二灰碎石配合比探讨

1、二灰碎石配合比设计的探讨摘要：本文通过对半刚性基层二灰碎石的反射裂缝的分析，提出对二灰碎石配合比的设计构想，以尽量避免反射裂缝的出现，保证路面的使用性能。关键词：二灰碎石配合比设计探讨一、前 言针对目前二灰碎石基层设计普遍采用公路路面基层施工技术规范(JTJ034-93)问题，而93版施工规范所规定的二灰碎石混合料集料粒径偏小和5mm以下细集料的含量过大，从而加剧了二灰碎石这类半刚性结构固有缺陷的严重程度，促成了二灰碎石基层干缩裂缝的不可避免，而且发展剧烈，由于以细集料为主体的混合料对水的敏感性，使得基层在施工期以及使用期经常受到干缩裂缝的困扰；基层细集料含量过多导致裂缝的产生，极易引起沥青路

2、面的反射裂缝，造成路面出现唧浆现场及损坏。上述问题，均已为近几年高等级公路的工程实践所验证。下面我们就施工中实际采用的多种配合比情况，以及各种混合料的配合比设计和无侧限抗压强度试验，与大家共同探讨。二、横向裂缝是高等级公路沥青路面的主要缺陷之一沥青路面裂缝尤其是横向裂缝，近年来已成为沥青路面的主要病害之一。不论其面层是国产沥青还是进口沥青，都会不同程度地出现横向裂缝。沪嘉高速公路1988年竣工通车后，1992年横向裂缝达300多条，1993年每隔1220m一条，1994年每隔1215m一条，全线已有1000余条横向裂缝，莘松高速公路1990年12月竣工通车，经过三年的通车使用，也出现了横向裂缝

3、200条，其共同特点是所有裂缝都是上宽下窄，横向裂缝大都贯穿路面全宽。有些横向裂缝间距在1215m之间，1994年裂缝发展到约为500余条，济青高速公路1993年底通车，也有横向裂缝出现。以上公路路面结构见表1 。表1沪嘉高速公路莘松高速公路济青高速公路4cm细粒式沥青混凝土4cm细粒式沥青混凝土4cm细粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土5cm粗粒式沥青混凝土7cm沥青碎石8cm沥青碎石6cm粗粒式沥青混凝土46cm二灰碎石44cm二灰碎石24cm二灰碎石20cm砂 砾15cm砂 砾42二灰碎土沪宁高速公路所做的试验路也出现了横向裂缝，这些裂缝的最终结果是导致路面受雨、

4、雪、水的渗透，行车后造成路面唧泥，最终导致路面损坏。国外的观点是，半刚性基层在铺筑沥青路层之前或之后必然要产生裂缝，并造成反射裂缝，需经常采用加厚沥青面层来减轻反射裂缝。美、加、英、法、日、澳等国不少学者认为，要求沥青路面不裂是不可能的。由此可见，横向裂缝已成为沥青路面的主要问题之一，其发生是不可避免的，但尽可能减少并推迟其发生的时间则是可能的。 通过我们的初步研究分析来看，除施工质量外，二灰碎石中集料级配偏细是造成二灰碎石裂缝的重要原因。其含量仅占42-45的5mm以上的粗集料，在混合料中远远不能形成骨架，而是悬浮在二灰和细集料中，成为悬浮密实式结构，而不是嵌挤密实结构。三、现有路面裂缝情况

5、及原因分析从我们对一个试验段沥青路面裂缝调查情况来看，裂缝大多为横向贯通裂缝，也有个别地方有纵向裂缝，大约510m一道，在全段分布，表面裂缝间隙大小不等，在0.12mm之间，且不论路堤高低均有裂缝存在，这就排除了沉降对裂缝产生的影响。在对钻孔所得芯样来看，无论二灰碎石厚度多少(2033cm)其裂缝均从上到下全部贯通，且裂缝宽度较大，在12mm左右。大粒径集料在芯样中呈悬浮状，无嵌挤，属悬浮式二灰碎石。该试验段二灰碎石组成设计为石灰:粉煤灰:粒料8:17:75，混料中集料的颗粒组成采用交通部公路路面基层施工规范(JTJ034-85)规定(见表2)。表2通过下列圆孔筛(mm)的重量百分率(%)40

