CN100513689C - 粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配方法及其骨架的检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要是为公路和城市道路路面的水泥稳定粒料基层提供一种有利于密实、强度高、敏感性小的粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配方法。通过计算粗集料各个筛孔粒料的通过质量百分率，计算细集料各个筛孔石料的通过质量百分率，将得到的粗集料和细集料各个筛孔石料的通过的质量百分率组合在一起，就得出粗集料断级配密实水泥稳定粒料的集料级配曲线，避免了以往全凭经验确定集料级配而难以保证公路质量的做法。还为试件骨架的密实结构提供一种省时、省力、省钱和使用方便的检验方法，根据试件的情况，及时调整集料级配中的细集料和/或粉料的新配合比，使公路的设计在确保施工质量的前提下达到省时、省力和节约资金。

Description

粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配方法及其骨架的检验方法

技术领域：

本发明涉及粗集料断级配密实水泥稳定碎石和/或砂砾的优选级配及其曲线的确定方法和对水泥稳定粒料骨架密实结构的检验方法，属于水泥稳定粒料路面基层领域。

背景技术：

早在1937年美国加州成功铺筑了3.2km水泥稳定土公路路面基层。随后一些国家先后研究和使用水泥稳定粒料，包括岩石碎石、矿渣碎石、破碎砾石、砂砾等做公路和城市道路路面的基层。在国际上，有的称水泥处治基层(CTB)，有的称水泥结粒料(CBG)。我国常简称水泥稳定土，用做基层时，常用水泥稳定级配集料并简称水泥碎石或水泥砂砾。在20世纪80年代初以前，英国按抗压强度大小将水泥结材料区分成贫混凝土，其七天龄期抗压强度达15MPa，水泥结粒料基层和水泥稳定土。1986年英国将水泥结材料统一命名为CBM1、CBM2、CBM3和CBM4。实际上CBM4相当于原贫混凝土，七天龄期的无侧限抗压强度R₇，5个试件的R₇＝150MPa，单个值>10MPa。CBM3的R₇，5个试件的R₇＝10MPa，单个值>6.5MPa。CBM2的R₇，5个试件的R₇＝7MPa，单个值>4.5MPa。CBM1的R₇，5个试件的R₇＝4.5MPa，单个值>2.5MPa。

仅CBM1和CBM2允许用厂拌或路拌，CBM3和CBM4必须用厂拌。CBM1用作底基层。

西班牙水泥结粒料用作基层时，要求R₇＝6.0MPa。

在20世纪60年代，在北美使用水泥稳定材料(含稳定粒料、粒料土和土)做路面基层和底基层的面积约相当于8万千米双车道公路。上世纪70年代初，我国在赞比亚等国的援建公路工程中开始研究和大量使用水泥稳定粒料土做沥青面层的基层。国内辽宁省于1974年在沈扶公路上首次铺筑了约10多千米长水泥稳定砂砾基层。1977年广西自治区在公路上铺筑了20多千米长水泥稳定砂砾和水泥稳定角砾土基层。从80年代初开始，水泥稳定粒料(碎石和砂砾)基层普遍用于高等级公路和一般公路沥青路面和水泥混凝土路面的基层。

在水泥稳定粒料基层的使用过程中，有的国家产生了一些质量问题，并减少了应用，或将其放到下面用作底基层，有的国家则使用得相当成功。在我国多数高速公路使用得成功，有的高速公路仅部分标段使用得成功，有的高速公路产生了严重质量问题。

造成水泥稳定粒料基层质量不好的原因是多方面的：

(1)级配或颗粒组成范围过宽

一些国家采用的集料级配范围参见下表1，

表1：用水泥稳定的集料的颗粒组成范围

由表1看到，国外所用的级配范围很宽，同一筛孔尺寸通过量的范围常在20％～50％之间。

我国公路路面基层施工技术规范中的级配范围虽比附图1中的缩小了很多，但也是过宽，参见下表2。

表2：国内路面基层施工规范的水泥粒料颗粒组成范围表

 

