CN105399379A - 复掺外加剂结合抗裂型级配水泥稳定碎石基层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型复掺外加剂结合抗裂型级配水泥稳定碎石基层，通过将混合料拌合、运输、摊铺、碾压、边部整形、养生而成，所述水泥稳定碎石基层原料包括水泥，膨胀剂，减缩剂，水和水泥稳定碎石级配集料。本发明的新型复掺外加剂结合抗裂型级配水泥稳定碎石基层具有施工过程比较好控制、抗裂效果较好、使用寿命较长、经济成本较低、适合广泛推广和使用等特点，适用于公路工程中用碎石和胶结材料铺筑的路面基层。

Description

复掺外加剂结合抗裂型级配水泥稳定碎石基层及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种水泥稳定碎石基层及制备方法。

背景技术

水泥稳定碎石是以具有一定级配的碎石作为骨料，结合胶凝材料和一定量的灰浆体积来填充其空隙，经拌和、压实和养生后形成的具有一定力学强度和密实度的混合料，水泥稳定碎石初期强度高，抗渗度和抗冻性较好，但在使用过程中会因温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用等问题导致基层裂缝。目前水泥稳定碎石混合料配合比设计方法的主要缺点表现在最大干密度取值过小、水泥剂量过大、压实度偏小及强度偏低等，并且采用强度单一指标控制材料设计，使得操作中容易忽视其他性能要求，如抗裂性能、抗冲刷和抗疲劳特性等。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型复掺外加剂结合抗裂型级配水泥稳定碎石基层，以解决水泥稳定碎石容易收缩开裂的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种新型复掺外加剂结合抗裂型级配水泥稳定碎石基层，由以下质量百分比的原料组成：水泥4.5%，膨胀剂4%-8%，减缩剂1%-3%，水4.5%，其余为水泥稳定碎石级配集料。

所述水泥在选用中应了解出炉天数，刚出炉的水泥，要停放七天，安定性合格后方可使用，高温作业时入罐温度不得高于50℃，否则应采取降温措施。

所述水泥稳定碎石采用骨架密实型级配，碎石最大粒径为31.5mm，检测指标包括压碎值、液限、塑性指数、细集料粉尘含量等。为保证施工含水量的要求，原材料中细集料应采取覆盖措施以避免受潮。为保证基层达到强度满足要求、抗裂能力最佳的效果，应尽量限制水泥、细集料、粉料用量。级配碎石选择质坚、干净的粒料，颗粒级配符合要求。根据当天的天气情况和各种集料当天的含水量来确定具体加水的数量。

所述水选用附近可饮用的井水或经处理后符合要求的沟渠水。

所述水泥稳定碎石基层的制备工艺步骤如下：

步骤一、基层原料配制：原料质量百分比含量为：水泥4.5%，膨胀剂4%-8%，减缩剂1%-3%，水4.3%-4.7%，其余为水泥稳定碎石级配集料；

步骤二、混合料拌合：碎石材料用装载机装入料斗经计量通过皮带运输机送入拌和机，水泥、膨胀剂、减缩剂经计量同时进入拌和机回水拌和，掺膨胀剂和减缩剂采用直接投料法；混合料在略大于最佳含水量的1%～2%情况下拌和均匀；拌和站产量控制在标准产量的80%以内，拌和时应连续均匀，不得出现混合料空料现象；每天收工或停拌后用水将拌和仓内清洗干净；

步骤三、对混合料进行含水量检测，采用振动压实法确定不同材料组成条件下抗裂型水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度并对确定的最佳含水量混合料进行重型击实验证试验，找出转换系数，转换系数一般为1.02～1.03；

步骤四、对合格混合料进行运输、滩涂、碾压和边部整形；拌和站出料时应在备满一储存仓后才进行卸料，装车时运输车应前后移动，以减少混合料离析；卸料时料斗应慢慢升起，升到一半时先停下，等把料基本摊完后再上升，减少卸料产生的离析；摊铺机的混合料高度几乎要没过螺旋叶片，且全长一致；螺旋布料器在全部工作时间内低速、匀速转动，避免高速、停顿和启动；对摊铺后出现的窝、条、带等离析现象及时进行铲除、换料、撒料处理；

