CN108656342B - 一种水泥稳定碎石混合料加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥稳定碎石混合料加工方法，属于道路工程领域。所述水泥稳定碎石混合料加工方法，包括：步骤1：通过水泥稳定碎石配合比设计，确定水泥稳定碎石的最大干密度、最佳含水量、水泥用量、粗集料及细集料的用量；步骤2：按照设计的最佳含水量及水泥用量，制备水泥浆；步骤3：将水泥浆与粗集料搅拌混合；步骤4：向步骤3得到的混合浆料中加入细集料，搅拌均匀，即得。本发明制备的水泥稳定碎石具有强度高、抗裂性强、耐久、经济、环保的特点，具有很好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程领域，特别是指一种水泥稳定碎石混合料加工方法。
背景技术
半刚性基层沥青路面是我国高等级公路主要路面结构形式，半刚性基层中几乎全部为水泥稳定碎石材料。水泥稳定碎石基层的耐久性及裂缝问题是公路建设及道路养护领域的世界性难题，裂缝会缩短道路的使用寿命，危害交通安全。
目前，国内外对水泥稳定碎石的研究主要集中在混合料的级配、性能及水泥稳定碎石成型方式等方面，技术方法已比较完善，但对生产过程这个中间环节重视和研究不够，致使水泥稳定碎石自身的结构和力学性能的巨大潜力都无法发挥，水泥无法充分水化造成材料浪费。如中国专利(201310658765.X)公开了一种工业废碱渣水泥稳定碎石结构层及其施工方法，该结构的重量份配比为集料100份、水10-4份、水泥1-10份、碱渣10-1份，该专利中采用将集料、水、水泥及碱渣一起混合制备水泥稳定碎石。该方法存在混合料拌合不均匀，离析现象严重的缺陷，影响水泥稳定碎石基层的耐久抗裂性能与寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种质量均匀稳定，可以减少水泥稳定碎石基层的裂缝，节省水泥材料，提高水泥稳定碎石基层的耐久抗裂性能与寿命的水泥稳定碎石混合料加工方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，提供一种水泥稳定碎石混合料加工方法，包括：
步骤1：通过水泥稳定碎石配合比设计，确定水泥稳定碎石的最大干密度、最佳含水量、水泥用量、粗集料及细集料的用量；
步骤2：按照设计的最佳含水量及水泥用量，制备水泥浆；
步骤3：将水泥浆与粗集料搅拌混合；
步骤4：向步骤3得到的混合浆料中加入细集料，搅拌均匀，即得。
本发明均采用水筛法对原材料进行筛分，并对原材料各项密度指标进行测试。通过对原材料基本性能的分析，按照嵌挤骨架密实的原则进行级配优化设计，级配设计过程综合考虑了混合料的强度、抗裂、抗冲刷等性能以及施工过程中的和易、摊铺、压实、离析等因素进行级配选择。在级配设计的基础上，用设计的级配及其相应的配比，按照规范要求进行击实试验确定不同水泥剂量的最大干密度和最佳含水量。
进一步的，水泥浆的制备方法为通过设计的最佳含水量及水泥用量的数值分别计算出水和水泥的质量；将水加入到容器中，边搅拌边加入水泥，搅拌均匀，即得水泥浆。
进一步的，水泥用量为水泥质量与粗集料及细集料质量总和的比值；所述水泥用量的比例范围为4％-7％。
本发明中粗细集料的胶结方式为加入液态水泥浆，将水泥浆的加入到粗细混合料中，克服了现有技术中水泥易结团，造成局部水分不足，水泥无法充分发生水化反应的问题，节省了水泥材料。
进一步的，所述粗集料及细集料通过级配设计确定用量，所述级配设计范围为：标准筛孔31.5mm通过率范围为100％；标准筛孔26.5mm通过率范围为89-100％；标准筛孔19mm通过率范围为75～85％；标准筛孔16mm通过率范围为70-80％；标准筛孔13.2mm通过率范围为57-68％；标准筛孔9.5mm通过率范围为40～52％；标准筛孔4.75mm通过率范围为27～37％；标准筛孔2.36mm通过率范围为17～27％；标准筛孔1.18mm通过率范围为10-17％；标准筛孔0.6mm通过率范围为7～15％；标准筛孔0.3mm通过率范围为5-8％；标准筛孔0.15mm通过率范围为3-6％；标准筛孔0.075mm通过率范围为1～4％。