筛孔尺寸(mm)	31.5	26.5	19	9.5	4.75	2.36	0.6	0.075
									通过质量(％)	100	90～100	72～89	47～67	29～49	17～35	8～22	0～7

表2中同一筛孔通过量的最大范围为20％。

范围过宽给施工单位提供了相当大的自由度。认为只要颗粒组成在此范围内都可以。实际上，粒料级配好次对水泥稳定粒料的强度有显著影响。

(2)没有集料级配设计方法，也没有集料级配合适与否的检验方法。配出来的水泥粒料混合料是否合适则心中无数。只能等待力学性能试验做完后，才能知道集料级配是否是最合适的。缺乏必要的理论检验方法，只能通过多次比较试验才能找到最适宜的集料级配和最经济的水泥用量。这需要花费较长的时间和经费投入。

(3)对原材料(仅指粒料)没有明确的规格，特别是没有颗粒组成要求。我国仅要求将原材料分成3～4个大小不同的粒级，用这3～4个不同粒级的集料配成级配集料。按强度标准试验确定水泥用量后，就开始生产。第一次确定的配合比可能一直用到工程结束都不再改变。但由于多种原因，购置的原材料的颗粒组成在此过程中是不可能没有变化的。从而造成所生产的水泥粒料的强度产生相当大的变化。在施工现场，常发现不同位置取的钻件的抗压强度的大小可相差3～4倍。而且常发现基层取不出完整的钻件。有的钻件表层1～2cm是松散的，有的钻件中间断裂，有的钻件下部松散，有的钻件不成正常的圆柱体，而是橄榄核形。

发明内容

本发明的主要目的是为公路和城市道路路面的水泥稳定粒料基层提供一种有利于密实、强度高、敏感性小的粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配方法。

本发明的另一个目的是对利用上述方法级配的水泥稳定粒料制成的试件骨架的密实结构提供一种省时、省力和省钱的检验方法。

本发明的粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配方法包括如下步骤：

1.一种粗集料断级配密实水泥稳定粒料基层集料的级配方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将集料分成粗集料、细集料和粉料(填料)三部分；

(2)按水泥稳定粒料的标称最大粒径为19mm和26.5mm筛分粗集料待用；

(3)筛分细集料：将细集料石料筛分成粒径为4.75mm～2.36mm、2.36mm～1.18mm、1.18mm～0.6mm、0.6mm～0.3mm、0.3mm～0.15mm、0.15mm～0.075mm六个粒级的细集料待用；

(4)初选配合比：以质量百分比初选粗集料碎石58％～70％，细集料石料25％～40％，粉料3％～10％，三种集料含量之和等于100％；

(5)计算粗集料各个筛孔粒料的通过质量百分率，依据如下通式：

$P_{\mathrm{di}}=A{\left(\frac{d_i}{D_{\max }}\right)}^B$

式中：P_di——某筛孔尺寸d_i的通过量(％)；

D_max——矿料的实际最大粒径，即标称最大粒径上面一个筛的筛孔尺寸(mm)；

d_i——某筛孔尺寸(mm)；

A、B——待定系数；

以粗集料标称最大粒径D_mx.n通过量为90％～100％间的某一个百分数作为第一控制点，以粗集料最小粒径通过量为30％～42％间的某一个百分数作为第二控制点；用D_max.n作为上述通式中的d_i，第一控制点作为通式中的P_di，根据上述通式建立第一个方程；用粗集料最小粒径作为通式中的d_i，用粗集料最小粒径通过量，即第二个控制点作为通式中P_di，根据上述通式建立第二个方程；上述第一个方程和第二个方程联立，解此联立方程，即可确定通式中的系数A、B的值，将A、B代入上述通式而得到一个确定粗集料级配的幂函数方程；然后用此幂函数计算从粗集料标称最大粒径到粗集料最小粒径各个筛孔的粒料通过质量百分率；

