5 月 公路交通科技 J o u r n a lo fH ig h w a ya n dT r a n s p o r t a t io nR e s e a r cha n dD e v e l o p m e n t V 0 1 2 7N o 5 M a y 2 0 1 0 文章编号 1 0 0 2 0 2 6 8 2 0 1 0 0 5 0 0 4 1 0 6 基于体积指标的多孑L 隙水泥 稳定碎石设计方法 任瑞波1 范正金2 裴磊1 1 山东建筑大学土木工程学院 山东济南2 5 0 1 0 1 2 山东省交通厅 山东济南2 5 0 0 0 2 摘要 以集料的体积指标作为级配设计的基本参数 粗集料形成的骨架嵌挤结构为出发点 通过振动击实确定每档粒 径集料的体积指标 并以该指标为基本控制参数 混合料设计空隙率为已知控制变量 同时引入B a il e y 设计方法中粗 集料比 翻 用以控制混合料的离析 建立集料体积指标的关系表达式 得出骨架孔隙结构水泥稳定碎石的级配范 围和设计级配 根据室内试验和理论分析得出多空隙水泥稳定碎石的含水量的确定方法 通过旋转压实和静压成型试 件 分析并提出适宜的压实方案 建立压实次数和7d 抗压强度的关系 关键词 道路工程 级配范围 B a il e y 法 多孔隙水泥稳定碎石 体积指标 中图分类号 U 4 1 6 2文献标识码 A D e s ig no fP o r o u sC e m e n tS t a b il iz e dM a ca d a mB a s e do nV o l u m e t r ic I n d e x R E NR u ib 0 1 F A NZ h e n g iin 2 P E IL e il I S ch o o lo fC iv ilE s in e t r i 1 9 S h a n d o n gJ ia n z h uU n iv e r s it y J in a nS h a n d o n g2 5 0 1 0 1 C h in a 2 S h a n d o n gP r o v in cia lC o m m u n ica t io n sD e p a r l m e n t J in a nS h a n d o n g2 5 0 0 0 2 C h in a A b s t r a ct B e g in n in gw it h t h ee m b e d d e ds k e l e t o nf o r m e db yt h eo o a r s ea g g r e g a t e u s in gv o l u m ein d e x e sf o r a g g r e g a t e g r a d a t io nd e s ig na st h eb a s icp a r a m e t e r s t h ev o l u m ein d e xf o rt h ea g g r e g a t eo fe a chg r a ins iz eW a s o b t a in e dt h r o u g hv ib r a t o r yco m p a ct io n T a k e nt h isin d e xil l st h eb a s icco n t r o lp a r a m e t e rt o g e t h e rw it ht h em ix t u r e d e s ig na irv o id sa st h eco n t r o lv a r ia b l e b yin t r o d u cin gt h eco a r s ea g g r e g a t er a t io C A inB a il e yd e s ig nm e t h o dt o co n t r o ls e g r e g a t io no ft h em ix t u r e t h ee x p r e s s io no fa g g r e g a t ev o l u m e t r icin d e xw a se s t a b l is h e d t h es co p eo f g r a d a t io na n dd e s ig n e dg r a d a t io no fs k e l e t o n p o r e ce m e n ts t a b il iz e dm a ca d a mW a so b t a in e d 1 h ew a t e rco n t e n to f p o r o u sce m e n ts t a b il iz e dm a ca d a mw a sd e t e r m