6、20105210.50.075100608550704060274720401030015集料由34种不同规格组成，其施工集料筛分结果见表3。表3通过下列圆孔筛(mm)的重量百分率(%)4020105210.50.07599.673.051.941.229.627.120.39.1其二灰碎石混合料筛分结果见表4。表4通过下列圆孔筛(mm)的重量百分率(%)302520151052.510.594.9491.4483.3473.3462.8450.1439.7436.0427.54监理及施工报告表明，二灰碎石基层、二灰土底基层和路基压实度、强度及弯沉均达到设计要求，且通车时间很短，荷载性裂缝可能

7、性小，因此有必要对裂缝产生的原因进行深入的分析。沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的，影响裂缝轻重程度的主要因素有沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件(特别是冬季气温及其变化)、交通量和车辆类型以及施工因素等。但就沥青路面开裂的主要原因而论，可以分为两大类：一类是荷载型裂缝，一类是非荷载型裂缝。试验段的裂缝属非荷载型裂缝，其缝上端开口宽、沿深度向下很快变窄即证明这一点。由下层裂缝促成面层由底到顶产生的裂缝称为反射裂缝。在新建公路中，半刚性基层温缩开裂和干缩开裂是引起反射裂缝的主要原因。由于半刚性沥青路面具有很多的优点和明显的技术经济效益，国外高等级公路越来越多地采用半刚性基层

8、沥青路面。长期以来，国外认为采用半刚性基层可避免沥青面层产生疲劳破坏的同时，普遍认为这种结构中沥青面层的裂缝是由半刚性基层引起的反射裂缝。壳牌沥青路面设计方法在概括各国的观点和使用经验时指出，水泥稳定基层上沥青路面的厚度取决于允许产生裂缝的程度，常在1525cm之间变化。在第43届世界道路会议半刚性路面的综合报告中关于裂缝的论述仍是反射裂缝的概念。国外在高等级公路上采用半刚性基层材料主要是水泥处治材料，它包括贫混凝土和水泥稳定粒料土，也有采用石灰粉煤灰集料或石灰、水泥、粉煤灰集料做沥青路面基层的，但规模要小得多。而我国沪嘉、西临、沪宁、莘松等高速公路都采用了含粉煤灰集料的半刚性基层沥青路面，因

9、此反射裂缝是半刚性基层的一个主要特征。从机理分析，半刚性基层材料的缩裂分为因温度变化而造成的温缩与因含水量变化而造成的干缩两种。水是影响此类材料温缩的主要因素，特别是在非饱水状态时影响较大。试验结果表明，当温度在0°10°C时，在最佳含水量附近总出现最大的温缩系数。干缩的基本原理是由于水的蒸发而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间作用、材料矿物晶体或凝胶体间水的作用、碳化收缩作用等引起的整体宏观体积变化，结合料的矿物成分和分散度影响最大，集料可使干缩降低。可见初期养生不良或含增加对水的作用减少，龄期增加、强度提高水量太大必将导致很大干缩，特别是二灰碎石7d后干缩才趋于稳定。四

10、、现行规范在二灰碎石集料级配设计中的问题半刚性基层的一个核心问题是水的问题，水不仅是半刚性基层温缩最主要的影响因素（非饱和状态影响最大），而且水的初始含量大和快速蒸发又是半刚性基层干缩的最主要的影响因素。而水的多少与控制又直接与二灰碎石中石灰、粉煤灰和细料的含水量有直接关系。交通部1993年颁布了公路路面基层施工技术规范(JTJ034-93)并在2000年进行了大幅度修订后颁布了新的公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000)。其中对二灰碎石材料的要求主要是，二灰碎石材料用作基层时，混合料中集料的重量应占80%85%，集料的最大粒径(方孔筛)：高等级公路路面基层不超过30mm，底基层不大

11、于40mm，集料采用连续级配，混合料为密实式结构，其中集料为“骨架”二灰起填充孔隙和胶结作用。新规范对二灰碎石的集料级配采用方孔标准筛，并对各筛孔的集料通过量进行了调整。但是相对93规范的二灰碎石结构特性无质的变化。因此不存在新老规范不一致的问题，而主要是过去我省在二灰碎石施工中未真正按规范要求施工而已。表5通过下列圆孔筛(mm)的重量百分率(%)403020105210.50.07510090100608550704060274720401030015规范在修订说明中指出，为了减少基层混合料在拌和、运输和摊铺过程中粗细集料的离析现象，减少拌和机的磨损以及为使基层具有较高的平整度，将用做高速公