(6)计算细集料各个筛孔石料的通过质量百分率：以细集料最大粒径作为通式中的d_i，细集料最大粒径通过量为30％～42％间的与第二个控制点相同的百分数作为式中的P_di，按照分步(5)中的通式建立第一个方程；以细集料最小粒径作为式中的d_i，其通过量3％～10％之间的某一个百分数，即第三个控制点，作为式中的P_di，按照分步(5)中的通式建立第二个方程，即可确定上述通式中的系数A、B的值；将A、B代入上述通式即得到一个确定细集料级配的幂函数方程；然后计算从细集料最大粒径到细集料最小粒径各个筛孔细集料的通过质量百分率；

(7)将上述(5)和(6)分步计算得到的粗集料和细集料各个筛孔石料的通过的质量百分率组合在一起，就得出粗集料断级配密实水泥稳定粒料的集料级配曲线；相邻两个筛孔通过量之差即为某粒级石料在全部矿料中所占的质量百分率；0.075mm筛孔的通过量即为粉料；

(8)、根据水泥稳定粒料试件中粗集料的孔隙率较细集料、粉料和有效水的体积之和大3％的要求，检验并调整集料级配中的细集料和/或粉料；根据调整后的新配合比，用上述通式重新计算与新配合比相应的集料级配曲线。

上述第(1)步中所述的三种集料的粒径范围分别为：粉料的粒径小于0.075mm，细集料为0.075mm～4.75mm，粗集料为4.75mm～实际最大粒径。

上述粗集料的粒径进一步细分为：对于CBG-25，分成粒级为26.5mm～19mm、19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm五个粒级或26.5mm～19mm、19mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm四个粒级待用；对于CBG-20，分成粒级为19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm四个粒级待用。

对利用上述方法级配的水泥稳定粒料制成的试件的骨架密实结构提供一种的检验方法主要是根据水泥稳定粒料七天龄期无侧限抗压强度符合要求的水泥剂量，用重型击实试验方法确定水泥稳定粒料的最佳含水量和最大干密度；检验在最佳含水量和实际干密度状况下试件的空气率；此空气率可设为3％。具体包括如下步骤：

(1)用重型击实试验法做不同水泥剂量三种混合料的击实试验，确定不同水泥剂量混合料的最佳含水量W_o和最大干密度γ_d.max.

(2)按7天龄期无侧限抗压强度标准R₇＝3～6MPa，试验确定合适的水泥剂量，对于CBG-25制作高：直径为15cm：15cm的圆柱体试件，对于CBG-20制作高：直径为10cm：10cm的圆柱体试件，试件的密度为100％～102％重型击实试验法的最大干密度，含水量为重型击实试验法的最佳含水量；试件数量CBG-20为9个，CBG-25为13个；试件在规定温度下保湿养生六天，浸水一天后做无侧限抗压强度试验；计算试验结果的平均值R₇和变异系数C_v。按《公路路面基层施工技术规范》的规定用下式判定需采用的R₇与水泥剂量：

${\stackrel{\‾}{R}}_7\≥\frac{R_d}{(1-Z_{\mathrm{\α}}{C}_v)}$

式中：Z_α---正态分布表中的值，取1.645

(3)根据粗集料的孔隙率与细集料、粉料、水泥及有效水的体积之和，此和可称做水泥砂浆，相等的要求或水泥砂浆略小于粗集料的孔隙率(不超过3％)，检验并调整上述集料级配中的细集料和/或粉料；根据调整后的新配合比，用上述方法重新确定与新配合比相应的集料级配曲线。

检验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定粗集料断级配密实水泥稳定粒料各粒级石料的原始数据，根据粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配方法列出集料级配曲线，并计算从粗集料最大粒径到粉料各个粒级石料的含量百分率；列出试验得到的各个粒级石料的毛体积密度G_b与表干密度G_sd和粉料的视密度G_a.po及水泥的视密度G_a.c(g/cm³)；计算并列出粗集料断级配密实水泥稳定粒料中粗集料的含量百分率P_ca(％)；细集料的含量百分率P_fa(％)，粉料的含量百分率Ppo(％)，水泥的剂量Pc(％)试件的最佳含水量W₀和最大干密度γ_d.。