in e da cco r d in gt oin d o o re x p e r im e n ta n dt h e o r e t ica la n a l y s is B a s e do n g y r a t o r yco m p a ct io na n dh y d r o s t a t icm o l d in go fs p e cim e n s t h ea p p r o p r ia t es o l u t io no fco m p a ct io nW a sa n a l y s e da n d p u tf o r w a r d a n dt h er e l a t io n s h ipb e t w e e nco m p a ct io nt im e sa n dt h eco m p r e s s iv es t r e n g t ho ft h e8 G w e nd a y sW a sp u t f o r w a r d K e yW O l d S r o a de n g in e e r in g s co p e o f g r a d a t io n B a il e ym e t h o d p o r o u s ce m e n ts t a b il iz e dm a ca d a m v o l u m e t r icin d e x 引言 蒌曩震 譬霎器篓需 磊詈冀篙譬娄荨霉敲言鍪霉善 多年的实践经验表明 使用1a 以上的高速公使用功能 是路基路面的主要破坏形式 为了减少路 路 不管是采用半刚性路面 刚性组合式路面还是刚面水损坏一般采用两种方法 1 控制水进入路面结 收稿日期 2 0 0 9 0 4 2 7 基金项目 山东省中青年科学家科研奖励基金资助项目 2 0 0 r 7 B s 0 4 0 2 5 山东省自然科学基金资助项目 Z R 2 0 0 9 F M O I O 作者简介 任瑞波 1 9 6 7 一 男 山东海阳人 教授 研究方向道路路面结构与材料 r d g q 删龇 e d u o n 4 2公路交通科技第2 7 卷 构 2 将路面内的水排除结构体 对于方案 1 可以采用密级配的路面结构和适宜的路面横坡度阻止 水的进入 但现实情况是 水很快进入到路面结构 更由于其渗透系数小 进入路面结构的水难以排出而 在行车动载作用下导致路面结构出现更严重的早期损 坏现象 故将路面结构内的水尽快的排出应是更好的 解决方案 多空隙水泥稳定碎石 C e m e n tt r e a t e dp e r m e a b l e b a s e cT P B 作为一种透水基层 及时将路面内的水 排出可以有效的降低路面结构早期水损坏 不仪解决 了路面结构内部的排水问题 而且其结构适应性强 路用性能好 应用前景广阔 1 2 J 资料表明 排水基 层在国外有应用 且使用效果较好 但是 目前国内 规范中还没有有关C T P B 的级配设计范围和相应的组 成设计方法 我围幅员辽阔 各地材料物理性能相差 很大 不同集料的级配不尽相同 而困内一些工程所 采用的级配范围 有的是根据粒子干涉理论来确定 的 有的是直接借鉴美国A A S H T O 规范中的级配范 围 这些级配范围较为宽泛 3 J 3 不利于指导我国的 C T P B 级配设计 另外 我国C T P B 的成型方法也比 较混乱 各成型方法没有相应统一的体积设计方法和 标准 为C T P B 混合料选择适当的成型方法 应当采 取与集料行为和压实特性直接相关的试验方法 本文以集料的体积指标作为为级配设计的基本参 数 以空隙率作为混合料体积设计的控制参数 以粗 集料比 cA 作为混合料离析控制参数 设计了与 集料的体积性能相关的级配 在此基础卜对设计级配 混合料进行不同压实方案和无侧限抗压强度试验对 比 提出了C T P B 压实成型方法 1 级配设计 1 1 级配设计理论 目前矿料级配设计理论主要有逐级填充理论 粒 子干涉理论和贝雷法 逐级填充理论认为 1 相同 粒径的颗粒排列时 空隙率与其粒径的大小无关 仅 与排列和填充方式有关 2 间断填充比逐级填充得 到的空隙率更小 故间断级配较连续级配能形成更小 的骨架间隙率 具有更加密实的骨架结构 3 利用 逐级填充理论设计集料级配 其骨架间隙率与填充方 式和各级集料的填充比例相关 W e y m o u t h 提出的粒 子干涉理论则认为要达到最大密实度 前一级颗粒之 间的空隙应由次一级颗粒填充 剩余窄隙再由更次一 级颗粒填充 但填充的颗粒粒径不得大于其间隙的距 离 否则大小颗粒之间势必发生干涉现象 贝雷法是由美国伊利诺伊州运输部的B a il e y 先生 首先提出 旨在使设计级配形成稳定的骨架结构并具 有合适的矿料间隙率 