步骤五、采用静压法成型试件，将成型好的试件按照规定的条件下养生7天，并进行7天浸水无侧限抗压强度试验，计算试验结果的平均值和偏差系数。

本发明的有益效果：

（1）水泥稳定碎石基层采用骨架密实型结构，结合抗裂型级配和复掺外加剂，抗裂效果好；

（2）选用水泥稳定碎石级配范围与传统类型的水泥稳定碎石有着明显的差别，级配骨架结构性好、强度高，采用较低的水泥剂量，现场干、温缩裂缝密度低；

（3）施工过程好控制，操作方便；

（4）使用寿命长、经济成本适中、适合广泛推广和使用。

附图说明

图1是本发明的施工工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来描述本发明的技术方案。

实施例1

一种水泥稳定碎石基层，原料组成包括水泥、水、碎石级配集料，其中水泥选用42.5级缓凝水泥，水泥质量百分比为4.5%，采用外掺法加入，水质量百分比为4.3%。

集料的级配范围如表1所示。

表1水泥稳定碎石混合料中集料的颗粒组成

实施例2

一种水泥稳定碎石基层，原料组成包括水泥、膨胀剂、减缩剂、水、碎石级配集料，其中水泥选用42.5级缓凝水泥，质量百分比为4.5%，采用外掺法加入，水质量百分比为4.6%，膨胀剂质量百分比为4%，减缩剂质量百分比为3%，所述膨胀剂选用UEA-H低碱膨胀剂，减缩剂采用聚羧酸系原料配制。集料的级配范围如表1所示。

实施例3

水泥稳定碎石基层原料组成同实施例2，其中水质量百分比为4.7%，膨胀剂质量百分比为6%，减缩剂质量百分比为2%。

实施例4

水泥稳定碎石基层原料组成同实施例2，其中水质量百分比为4.4%，膨胀剂质量百分比为8%，减缩剂质量百分比为1%。

实施例5

所述水泥稳定碎石基层的制备工艺步骤如下：

步骤一、基层原料配制：水泥碎石稳定基层原料组成采用实施例3的配比；

步骤二、混合料拌合：碎石材料用装载机装入料斗经计量通过皮带运输机送入拌和机，水泥、膨胀剂、减缩剂经计量同时进入拌和机回水拌和，掺膨胀剂和减缩剂采用直接投料法；混合料在略大于最佳含水量的1%～2%情况下拌和均匀；拌和站产量控制在标准产量的80%以内，拌和时应连续均匀，不得出现混合料空料现象；每天收工或停拌后用水将拌和仓内清洗干净；

步骤三、对混合料进行含水量检测，采用振动压实法确定不同材料组成条件下抗裂型水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度并对确定的最佳含水量混合料进行重型击实验证试验，找出转换系数，转换系数一般为1.02～1.03；

步骤四、对合格混合料进行运输、滩涂、碾压和边部整形；拌和站出料时应在备满一储存仓后才进行卸料，装车时运输车应前后移动，以减少混合料离析；卸料时料斗应慢慢升起，升到一半时先停下，等把料基本摊完后再上升，减少卸料产生的离析；摊铺机的混合料高度几乎要没过螺旋叶片，且全长一致；螺旋布料器在全部工作时间内低速、匀速转动，避免高速、停顿和启动；对摊铺后出现的窝、条、带等离析现象及时进行铲除、换料、撒料处理；

步骤五、采用静压法成型试件，将成型好的试件按照规定的条件下养生7天，并进行7天浸水无侧限抗压强度试验，计算试验结果的平均值和偏差系数。

实施例6

本实施例分别对上述实施例1、例2、例3、例4进行击实试验、室内强度性能试验(无侧限抗压强度、间接抗拉强度(劈裂试验)、劈裂回弹试验)、干缩性能试验、收缩裂缝分析、干缩疲劳寿命及经济效益分析。

（1）击实试验

每例试件的最佳含水量和最大干密度如表2所示：

表2每组试验的最佳含水量和最大干密度

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					最佳含水量(%)	4.3	4.6	4.7	4.4
最大干密度(g/cm3)	2.423	2.41	2.401	2.379

