水泥稳定碎石配合比设计及裂缝防治研究

谢洪兵 （安徽建工集团投资管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

近年来，水泥稳定碎石层因其具有较好的力学性能和施工工艺简便常被用作高等级公路路面的主要承重层，水泥稳定碎石的配合比设计是路面施工质量的关键控制点，不合理的配合比通常会导致水泥稳定碎石成品强度不足、纵横向裂缝偏多等问题[1～8]。因此，控制水泥稳定碎石配合比的合理性是保证路面质量关键措施。本文结合一些实际工程施工中的案例来探讨水泥稳定碎石配合比设计的合理性及裂缝防治措施。

1 水泥稳定碎石的结构类型

水泥稳定碎石是一种由水泥、粗集料、细集料组成的混合料，根据这三种材料的不同配比组合可形成三种结构形式：悬浮密实、骨架空隙、骨架密实。

1.1 悬浮密实结构

如图1（a）所示，该种结构形式的水泥稳定碎石混合料中细集料较多，粗集料较少且粗颗粒之间不能相互接触，这种结构的混合料直剪试验表现为具有较大的c值和较小的φ值，强度较低，且由于细集料过多，易产生收缩裂缝，因而该种结构不适宜用作高等级公路水泥稳定碎石结构形式。

1.2 骨架空隙结构

如图1（b）所示，该种结构形式的水泥稳定碎石混合料中粗集料较多，细集料较少，细集料不能充满粗集料之间的空隙，这种结构的混合料直剪试验表现为具有较大的φ值和较小的c值，强度较大，抗收缩性能较好，但该种结构受重复荷载之后耐久性较差，因而该种结构也不适宜用作高等级公路水泥稳定碎石结构形式。

1.3 骨架密实结构

如图1（c）所示，该种结构形式的水泥稳定碎石混合料中粗集料能相互接触形成骨架，细集料也能充实粗集料骨架的间隙，这种结构的混合料直剪试验表现为既具有较大的φ值又具有较大的c值，强度较大，表现为具有最佳的力学性能，其耐久性与抗收缩性能均较好，因此，高等级公路水泥稳定碎石结构形式应采用骨架密实结构。

图1 水泥稳定碎石的三种结构形式

2 水泥稳定碎石强度形成机理

水泥稳定碎石强度形成机理是非常复杂的，既有化学作用，又有物理作用，还有物理-化学共同作用等。其中最主要的有粗集料的嵌挤摩阻作用和水泥的硬化作用。

2.1 嵌挤摩阻作用

水泥稳定碎石混合料中的粗骨料在压路机碾压之后紧密地嵌挤在一起，且颗粒之间具有较大的摩擦和阻止颗粒翻动的作用，从而形成水泥稳定碎石的骨架，这种作用也是剪切试验中内摩擦力φ值，这种结构具有较高的强度、较好的稳定性和抗收缩性能。

2.2 水泥的硬化作用

水泥作为胶凝材料经过水化反应生成一系列具有一定强度的硬化物质，既把粗细集料胶凝在一起，又通过自身的化学硬化反应提高了水泥稳定碎石的整体强度，研究表明，水泥的硬化反应时间可达到1～2年，这期间其强度不断增长。但水泥因其具有收缩性，级配不良的情况下易造成水泥稳定碎石产生收缩裂缝。

3 配合比设计的意义

配合比设计即使在满足原材料和混合料的级配及无侧限抗压强度符合规范要求的情况下，还是会存在设计的混合料级配不合理的情况，这样会导致水泥稳定碎石施工及通车后路面存在质量问题，如反射裂缝过多、耐久性不足等。因此，配合比设计的级配曲线的准确性及生产过程中级配的控制成为控制水泥稳定碎石施工质量的关键措施，必须对其进行合理的控制。

4 配合比设计及裂缝防治相关问题探讨

4.1 水泥稳定碎石对原材料的要求

水泥稳定碎石结构层质量的重要控制要点之一为原材料的质量，从源头上把控水稳原材料的质量是配出优质水泥稳定碎石成品的前提条件。水泥宜采用正规大型水泥生产厂家生产的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥，但其应选择终凝时间能够达到6h以上的水泥，快硬、早强及受潮变质的水泥是决不允许使用的。另外，水泥的细度、安定性等指标也必须符合规范要求。宜采用32.5级低标号水泥。

对于水稳混合料中碎石的技术指标要求：最大粒径控制在31.5mm，针片状颗粒含量控制在15%以下，且压碎值、强度、冲击值、磨耗值、磨光值等各项指标均必须满足规范规定标准。细集料的质量应严格控制0.075mm粒径的通过率及含泥量。笔者通过调查走访一些实际工地项目，发现有一些材料存在细集料以次充好的问题，主要表现为0～2.36 mm粒径的石粉加工采用软石、风化石等不良材料加工，从颜色上看呈泛白、泛黄色、泛粉红等，跟粗集料的颜色存在明显的色差。高等级公路的水稳碎石若使用这种不良材料，必然导致路面强度低、裂缝多、寿命短等严重的质量问题。

拌合水一般采用饮用水即可，如果对水质有疑问，必须通过试验确定水中是否含有对水泥强度发展有重大影响的物质。试验方法是用该种水拌制的水泥砂浆与蒸馏水拌制水泥砂浆的抗压强度作比较，两者强度若相差10%以上，则证明此种水不能用作拌合水，必须另行确定拌合用水。