从而提高路面的抗车辙能力和 耐久性 贝雷法将集料分为粗 细两部分进行级配的 设计与评价 粗 细集料划分是以集料最大公称尺寸 N M P S 的0 2 2 倍所对应的相近尺寸筛孔 称为第1 控制筛孔 孔径P C S 作为划分标准 P C S N M P Sx 0 2 2 1 对细集料级配的评价也同样分为两部分 对细集 料的进一步划分以P C S 的0 2 2 倍作为分界点 称为 第2 控制筛孔孔径S C S 对细集料再进一步划分 以 S C S 的0 2 2 倍作为分界点 称为第3 控制筛孔孔径 T C S 4 贝雷法要求细集料的用量应根据粗集料形成的空 隙来决定 并依次推广到更细一级的集料 即小于 P C S 的集料不得撑开大于P C S 的集料形成的骨架 小于S C S 的集料不得撑开大于S C S 的合成集料形成 的骨架 小于T C S 的集料不得撑开大于T C S 的合成 集料形成的骨架 依次类推 同时应保证各级粗集料 体积与相应各级细集料体积之和为单位体积 并检验 矿料问隙率是否符合要求 由于集料形成嵌挤结构 贝雷法设计的集料级配将使混合料具有良好的强度和 耐久性 贝雷设计分段图如图l 所示 1 0 0 9 0 逞8 7 0 0 碍 6 0 嫠 5 8 0 2 0 1 0 0 r A P C SN M P S 2 图l 贝雷法分段图 r ig 1S e g m e n t d ia g r a mb y 砌n e rm e t h o d 为了评价集料级配不同部分之间的组成是否合 理 贝雷法提出了粗集料比a 细集料粗比烈 和 F Ar 3 项指标 其中必比指标主要影响混合料的离 析 伪比的计算方法如下 等N M P s 一P C S 兰 一 C A 2 一 1 0 0 2 N M P S 式中 i1N M P S 为公称最大粒径的0 5 倍筛孔尺寸的 通过率 P C S 为粒径4 7 5n l n l 的通过率 1 2 级配控制条件 级配组成设计采用3 档料0 1 0m l n 1 0 2 0n l n l 2 0 3 0t o n i 各档料筛分结果见表1 第5 期任瑞波 等 基于体积指标的多孔隙水泥稳定碎石设计方法 4 3 表1 原材料筛分结果 T a b 1R a wm a t e r ia l n 蛐h 瞎r e s u l t 由于采用集料的公称粒径为2 6 5r a in 根据贝雷 设计法将4 7 5m m 作为粗细集料的分界尺寸比较合 理 设混合料总体积为1 建立混合料的体积方程 K k 2 j1 1 1 1 3 l 式中 K 为水泥在混合料中所占体积 V w 为水在混合 料中所占体积 耽 为第i档集料的表观体积 7 为混 合料设计孔隙率 在骨架孔隙水泥稳定碎石混合料中 粗集料之间 相互嵌挤形成骨架结构 细集料和水泥水化后的生成 物填充部分粗集料间的空隙 即粗骨料形成的骨架结 构体系所占体积也就是水泥稳定碎石混合料的体积 所以骨架结构体系的体积V 1 1 y l 孚 4 1P io 式中 m i为第i档料中粗料 4 7 5I n l n 以上 的质量 阢 可取为第i档料中粗料的振实密度 为与现场压实情况相符 可按照下述方法测得料 的振实密度 1 各档料通过4 7 5l n n l 标准筛 取其筛 余部分 2 选择40 0 0g 左右粗集料并称其重为m i 3 将粗集料表面用水喷湿 将喷湿后的粗集料倒入直 径为1 5cm 的钢模中 采用振动压实设备振动压实 振 动参数 频率2 8 3 0H z 静面压力1 0 4M P a C 2 1 4 用 钢尺仔细量取振实后石料表面距筒边缘的高度 测量 时按径向测4 次 取其平均值 并计算出粗料形成的骨 架结构所占体积y 则R 町写为 舻可m i 5 考虑到试验方法的简捷可行性 振实密度也可以 按振动台 脚 法求得 1 各档料通过4 7 5m m 标准 筛 取其筛余部分 2 将装满试样的容量筒放在振动 p ic 亨 6 2 丁 L o N M P S 丁 一P C S 4 q 7 1 0 0 一吉删 1 4 u7 m c m w x 上 三 n 1 8 P ia 为i档料的表观密度 i 为i档料中粗料的含量 i 分别代表茗 Y z p i 为i档料中粗料的振实密度 公路交通科技第2 7 卷 始体积的3 4 所以式 1 0 可写成 蛆地删 寻 业盟叫 一 I D c 辱4 l D w 直 j 上 至 厅 1 1 1 p x aP r p z a 由试验得到各项参数如下 l D 3 0 0 75g cm 3 2 7 2 8g e m 3 P r 2 7 2 6g cm 3 n 1 6 4 e m 3 l D y 1 7 4 3g cm 3 阻 1 7 7g cm 3 由表1 可知 名 0 9 9 63 x Y 0 9 9 16 y 彳 0 7 3 z o 