12、路和一级公路的基层集料的最大粒径缩小到方孔筛30mm。同时指出，当石灰粉煤灰与集料之比15:8520:80，并且在混合料中集料起骨架、石灰粉煤灰起填隙和胶结作用时，称为密实式二灰碎石，当石灰粉煤灰与集料之比为50:50左右，并在混合料中形不成骨架，而是悬浮在石灰粉煤灰混合料中时，称为悬浮式二灰粒料。悬浮式二灰粒料收缩性大，容易产生干缩裂缝，其最大干缩应变(827)约为密实式二灰碎石的3倍(233273)。从我们对12 种不同级配的混合料击实后取样和现场取芯观察来看，现行规范中虽然粒料占80%，但粒料大部分由5mm以下石屑组成(约占50%左右)，而30mm以上粒料很少(约占10%左右)，这样必然

13、造成粒料形不成骨架，石灰粉煤灰及石屑在起胶凝而不是填隙作用，只能是悬浮式二灰粒料。这种粒料的强度与刚度较大，特性更加接近水泥混凝土，其结果必然造成大量裂缝特别是后期裂缝的产生。加之由于细料偏多、压实后表面光滑、无石子外露，与沥青路面面层联结不利，面层的抗剪性能大大降低。而想通过行车使其石子外露不仅不切合实际，而且会产生基层表面的松散，这与规范设计相矛盾。我省自1978年开始进行二灰碎石施工，迄今已有20余年了。以往由于公路等级不高，且多为边通车边施工，因此往往未按规范进行粒料级配设计，且多为二四六等单一级配，粗粒料约占二灰碎石70%75%，从击实及现场取样结果可以看出，这种级配粒料在混合料中形

14、成骨架。石灰粉煤灰起填充作用和胶结作用，可称为密实式二灰粒料。根据以往在沪宁二级公路及其它二级公路施工及使用情况来看，其收缩裂缝几乎没有或至少50m以上才会有一道。但按照现行规范，这种级配的强度难以达到要求，且平整度亦难以控制。综上所述，在二灰碎石组成设计中存在较多的如强度、收缩裂缝、平整度、含水量控制等相互制约和矛盾的问题，如何把几者有机的统一起来，制订适合于江苏省高等级公路特点和要求的二灰碎石最佳组成、集料级配、裂缝防止和处理方法以及施工工艺是一个重要而紧迫的课题。五、对二灰碎石混合料组成的设计构想（一）、设计思想二灰碎石基层众所周知的最大缺陷其收缩裂缝的反射到沥青面层，因而损坏路面的使用

15、品质。二灰碎石基层的开裂包括材料的温缩和干缩两种裂缝，国内研究认为，半刚性基层的胀缩率是温度和湿度相互作用的综合效应，其温缩与干缩一般都同时产生，只是半刚性基层的竣工初期，主要表现为材料的干缩，铺筑沥青面层后，即转化为以材料的温缩为主。研究和工程实践证明，半刚性基层的收缩开裂，凡含土较多及分散度大，比表面积大的混合料以干缩为主，含集料多的混合料则以温缩为主。半刚性基层的干缩系数随集料含量的增加而减小，但温缩系数有所增大。集料含量为7075的半刚性基层，具有良好的耐温抗裂性能和耐湿抗裂性能。因此，我们在进行二灰碎石混合料组成设计时，应确立这样一种指导思想：在确保混合料强度和均匀性的前提下，适当增

16、加5mm以上粗集料的含量，力求粗集料在混合料中成为骨架，减少5mm以下尤其是2mm以下细集料的含量，以尽可能地在总量上降低二灰碎石基层的收缩系数，提高其抗裂性能。（二）、设计原则为了解决好以上相互制约的几个问题，我们在进行二灰碎石配合比设计时。本着“足够的强度、适宜的刚度和耐久性、较小的变形、良好抗裂性能”的总体思路，根据三个不变、一个控制、一个提高的原则，即保证80%以上粒料比例不变、0.8MPa无侧限抗压强度不变、集料连续级配不变，控制5mm以下粒料用量，提高2mm以上粒料用量。这样设计以嵌挤型代替胶结型，减少收缩，增大粗粒料用量，减少对水的敏感程度，减少整体材料的孔隙率、比表面积和含水量

17、，大幅度降低干燥收缩，以适当级配代替单一级配，减少碎石单一缺少连接面易造成离析和平整度差的问题。根据以上设计原则，我们对苏嘉杭高速公路南段二灰碎石级配进行调整，并通过了交通厅组织的专家评审。其混合料合成级配见表6。二灰碎石混合料合成级配 表6通过下列方孔筛的重量(%)37.531.526.5199.54.752.361.180.60.075级配范围10090-10064-8552-6324-3316-2312-179-137-100-4为了对比推荐级配和规范级配以及单一级配的各项性质进行了室内试验(击实、抗压强度、模量和干、温缩)，结果见表7、表8。各级配击实试验 表7类型级配含量(%) 项目