从表2中可以看出，添加膨胀剂和减缩剂之后例2、例3、例4的最佳含水量相对于例1（未添加膨胀剂和减缩剂）有所增加，分别增加6.77%、8.40%、2.33%。同时可以看出，有加膨胀剂和减缩剂的例2、例3、例4相比较于未添加膨胀剂和减缩剂的例1，其最大干密度均有所降低，随着膨胀剂含量的增加，最大干密度呈现出减小的趋势。

（2）无侧限抗压强度试验

每例试件的7天和28天无侧限抗压强度分别如表3、表4所示：

表3七天试件无侧限抗压强度（MPa）

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					平均值	4.804	5.353	5.232	4.525
95%保证率	3.980	4.678	4.360	3.983

表4二十八天试件无侧限抗压强度（MPa）

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					平均值	6.705	5.875	7.438	4.126
95%保证率	5.716	5.037	6.768	3.845

通过上述表格的数据分析可知：

1）对于试件的7天95%保证率无侧限抗压强度实施例2试件的最大，其次依次是实施例3、实施例4，实施例1最小；实施例1~实施例3试件的28天无侧限抗压强度相比于7天无侧限抗压强度都有不同程度的增长，实施例3试件28天无侧限抗压强度最大，增加了55.23%，接下来依次是实施例1、实施例2和实施例4。

2）膨胀剂和减缩剂的含量增加会在一定程度上增加试件的无侧限抗压强度，但当含量达到一定程度时，试件的无侧限抗压强度反而减小。

3）综合而言，实施例3（膨胀剂6%，减缩剂2%）无侧限抗压强度最优，其28天强度值较实施例1（未添加膨胀剂和减缩剂）提高约20%。

（3）间接抗拉强度(劈裂试验)

四例试件的7天和28天试件间接抗拉强度平均值和95%保证率的值分别如表5、表6所示。

表5七天间接抗拉强度（劈裂强度）（MPa）

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					平均值	0.416	0.444	0.537	0.465
95%保证率	0.379	0.372	0.505	0.428

表6二十八天间接抗拉强度（劈裂强度）（MPa）

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					平均值	0.667	0.726	0.699	0.503
95%保证率	0.564	0.635	0.595	0.430

通过上述图表的数据分析可知：

1）7天95%保证率间接抗拉强度例3试件的最大，接下来依次是实施例4、实施例1，实施例2的最小；对于试件的28天95%保证率的间接抗拉强度实施例1、实施例2、实施例3的相比于7天的都有较大程度的增长，其中实施例2的28天95%保证率间接抗拉强度最大，抗拉强度增长了70.64%，接下来依次是实施例3、实施例1和实施例4。可以看出膨胀剂含量增加到一定程度时，试件间接抗拉强度的发展受到一定的影响。

2）实施例3（膨胀剂6%，减缩剂2%）间接抗拉强度最优，其7天强度值较实施例1（未添加膨胀剂和减缩剂）提高约35%，说明其对水泥稳定碎石基层养护早期的抗裂性能有明显的增强作用。

（4）干缩性能试验和收缩裂缝分析

四例试件总干缩系数、干缩应力分别如表7、表8、表9所示。

表7各组试件总干缩系数

	例1	例2	例3	例4
					总干缩系数/%	0.7404	0.6656	0.5587	0.6034

表8七天龄期干缩应力计算结果

	例1	例2	例3	例4
					干缩应变（με）	143	121	84	122
干缩应力（MPa）	0.115	0.097	0.067	0.098

表9二十八天龄期干缩应力计算结果

	例1	例2	例3	例4
					干缩应变（με）	302	272	236	255
干缩应力（MPa）	0.242	0.217	0.189	0.204

由表7可知，例3试件的总干缩系数最小，其次依次是例4、例2、例1。

由表8、表9可知：

1）添加膨胀剂和减缩剂后，水泥稳定碎石干缩应力减小，其中例3试件（膨胀剂6%，减缩剂2%）干缩应力最小，其具有较好的抵抗收缩开裂的能力。

2）7天龄期的干缩应力都明显小于同龄期条件下间接抗拉强度值，说明在养护初期出现收缩裂缝的可能性较小。

3）28天龄期的干缩应力与间接抗拉强度值的比值，实施例1（未添加膨胀剂和减缩剂）和实施例4（膨胀剂8%、减缩剂1%）收缩应力超过间接抗拉强度值的40%，较易发生收缩裂缝病害。实施例3（膨胀剂6%，减缩剂2%）最优，在7天龄期时较例1降低应力比55%，在28天龄期时降低26%。