将以上试验数据带人式 1 1 和式 9 得 f o 4 2 3 2 x o 4 2 42 y 彳 1 一n f 1 O 6 0 7 x 0 5 7 y O 4 1 3 z 1 1 7 式中 n 为设计空隙率 为已知可控变量 方程组为2 个方程 3 个未知量 可以求得各变量的取值范围 由式 1 2 可得1 7 0 3 0 27 多孔隙水泥稳定碎石作为排水基层 首先应该满 足排水要求 孔隙率越高 排水性能越好 为迅速的排 除渗人路面结构中的自由水 必须充分的保证一定的 空隙 因此 排水基层材料的空隙率是重要的设计指 标 空隙率不能太小 也不能过大 空隙率太小时 流 人基层的水难以通畅的排除 排水基层失去意义 空隙 率太大 材料在行车荷载作用下的强度 耐久性 稳定 性均受影响 根据排水性能要求和国内外的经验 骨 架孔隙类水泥稳定碎石的孔隙率应该在1 5 一 2 5 2 之间 故取凡 O 2 2 即设计孑L 隙率为2 2 代 入式 1 2 得 r 0 1 1 87 5 0 1 9 5 z I Y2 百面厂 1 一o 5 4 6 1 7 5 26 z 1 3 菇2 6 2 3r 一 一 可知0 3 l l5 z 0 6 0 9 将式 1 3 代人式 1 0 得 名 0 5 8 1 1 4 由 1 3 1 4 式得 O 3 1 15 z 0 4 满足要求 2 混合料的组成设计和力学性能验证 一般 水泥稳定碎石混合料中水的用量可根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 y r j 5 7 9 4 一无机结合料稳定土的击实试验方法 T 0 8 0 4 9 4 确定 但对于多孔隙水稳碎石 通过室内试验可 知 随着含水餐的增加混合料干密度很难形成相应的 凸型曲线 因其混合料配比中细料含量少 难以与 水 水泥在短时间内形成统一的有一定强度的整体 3 0 7 6 0 O O 4 l 7 7 O O 0 5 2 8 7 l O O O 6 2 9 8 l O 0 O 8 4 l l l O l l 4 8 6 6 2 0 I l 0 3 8 吣i L 6 5 6 0 殂拍船 l 6 8 8 弘竹 2 8 5 l叭剪 弱 7 l 4 8眩弭鹋 啪舢灿引 加 如加m O 第5 期 任瑞波 等 基于体积指标的多孔隙水泥稳定碎石设计方法4 5 以致水分在混合料击实过程中大鼍流失 而很难在干 密度与含水量的坐标系中形成凸形曲线 根据前面分 析 采用水灰比W C 0 4 2 1 0 以确定混合料中水 的用量 1 1 2 J 水泥用量采9 水泥 集料质量 比 根据现有压实条件 压实方案可采用旋转压实和 静压成型 l3 以旋转压实密度作为静压成型的控制 参数 压实次数及对应的无侧限制抗压强度 1 4J 试验 结果如表3 图3 图4 所示 表3 压实次数及强度试验结果 T a b 3T e s tr e s u l tcG q n p 删o na n ds t r e n g t h 山 主 越 瞩 目 蝠 盛 蘑 恨 勺 图3 旋转压实次数和试件抗压强度的关系 F ig 3 R e l a t io nb e t w e e l lg y r a t o r yo J l n p 蒯o nt im e sa n d co m p r e s s iv es U e n g t ho f 叩啦I l 嘲 山 至 魁 嚼 幽 档 鞋 罄 恨 q 卜 况合料衢度 g m 图4 混合料密度和试件抗压强度的关系 F ig 4 R e l a t io nb e t w e e l ln 五x 嘶d e n s it ya n d co m p r e s s iv es t r e n g t ho fs p e c缸l e n 由试验数据可知 在相同的水 水泥含量条件 下混合料的成型方案对多空隙水泥稳定碎石力学性能 有重要影响 由图3 可知随着混合料的旋转压实次数 的增加其抗压强度也随之增加 但增加幅度逐渐减 小 由图4 可知在相同的密度条件下 旋转压实成型 的混合料 其抗压强度要高于静压成型的混合料强 度 随着混合料密度的增加其抗压强度也随之增加 但增加幅度逐渐减小 由试验结果可知 室内试验 时 混合料宜用旋转压实成型试件 旋转次数宜设置 为1 0 0 次 3 结论 1 骨架孔隙水泥稳定碎石集料级配确定 应以 材料的体积指标作为级配设计的控制指标 该没计方 法更适应于实际情况下各档集料不同的状态而做出相 应的级配范围和级配曲线 2 为减少混合料的离析现象 在级配设计中引 入B a il e y 设计法中的翻值 3 作为体积设计法的重要设计参数 骨架孔隙 类水泥稳定碎石的孔隙率应该在1 5 2 5 之间取 值 但尚需完善骨架孔隙水泥稳定碎石孔隙率的试验 方法 4 在相同条件下用旋转压实方法进行混合料压 