(2)分解分析实际密度的试件，其具体包括如下分步：

1)确定粗集料断级配密实水泥稳定粒料的原始数据：

除上述(1)中所列的数据外，还需要计算粗集料的毛体积密度G_b.ca、细集料的毛体积密度G_b.fa；

2)计算基本数据：

用水泥稳定粒料的实际干密度计算试件中全部集料的质量MMA、粗集料的质量MCA、细集料的质量MFA、粉料的质量MPo、水泥的质量MC、有效水的质量MWe：

全部集料的质量MMA＝γ_d.÷(1+Pc)、粗集料的质量MCA＝P_ca×MMA、细集料的质量MFA＝P_fa×MMA、粉料的质量MPO＝Ppo×MMA、水泥的质量MC＝Pc×MMA和有效水的质量We；

3)计算判断用数据

粗集料的孔隙率 $\mathrm{VCA}=1-\frac{\mathrm{MCA}}{G_{b-\mathrm{ca}}}$

细集料的体积

粉料的体积

水泥的体积

有效水的体积W_E计算结果应符合下式要求：

$\mathrm{VCA}=\frac{\mathrm{MFA}}{G_{b\·\mathrm{fa}}}+\frac{\mathrm{MPO}}{\mathrm{Ga}.\mathrm{po}}+\frac{\mathrm{MC}}{\mathrm{Ga}.c}+\mathrm{We}+3\%$

以上各项计算全都以小数计，

4)判断：如果上式中等号右侧的值等于等号左侧的值，则水泥稳定粒料的集料级配属于粗集料断级配密实结构；如果等号右侧的值小于等号左侧的值，应当增加细集料和/或粉料的含量；反之，如果等号右侧的值大于等号左侧的值，应当减少细集料和/或粉料的含量。

本发明的优点：

1.利用本发明的集料级配方法，可以方便地计算得粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配曲线，避免了以往全凭经验确定集料级配的做法。

2.利用本发明的粗集料骨架密实结构检验方法，既可以使所用级配的水泥稳定粒料成为骨架密实结构，满足使用性能的要求，又可以避免通过大量试验摸索前进的过程，达到省时、省力、节约资金。

3.本发明提供的集料级配检验方法可使使用者方便地检验新的集料级配是否符合骨架密实结构。

具体实施方式

本发明的粗集料断级配密实水泥稳定粒料级配方法，具体包括下列步骤：

(一)确定粗集料断级配水泥稳定粒料的级配曲线：

(1)将集料分成三部分，即实际最大粒径～4.75mm为粗集料，4.75mm～0.075mm为细集料，<0.075mm为粉料；

(2)按标称最大粒径筛分粗集料：对于CBG-25，分成粒级为26.5mm～19mm、19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm五个粒级或26.5mm～19mm、19mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm四个粒级待用；对于CBG-20，分成粒级为19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm四个粒级待用；

(3)筛分细集料：将细集料筛分成粒径为4.75mm～2.36mm、2.36mm～1.18mm、1.18mm～0.6mm、0.6mm～0.3mm、0.3mm～0.15mm、0.15mm～0.075mm六个粒级的细集料待用；

(4)选取配料比：以质量百分比选取粗集料碎石58％～70％，选取细集料石料25％～35％，选取填料3％～10％，三种集料含量之和等于100％；

(5)计算粗集料各个筛孔碎石的通过质量百分率，依据如下通式：

$P_{\mathrm{di}}=A{\left(\frac{d_i}{D_{\max }}\right)}^B$

式中：P_di——某筛孔尺寸d_i的通过量(％)

D_max——矿料的实际最大粒径(mm)

d_i——某筛孔尺寸(mm)

A、B——系数

以粗集料标称最大粒径D_max.n通过量为90％～100％间的某一个百分数作为第一控制点，以粗集料最小粒径通过量为30％～42％间的某一个百分数作为第二控制点；用D_max.n作为上述通式中的d_i，第一控制点作为通式中的P_di，根据上述通式建立第一个方程；用粗集料最小粒径作为通式中的d_i，用粗集料最小粒径通过量，即第二个控制点作为通式中P_di，根据上述通式建立第二个方程；上述第一个方程和第二个方程联立，解此联立方程，即可确定通式中的系数A、B的值，将A、B代入上述通式得到一个确定粗集料级配的幂函数方程；用此幂函数方程计算从粗集料标称最大粒径到粗集料最小粒径各个筛孔的碎石通过质量百分率；