（5）干缩疲劳寿命及经济效益分析

在单轴双轮组各级轴载作用下，通过有限元计算得到例2、例3、例4试验条件下的水泥稳定碎石基层相对于例1试验条件下的收缩疲劳寿命分别为6.1、14.4、0.6。可以发现，例3干缩疲劳寿命最大。

本发明中水泥拟选用海螺牌PO42.5硅酸盐水泥，膨胀剂采用中国建材院UEA-H，减缩剂采用海韵防水材料厂固体BT-5001型，集料采用江苏某工程的集料。表11为例1~例4试件1吨水泥稳定碎石混合料的材料成本（不计入拌合、运输的花费）。

表10各组水泥稳定碎石混合料的材料成本（每吨）

由表10可以看出，例1水泥稳定碎石混合料的材料成本最低，例2（膨胀剂4%，减缩剂3%）的材料成本最高，其次依次是例3（膨胀剂6%，减缩剂2%），例4（膨胀剂8%，减缩剂1%），两者成本基本相当。综合而言，例3在稍增加材料成本的前提下可大幅增加基层的干缩疲劳寿命，经济效益显著。

综上经室内试验确定：6%膨胀剂+2%减缩剂方案无侧限抗压强度、间接抗拉强度最优、劈裂回弹模量较好，干缩应变和干缩系数最小，并进行相应的干缩应力与温度应力分析、收缩裂缝等分析得知该掺入方案纵横向水平应力最小，收缩裂缝产生的间距最大。且干缩疲劳寿命最大，材料成本适宜。

Claims (9)

1.一种水泥稳定碎石基层，所述水泥稳定碎石基层采用复掺外加剂结合抗裂型级配，包括水泥、碎石、外加剂和水，其特征在于：所述外加剂为膨胀剂和减缩剂，所述水泥稳定碎石基层由以下质量百分比的原料组成：

水泥4.5%，膨胀剂4%-8%，减缩剂1%-3%，水4.3%-4.7%，其余为水泥稳定碎石级配集料。

2.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述水泥稳定碎石的抗裂型级配集料如下表：

。

3.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述抗裂型级配集料中4.75mm、2.36mm的通过量接近级配范围的下限，0.075mm碎石通过率在3.5%以下。

4.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述水泥为42.5级缓凝水泥。

5.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述水泥采用外掺法制备。

6.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述水泥稳定碎石基层由以下质量百分比的原料组成：水泥4.5%，膨胀剂6%，减缩剂2%，水4.7%。

7.根据权利要求1或6所述的水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述膨胀剂采用低碱膨胀剂UEA-H，减缩剂采用聚羧酸系原料配制。

8.一种水泥稳定碎石基层制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、原料配制：原料采用权利要求1～6任一项所述的水泥稳定碎石基层组成组分；

步骤二、混合料拌合：碎石材料用装载机装入料斗经计量通过皮带运输机送入拌和机，水泥、膨胀剂、减缩剂经计量同时进入拌和机回水拌和，掺膨胀剂和减缩剂采用直接投料法，混合料在略大于最佳含水量的1%～2%情况下拌和均匀，每天收工或停拌后用水将拌和仓内清洗干净；

步骤三、对混合料进行含水量检测，采用振动压实法确定不同材料组成条件下抗裂型水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度并对确定的最佳含水量混合料进行重型击实验证试验，找出转换系数，转换系数为1.02～1.03；

步骤四、对合格混合料进行运输、滩涂、碾压和边部整形；

步骤五、采用静压法成型试件，将成型好的试件按照规定的条件下养生7天，并进行7天浸水无侧限抗压强度试验，计算试验结果的平均值和偏差系数。

9.根据权利要求8所述的水泥稳定碎石基层制备方法，其特征在于，所述步骤一中，水泥高温作业时入罐温度不高于50℃。