实成型的试件其强度高于用静压成型的试件 建议混 合料设计中采用旋转压实成型方法 5 为保证多孔隙水泥稳定碎石强度满足要求 同时减少基层开裂损坏 建议多孔隙水泥稳定碎石的 7d 无侧限抗压强度不宜大于4M P a 混合料中水泥 用量宜在6 一1 1 内取值 6 多孔隙水泥稳定碎石还应作渗透系数 干 缩 温缩裂缝及疲劳试验 以检验其使用性能 参考文献 R e f e r e n ce s 1 潘艳珠 王振忠 多空隙水泥稳定碎石排水基层材料 组成设计分析 J 中外公路 2 0 0 6 2 6 2 1 8 2 1 8 4 P A NY a n z h u W A N GZ h e n z h o n g T h eM a t e r ia lC o m p o s it io n a n dD e s ig nA n a l y s isP o r o u sC e m e n tT r e a t e dP e r m e a b l eB a s e J J o u r n a lo fC h in a F o r e ig nH ig h w a y 2 0 0 6 2 6 2 1 8 2 一1 8 4 2 胡力群 沙爱民 瓮优灵 骨架孔隙水泥稳定碎石配 比设计及路用性能 J 公路交通科技 2 0 0 6 2 3 6 2 2 2 6 H UL iq u n S H AA im in W E N GY o u l in g M ix t u r eC o m p o n e n t D e s ig no fS k e l e t o n p o r eC e m e n tS t a b il iz e d A 唔g r e g a t eM a t e r ia l a n dI t sP e r f o r m a n ceR e s e a r ch J J o u r n a lo fH ig h w a ya n d T r a n s p o r t a t io nR e s e a x cha n dD e v e l o p m e n t 2 0 0 6 2 3 6 2 2 2 6 3 谢祥根 吴善周 钟梦武 多孔隙水泥稳定碎石排水 基层的研究 J 公路工程 2 0 0 8 3 3 5 6 9 7 3 O 9 8 7 6 5 4 3 公路交通科技 第2 7 卷 X I EX ia n g g e n W US h a n z h o u Z H O N Gl V l e n g w u R e s e a r cho n T e ch n o l o g yo fP o r o u sC e m e n t 一 a t e dP e r m e a b l eB a s e J H ig h w a yE n g in e e r in g 2 0 0 8 3 3 5 6 9 7 3 4 申康 陈爱文 吕文江 等 贝雷法设计密度对沥青 1 0 混合料性能的影响 J 长安大学学报 2 0 0 8 2 8 3 1 6 2 0 S H E NK a r g C H E l YA iw e n L VW e n j ia n g e ta 1 I n f l u e n ce o fB a il e y 8C h 0 6 e nU n itW e ig h tO ilP e r f o r m a n ceo fA s p h a l t M ix t u r e J J o u r n a lo f 蛐 肌U n iv e r s it y 2 0 0 8 2 8 1 1 3 1 6 2 0 5 谢军 陈崇驹 朱云升 多孔隙水泥稳定碎石排水基 层设计与施工 J 长沙交通学院学报 2 0 0 5 2 1 4 3 2 3 8 X I EJ u n C H E NC h o n g iu Z H UY u m h e n g D e s ig na n dC o n 1 2 8 f l t l l ct io no fP o r o u sC e m e n tT r e a t e dP e r m e a b l eB a s e J J o u r h a lo fC h 粕铲 I aC o m m u n ica t io n sU n iv e r s it y 2 0 0 5 2 1 4 3 2 3 8 6 沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 M 北京 人民交通出版社 2 0 0 7 S H AQ in g l l n P r e m a t u r eD a m a g ea n dI t sP r e r v 撕v eM e a s u r e s 1 3 o fB it u m in o u sP a v e m e