(6)计算细集料各个筛孔石料的通过质量百分率。按照分步骤(5)中的通式，以细集料最大粒径作为通式中的d_i，细集料最大粒径的通过量30％～42％间的与计算粗集料级配采用的第二个控制点相同的数作为控制点，即通式中的P_di建立第一个方程；以细集料最小粒径作为通式中的d_i，细集料最小粒径通过量3％～10％之间的某一个数作为第三个控制点，即通式中的P_di建立第二个方程。第一个方程与第二个方程联立，解此联立方程，确定上述通式中的系数A、B的值，得到一个计算细集料各个筛孔通过质量百分率的幂函数方程。用此幂函数方程计算从细集料最大粒径到细集料最小粒径各个筛孔细集料的通过质量百分率；

(7)将上述分步(5)和(6)计算得到的粗集料、细集料各个筛孔石料和粉料的通过质量百分率接合在一起，就得到粗集料断级配水泥稳定粒料的级配曲线；相邻两个筛孔通过量之差即为某粒级石料在全部矿料中所占的质量百分率；0.075mm筛孔的通过量即为粉料。

(8)、根据水泥稳定粒料试件中粗集料的孔隙率较细集料、粉料和有效水的体积之和大3％的要求，检验并调整集料级配中的细集料和/或粉料；根据调整后的新配合比，用上述通式重新计算与新配合比相应的集料级配曲线。

(二)粗集料断级配骨架密实结构水泥稳定粒料级配的检验。

本发明所述的粗集料断级配骨架密实结构水泥稳定粒料级配的检验方法称VCA_CG法。它是对已做混合料组成设计得到的强度符合要求的水泥剂量试件进行检验，确定其是否为骨架密实结构。检验具体包括下列步骤：

(1)确定粗集料断级配密实水泥稳定粒料各粒级集料的原始数据：列出步骤(一)得到的集料级配曲线，并计算出从粗集料最大粒径到粉料各个粒级石料的含量百分率；通过石料的密度试验得到从粗集料最大粒径到细集料最小粒径各个粒级石料的毛体积密度G_b.a和粉料的视密度G_a.PO(g/cm³)，通过水泥密度试验得到水泥的密度G_c(g/cm³)；计算并列出粗集料断级配水泥稳定粒料中粗集料的含量百分率

；细集料的含量百分率P_fa(％)，粉料的含量百分率P_po(％)，计算并列出粗集料的毛体积密度G_b.ca(g/cm³)和细集料的毛体积密度G_b.fa(g/cm³)；

(2)用不同水泥剂量的混合料做重型击实试验，确定水泥混合料的最佳含水量与最大干密度；

(3)做不同水泥剂量混合料的圆柱体试件，试件的含水量为最佳含水量，试件的干密度为100％～101％最大干密度，养生后做无侧限抗压强度试验，确定强度符合要求的水泥剂量；

(4)对强度符合要求的水泥稳定粒料试件，用其实际干密度和最佳含水量进行分解分析；根据水泥稳定粒料试件中粗集料的孔隙率略大于细集料、粉料、水泥和有效水(W_e)的体积之和的要求(不超过3％)，即：

VCA＝VOLFA+VOLPO+VOLC+VOLWe

分别计算粗集料的孔隙率(式中等号左侧)，细集料、粉料、水泥和有效水的体积之和(等号右侧)；有效水的质量W_e应为最佳含水量W_o-水泥水化作用需要的水W_b-集料吸收的水W_a。