18、单一级配规范级配推荐级配集料组成(%)1-3碎石1001037.51-2碎石27.537.5石屑62.525Ydmax(g/cm3)2.102.062.09WO(%)8.49.38.9注：混合料的配合比为6:13:81强度、模量试验结果表 表8指标龄 期级 配抗压强度(MPa)抗压回弹模量(MPa)7d28d90d180d90d180d单一级配1.072.744.266.1412401480规范级配1.563.925.828.0621202410推荐级配1.233.125.297.5417501980注：以上数值均为代表值。通过干缩和温缩试验绘制的各种级配图分别为干缩应变与时间变化(图1)、干

19、缩应变与失水率关系(图2)、干缩系数与失水率关系(图3)、温缩应变与温度关系(图4)、平均温缩系数与温度关系(图5)，图中1号为推荐级配，2号为规范级配，3号为单一级配。 室内试验表明各级配的7d无侧限抗压强度均满足要求，为进一步研究不同级配在施工中的可操作性和路用性能，我们在苏嘉杭南段高速公路铺筑了试验路，试验路长度300m，三种不同级配的二灰碎石各100m，施工时间为2001年6月28日7月9日。混合料的配合比均为6:13:81。施工过程的检测结果见表9、表10、表11。平整度检测表表9级配种类平均值标准差Sh=h+1.645s技术标准单一级配6.43.1211.4810mm规范级配4.9

20、2.107.9510mm推荐级配5.12.529.2410mm工地7d无侧限抗压强度试验表表10级配种类试件个数n平均值标准差偏差系数Rd/(1-ZaCv)单一级配261.290.3023.31.30规范级配131.620.19311.91.0推荐级配261.250.22918.31.14弯沉检测表表11级配种类检测日期平均值1标准差S1r=1+ZaS备注单一级配2001.7.2119.757.9436成型日期2001.7.92001.9.249.644.12182001.4.177.713.1112规范级配2001.7.21146.9428成型日期2001.7.22001.9.247.523

21、.09132001.4.177.253.3912.8推荐级配2001.7.2117.64.5027成型日期2001.6.302001.9.2410.14.42192001.4.176.863.1812.1 由于条件所限试验路采用平地机施工，通过检测，推荐级配和规范级配的平整度(三米直尺)均能满足施工规范的要求，3种级配的7d无侧限抗压强度均满足要求，虽然早期弯沉表现各异，但后期弯沉基本相同。试验路施工时正值高温多雨的季节，混合料的含水量较大，加之成型后未立即筑下封层，基层未做到保温养生，暴晒时间较长。在铺设下封层后2个月即在下封层上发现裂缝(此时尚未反射到中面层)，经过一个冬季，裂缝有所增加，

22、且全部反射到中面层。规范级配的裂缝率(m/100m2)为15.5%、推荐级配的裂缝率为11.5%、单一级配的裂缝率为5.7%。而推荐级配在大规模推广生产时，由于含水量控制较好，因而反射裂缝率在4%左右。试验路的裂缝率从另一个侧面也反映了集料级配对反射裂缝的影响程度。通过室内试验和试验路的铺筑可见，以上设计思路是可行的，对于减少裂缝、减少石屑用量、方便施工是有利的。并且，在采用集中厂拌、摊铺机摊铺和加强施工控制前提下，其平整度和强度是能够达到设计要求的，而且压实后表面粗糙、石子外露对于沥青面层的联结也极为有利。5试验路裂缝的处理针对已出现的裂缝，我们采用具有国际先进水平的自粘式玻纤网进行处理，这在国内尚属首次。玻纤网是以高强度玻璃纤维做材质的一种新型加筋格栅，具有较大的抗拉强度及弹性模数、较低的延伸率，很高的熔点，是处治沥青混凝土路面反射裂缝的优良材料。玻纤网较一般加筋格栅最显著的特点是具有很高的熔点(1000C以上)，能够很好地满足沥青砼施工要求。一般的塑料加筋格栅在沥青的摊铺温度(130C160C)下容易产生变形和老化，从而形成格栅与沥青混凝土的间隙，影响铺设效果。而玻纤网由于具有较高熔点，完全不会发生变形和老化，能够很好地同混合料结合，发挥最佳效应。实践证明，自粘式玻纤网施工方便、粘附力强，在