进一步的，所述步骤1中，粗集料为粒径范围20mm-30mm、10mm-20mm、5mm-10mm石灰岩的混合料；细集料为粒径0.1-5mm的石灰岩。
进一步的，所述步骤1中，粗集料中20mm-30mm、10mm-20mm、5mm-10mm石灰岩的比例含量分别为15％-18％、25％-30％、20％-25％；细集料补足至100％。
进一步的，所述步骤1中，水泥稳定碎石的最大干密度的范围为2％-3％；最佳含水量的范围为4％-7％。
进一步的，所述步骤3中，搅拌时间为10s-1min；优选的，混合粗集料的机械搅拌时间不小于10s，手动搅拌时间不小于30s。
进一步的，所述步骤4中，搅拌时间为10s-1min；细集料加入到混合粗集料后，机械拌合时间不小于10s，手动拌合时间不小于30s。
本发明具有以下有益效果：
1、该方法水泥浆呈液体流动态，在同集料拌合时，易于均匀分散，克服了现有技术中集料表面无法充分裹覆水泥，混合料出现“露白”现象的问题，使混合料易于拌合，可有效减少混合料的离析，使混合料更均匀，质量更稳定；
2、该方法克服了现有技术中，细集料由于比表面积大造成的过度吸附水泥的问题，使得水泥与粗集料形成的骨架结构更加稳定，水泥稳定碎石混合料具有更高的抗压强度；
3、该方法加工的水泥稳定碎石混合料水泥用量相对较少，混合料体系更加均一，可有效减少水泥稳定碎石混合料的收缩性，减少由于混合料离析等造成的应力集中点，从而有效减少水泥稳定碎石基层裂缝的出现。
附图说明
图1为本发明的水泥稳定碎石混合料加工方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有技术中水泥无法充分水化造成材料浪费；混合料拌合不均匀，离析现象严重，影响水泥稳定碎石基层的耐久抗裂性能与寿命的问题，提供一种水泥稳定碎石混合料加工方法。
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均视为本发明的保护范围。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未有特殊说明，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
在水泥稳定碎石配合比设计时，采用本发明的方法加工水泥稳定碎石混合料。
原材料：水泥为普通硅酸盐水泥(P·O)；粗集料为粒径范围20-30mm、10-20mm、5-10mm石灰岩；细集料为粒径0.1-5mm石灰岩；水为自来水；材料设计强度R为5MPa。
配合比设计：根据筛分结果通过试算法组配混合石料，经计算混合石料级配满足设计要求，确定各档集料的添加比例，如下表所示：
表1集料配比设计结果
| 粗细集料(mm) | 石灰岩20-30 | 石灰岩10-20 | 石灰岩5-10 | 石灰岩0.1-5 |
| 百分比(％) | 15 | 28 | 25 | 32 |
表2合成级配表
在级配设计的基础上，用设计的合成级配及其相应的配比，按照规范要求进行重型击实试验确定不同水泥剂量的最大干密度和最佳含水量。
水泥稳定级配碎石路面基层，设计要求7d无侧限饱水抗压强度不小于4.0MPa，根据经验，水泥剂量按4％、5％、6％、7％四种比例配制混合料，即水泥：粗细集料碎石分别为4:100、5:100、6:100、7:100。对四种不同水泥剂量的混合料做重型击实试验，确定出最大干密度和最佳含水量。
采用本发明的加工方法制备水泥稳定碎石混合料，包括：
步骤1：通过水泥稳定碎石级配比设计，确定粗集料及细集料的用量，
步骤2：在分别按预设含水量和水泥剂量制作水泥浆，制作水泥浆时先将预设质量的水加入容器中，边搅拌边缓慢加入设定质量的水泥粉，搅拌成均匀液体；
步骤3：根据级配设计结果，在容器中加入占集料总质量比例分别为15％、28％、25％的粒径为20-30mm、10-20mm、5-10mm粗集料，手动拌合均匀，时间不小于30s；