4.2 级配曲线的合理结构

由前所述，重载公路的水泥稳定碎石级配应当优先设计为骨架密实结构。理论上来讲，级配曲线的理想结构应为级配中值（如图2所示）。

图2 理想级配类型

实际工程中在合成级配曲线上,没有必要刻意把所有级配数值都取到中值，这是因为根据实际工程经验，如果把级配的所有数值都取中值，将导致起到骨架支撑作用的粗集料略显不足。因此，根据多个工地的施工经验，水泥稳定碎石的合成级配曲线呈“S”形效果更好。

图3为两种合理的级配类型，从级配曲线图上可以看出，这两种级配曲线呈“S”型，曲线显示平稳、圆滑，接近中值，且在中值线左、右摆幅较少。

图3 合理级配曲线示例

图4为两种不合理级配类型，从级配曲线图上可以看出，这两种级配曲线没有表现出平缓的“S”型曲线，离散性较大，图4（a）明显偏级配上限，距离中值线摆幅偏大，且小于0.075mm细集料含量显然过大。图 4（b）在 4.75mm 级超级配上限，距离中值线摆幅过大，呈现断级配形式，这两种级配小于0.075mm细集料含量均过大。这将对水泥稳定碎石的强度、干缩性和温缩性产生较大的影响。

图4 不合理级配曲线示例

4.3 级配、水泥剂量对干缩、温缩的影响

反射裂缝是水泥稳定碎石基层的主要病害，其主要原因是干缩和温缩的作用。干缩是指由于水稳碎石成品表面的水分蒸发及其内部发生水化作用，水稳碎石成品的水分不断减少引起毛细管作用及矿物晶体间水化作用等引起水稳碎石成品的体积产生收缩。温缩是指由于水稳碎石成品中固相、液相和气相等在降温过程中相互发生作用，使水稳碎石成品的体积产生收缩。

选取三种不同的级配（见图5），分别按4%、5%、6%的水泥剂量进行干缩和温缩试验，结果如图6所示。

图5 试验用三种级配

由图6试验结果可分析得出，对相同级配来说，干缩系数和温缩系数均表现出共同的特征，随着水泥剂量的增加而增加。对相同水泥剂量来说，干缩系数和温缩系数随着细料含量的变大而变大。在图6中，C级配的干缩系数和温缩系数整体较高，由于原材料中碎石的温度收缩系数本身就较小，这说明温缩引起收缩程度与细集料有关，尤其是0.075mm以下粉粒颗粒，粉粒以下颗粒温度收缩性较大。因此，在进行配合比设计过程中，应严格控制混合料中0.075mm以下颗粒的含量，使其尽量靠近中值，宜优先选择粗级配和接近中值的级配作为水稳碎石的生产级配，这样能够增加水稳碎石成品的抗裂能力。

图6 干缩、温缩试验结果

4.4 抗裂型级配

江苏省曾提出过抗裂型级配，其集料组成如表1所示，该种级配除要求原材料应满足规范外，更对0.075mm做了更严格的要求，该级配组成的水泥稳定碎石基层抗裂型很好，但施工比较困难，易产生离析，特别是对细集料的控制较为严格。在施工条件允许的情况下，可优先考虑采用抗裂型级配。

抗裂型水泥稳定碎石混合料中合成碎石的颗粒组成 表1

4.5 裂缝处理方法

水泥稳定碎石基层作为路面的主要承重结构层，施工中出现裂缝不足为奇，但要分析裂缝的类型及成因，制定针对性的处理措施。笔者根据多年施工经验总结，把水稳裂缝分为三种：收缩裂缝、搭接离析裂缝、路基不均匀沉降裂缝。

收缩裂缝是水泥稳定碎石最常见的病害，其处理措施应视裂缝宽度而定，对细窄裂缝灌注乳化沥青；对略宽裂缝则灌注热沥青；再用抗裂贴或玻纤格栅在裂缝两侧超过50cm宽度范围加以粘结及钉牢处理，然后方可施工沥青透封层。

搭接离析裂缝是由两台摊铺设备在搭接处产生的离析情况所致，取芯结果为裂缝处粗集料集中，细集料缺失，对该种裂缝的处理目前采取以裂缝为中心沿裂缝纵向切除宽100cm的结构层，挖除后浇筑C10混凝土，养护结束后在混凝土和水稳层接缝处灌注热沥青，按照收缩宽裂缝处理方法处理。

路基不均匀沉降裂缝为路基失稳导致的不规则裂缝，对该种裂缝不能仅处理裂缝，必须对路基进行加固，目前多采用钢花管注浆加固路基，注浆完成后按照收缩宽裂缝处理方法处理。

5 结语

①水泥稳定碎石混合料的结构形式以骨架密实型结构最优，在高等级公路路面设计中应优先采用该种结构。

②在配合比设计时，水泥稳定碎石的合理级配曲线宜接近中值并呈“S”型，细集料和粉料用量应严格控制。在满足强度要求的前提下，为减少基层反射裂缝，应严格控制水泥用量及小于0.075mm细集料含量。建议在施工条件允许的情况下，优先考虑采用抗裂型级配。

③裂缝主要分为三种类型：收缩裂缝、搭接离析裂缝、路基不均匀沉降裂缝。处理裂缝应治标治本，按照裂缝类型及相应的处理措施彻底根除病害。