n to nE x p r e s s w a y M B e ij in g C h in a C o m m u n ica t io n sP r e s s 2 0 0 7 7 郑木莲 多孔混凝土排水基层研究 D 西安 长安大 学 2 0 0 4 Z H E N G I ia n S t u a y0 I IP o r o u sC o iL r e t eP e n n e a b l eB a s e D X i 锄 O l n g 锄U n iv e r s it y 2 0 0 4 8 且尔宁w 土木工程师用水泥化学与物理性能 M 曾 1 4 镜鸿 译 北京 中国建筑工业出版社 1 9 8 7 C Z E R N I NW C e m e n tC h e m is t r ya n dP h y s icsf o rC iv ilv l g i l l e e l 8 MJ Z E N GJ in g h o n g t r a m l a t e d B e ij in g C h in aA r e h it e ct u r e B u il d in gP r e s s 1 9 8 7 9 曹建新 重载交通下级配碎石基层材料组成结构与动 力特性研究 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 2 0 0 1 上接第4 0 页 9 许志鸿 沥青混合料动态性能参数标准研究报告 R 1 0 上海 同济大学 2 0 0 0 X UZ h ih o n g R e p o r to fA s p h a l tM ix t u r eD y n a n l icM o d u l u sP e r f o r m a n ceP a r a m e t e rS t a n d a r d 胁煳h R S h a n k T o n a l U n iv e r s it y 2 0 0 0 闷振林 胡霞光 肖昭然 沥青混合料动态模量预估 模型研究 J 公路 2 0 0 8 1 1 7 5 1 7 9 Y A N2 m e n l in H U ia g u a n g X I A OZ l a o r a n m 黝抛hO n D y iia l l l ic M o d u l u sP r e d ict iv eM o d e l so fB it u m in o u sM ix t u r e J H ig h w a y 2 0 0 8 1 1 7 5 1 7 9 马翔 倪富健 陈荣生 沥青混合料动态模量试验及 C A OJ ia n x in R e s e a r cho nt h eM a t e r ia lC o m p 0 6 id o na n dO y n m icC h a r a ct e r is t icso fG r a d e dM a ca d a mB a s eu n d e rH e a v y T r a t 矗c D H a r b in H a r b inI n s t it u t eo fT e ch n o l o g y 2 0 0 1 吴东强 高等级公路沥青路面结构内部排水系统设计 与应用研究 D 长沙 湖南大学 2 0 0 7 W UO o r g q ia n g S u b s u r f a ceD r a in a g eS y s t e 1D e s ig na n dA p p l ica f io nT e ch n o l o g y inF r e e w a yA s p h a l tP a v e m e n t s D C h a n g s h a H u n a nU n iv e r s it y 2 0 0 7 吉青克 姚祖康 多孔水泥稳定碎石组成设计 J 同 济大学学报 2 0 0 3 3 1 2 1 6 1 1 6 5 J lQ in g k e Y A OZ u k a n g N ixD e s ig nP r o ce d u r eo fP o r o u sC e m e n tT r e a t e dM a ca d a m J T o n a lU n iv e r s it yP r e 鲳 2 0 0 3 3 l 2 1 6 1 1 6 5 中华人民共和困交通部 J T J 5 7 9 4 公路工程无机结合料 稳定材料试验规程 s j E 京 人民交通出版社 1 9 9 4 P R Q l in a M in is t r yo fG m m m ica t io n s r J 5 7 9 4T e s tr t e t h o d s o fM a t e r ia l sS t a b il iz