步骤4：向步骤3得到的混合浆料中加入32％的细集料，搅拌均匀，即得。
步骤5：进行重型击实实验确定水泥稳定碎石混合料在不同水泥剂量时的最大干密度、最佳含水量。
表3混合料重型击实试验结果
| 水泥剂量(％) | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 最佳含水量(％) | 5.0 | 5.3 | 5.5 | 5.8 |
| 最大干密度(％) | 2.433 | 2.439 | 2.543 | 2.547 |
根据表3重型击实试验的结果，按本发明方法加工水泥稳定碎石混合料，按规范规定的静压成型方法制作Φ150mm×150mm的圆柱体试件，每种水泥剂量按13个试件配制，工地压实度按98％控制，试件经6d标准养生1d浸水，按规定方法测得7d饱水无侧限抗压强度结果如下：
表4抗压强度实验结果汇总表
对比例1
该对比例中采用传统加工方法加工混合料，即将水泥粉、粗集料、细集料均匀混合，加入预定的水，搅拌混合均匀即得，本对比例中组分成分及含量与实施例1完全相同，进行混合料重型击实试验，结果如下表所示。
表5混合料重型击实试验结果
| 水泥剂量(％) | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 最佳含水量(％) | 5.9 | 6.0 | 6.2 | 6.4 |
| 最大干密度(％) | 2.325 | 2.331 | 2.335 | 2.342 |
根据表5重型击实实验的结果，按传统方法加工水泥稳定碎石混合料，采用静压成型的方法制备Φ150mm×150mm的圆柱体试件，每种水泥剂量按13个试件配制，工地压实度按98％控制，试件经6d标准养生1d浸水，按规定方法测得7d饱水无侧限抗压强度结果如下：
表6抗压强度实验结果汇总表
与对比例1相比，在同等水泥计量条件下，本发明实施例1制备的水泥稳定碎石混合料的最佳含水量数值更低，最大干密度更大，显著提高了水泥稳定碎石混合料的性能。在进行无侧限抗压强度确定最佳水泥用量时，本发明制备的水泥稳定碎石混合料在水泥剂量为5％时，即可满足公式R≥Rd/(1-Za*CV)，显著降低了水泥用量。
对比例2
水泥稳定碎石混合料的制备方法，包括：
步骤1：通过水泥稳定碎石级配比设计，确定粗集料及细集料的用量，
步骤2：根据级配设计结果，在容器中加入15％、28％、25％、32％的粒径为20-30mm、10-20mm、5-10mm、0.1-5mm的粗、细集料，手动拌合均匀，时间不小于30s；
步骤3：在分别按预设含水量和水泥剂量制作水泥浆，制作水泥浆时先将预设质量的水加入容器中，边搅拌边缓慢加入设定质量的水泥粉，搅拌成均匀液体；
步骤4：将步骤2制备的粗、细混合集料与步骤3制备的水泥浆混合均匀，即得。
对该对比例制备出的水泥稳定碎石混合料，进行混合料重型击实试验，结果如下表所示。
表7混合料重型击实试验结果
| 水泥剂量(％) | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 最佳含水量(％) | 5.3 | 5.5 | 5.7 | 6.0 |
| 最大干密度(％) | 2.381 | 2.384 | 2.389 | 2.393 |
根据表7重型击实实验的结果，按传统方法加工水泥稳定碎石混合料，采用静压成型的方法制备Φ150mm×150mm的圆柱体试件，每种水泥剂量按13个试件配制，工地压实度按98％控制，试件经6d标准养生1d浸水，按规定方法测得7d饱水无侧限抗压强度结果如下：
表8抗压强度实验结果汇总表
与对比例2相比，在各组分成分及含量相同条件下，采用本发明实施例1中，加入水泥浆的方法制备的水泥稳定碎石混合料的最佳含水量数值更低，最大干密度更大，显著提高了水泥稳定碎石混合料的性能。在进行无侧限抗压强度确定最佳水泥用量时，本对比例2制备的水泥稳定碎石混合料强度有所提高，可一定程度上降低水泥用量。
对比例3