(5)如果上式中等号左侧的值大于等号右侧的值不超过3％，说明由细集料、粉料、水泥和有效水组成的体积不能填满粗集料的孔隙，该粗集料断级配水泥稳定粒料级配形成的骨架密实结构还有3％空气率，由此构成的水泥稳定粒料符合要求；反之，如果等号左侧的值小于等号右侧的值，说明粗集料的孔隙不能容纳由细集料、粉料和自由水组成的水泥砂胶。如小的值超过1％，则形成的骨架密实结构将被水泥砂胶撑开，甚至粗集料悬浮于水泥砂胶中。由此构成的水泥稳定粒料的强度会受到不利影响，基层的表面粗糙度会变小，从而影响层间粘结。应减少细集料或粉料的含量；根据调整后的新配合比，用上述通式重新计算与新配合比相应的矿料级配曲线。然后重做水泥混合料的组成设计，确定符合强度要求的水泥剂量。

Claims (1)

1.一种粗集料断级配密实水泥稳定粒料基层集料的级配方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将集料分成粗集料、细集料和粉料三部分，即粉料的粒径小于0.075mm，细集料为0.075mm～4.75mm，粗集料为4.75mm～实际最大粒径；

(2)按水泥稳定粒料的标称最大粒径为19mm和26.5mm筛分粗集料待用，对于CBG-25，分成粒级为26.5mm～19mm、19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm五个粒级或26.5mm～19mm、19mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm四个粒级待用；对于CBG-20，分成粒级为19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm四个粒级待用；

(3)筛分细集料：将细集料石料筛分成粒径为4.75mm～2.36mm、2.36mm～1.18mm、1.18mm～0.6mm、0.6mm～0.3mm、0.3mm～0.15mm、0.15mm～0.075mm六个粒级的细集料待用；

(4)初选配合比：以质量百分比初选粗集料碎石58％～70％，细集料石料25％～35％，粉料3％10％，三种集料含量之和等于100％；

(5)计算粗集料各个筛孔粒料的通过质量百分率，依据如下通式：

$P_{\mathrm{di}}=A{\left(\frac{d_i}{D_{\max }}\right)}^B$

式中：P_di——某筛孔尺寸d_i的通过量(％)；

D_max——矿料的实际最大粒径，即标称最大粒径上面一个筛的筛孔尺寸(mm)；

d_i——某筛孔尺寸(mm)；

A、B——待定系数；

以粗集料标称最大粒径D_max.n通过量为90％～100％间的某一个百分数作为第一控制点，以粗集料最小粒径通过量为30％～42％间的某一个百分数作为第二控制点；用D_max.n作为上述通式中的d_i，第一控制点作为通式中的P_di，根据上述通式建立第一个方程；用粗集料最小粒径作为通式中的d_i，用粗集料最小粒径通过量，即第二个控制点作为通式中P_di，根据上述通式建立第二个方程；上述第一个方程和第二个方程联立，解此联立方程，即可确定通式中的系数A、B的值，将A、B代入上述通式而得到一个确定粗集料级配的幂函数方程；然后用此幂函数计算从粗集料标称最大粒径到粗集料最小粒径各个筛孔的粒料通过质量百分率；

(6)计算细集料各个筛孔石料的通过质量百分率：以细集料最大粒径作为通式中的d_i，细集料最大粒径通过量为30％～42％间的与第二个控制点相同的百分数作为式中的P_di，按照分步(5)中的通式建立第一个方程；以细集料最小粒径作为式中的d_i，其通过量3％～10％之间的某一个百分数，即第三个控制点，作为式中的P_di，按照分步(5)中的通式建立第二个方程，即可确定上述通式中的系数A、B的值；将A、B代入上述通式即得到一个确定细集料级配的幂函数方程；然后计算从细集料最大粒径到细集料最小粒径各个筛孔细集料的通过质量百分率；

(7)将上述(5)和(6)分步计算得到的粗集料和细集料各个筛孔石料的通过的质量百分率组合在一起，就得出粗集料断级配密实水泥稳定粒料的集料级配曲线；相邻两个筛孔通过量之差即为某粒级石料在全部矿料中所占的质量百分率；0.075mm筛孔的通过量即为粉料；

(8)根据水泥稳定粒料试件中粗集料的孔隙率较细集料、粉料和有效水的体积之和大3％的要求，检验并调整集料级配中的细集料和/或粉料；根据调整后的新配合比，用上述通式重新计算与新配合比相应的集料级配曲线。