该对比例中加工水泥稳定碎石混合料时，按照设计用量先将水泥粉、粗集料及水均匀拌合后制作混合浆料，将确定用量的细集料加入到混合浆料中，搅拌混合均匀制得，本对比例中组分成分及含量与实施例1完全相同。进行混合料重型击实试验，结果如下表所示。
表9混合料重型击实试验结果
| 水泥剂量(％) | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 最佳含水量(％) | 5.1 | 5.4 | 5.8 | 5.9 |
| 最大干密度(％) | 2.392 | 2.395 | 2.401 | 2.405 |
根据表9重型击实实验的结果，按传统方法加工水泥稳定碎石混合料，采用静压成型的方法制备Φ150mm×150mm的圆柱体试件，每种水泥剂量按13个试件配制，工地压实度按98％控制，试件经6d标准养生1d浸水，按规定方法测得7d饱水无侧限抗压强度结果如下：
表10抗压强度实验结果汇总表
与该对比例相比，在各组分成分及含量相同条件下，本发明的实施例1制备的水泥稳定碎石混合料，强度标准差及强度标准差系数更小，显著提高了混合料的均匀性。在进行无侧限抗压强度确定最佳水泥用量时，该对比例制备的水泥稳定碎石混合料强度有所提高，可一定程度上降低水泥用量。
对比例4
该对比例中采用比权利要求级配范围以外的集料级配进行配合比设计，采用下表所示的比例进行配合比设计时：
表11集料配比设计结果
| 粗细集料(mm) | 石灰岩20-30 | 石灰岩10-20 | 石灰岩5-10 | 石灰岩0.1-5 |
| 百分比(％) | 0 | 28 | 25 | 47 |
表12合成级配表
进行混合料设计时，采用本发明的加工方法，重型击实试验结果如下表所示：
表13抗压强度实验结果汇总表
对比例5
该对比例中采用权利要求级配范围以外的集料级配进行配合比设计，采用下表所示的比例进行配合比设计时：
表14集料配比设计结果
| 粗细集料(mm) | 石灰岩20-30 | 石灰岩10-20 | 石灰岩5-10 | 石灰岩0.1-5 |
| 百分比(％) | 47 | 28 | 25 | 0 |
表15合成级配表
进行混合料设计时，采用本发明的加工方法，重型击实试验结果如下表所示：
表16抗压强度实验结果汇总表
实施例2
采用确定的配合比、含水量及水泥用量，采用本发明的方法制备水泥稳定碎石混合料，进行强度试验。通过静压成型试件，测试其无侧限抗压强度。水泥稳定碎石混合料的目标配合比如下：
表17集料配比设计结果
| 粗细集料(mm) | 石灰岩20-30 | 石灰岩10-20 | 石灰岩5-10 | 石灰岩0-5 |
| 百分比(％) | 15 | 28 | 25 | 32 |
表18合成级配表
| 筛孔 | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率 | 100.0 | 98.7 | 82.2 | 76.1 | 63 | 50 | 30.3 | 21.0 | 12.8 | 10 | 5.6 | 4.8 | 3.8 |
表19设计水泥剂量、含水量及体积指标
| 水泥种类 | 水泥剂量(％) | 最佳含水量(％) | 最大干密度(g/cm3) |
| 普通硅酸盐水泥 | 5 | 5.3 | 2.439 |
采用本发明的加工方法制备水泥稳定碎石混合料，进行无侧限抗压强度试验包括：
步骤1：制作水泥浆，先将质量占集料和水泥总质量4.4％的水加入容器中，边搅拌边缓慢加入质量占集料总质量4.5％的水泥，搅拌成均匀液体；
步骤2：根据级配设计结果，在容器中加入占集料总质量比例分别为18％、30％、20％的粒径为20-30mm、10-20mm、5-10mm粗集料，手动拌合均匀，时间不小于30s；
步骤4：向步骤3得到的混合浆料中加入32％细集料，搅拌均匀，即得。
步骤5：混合料静压成型为13个Φ150mm×150mm的圆柱体试件，进行无侧限抗压强度试验。工地压实度按98％控制，试件经6d标准养生1d浸水，按规定方法测得7d饱水无侧限抗压强度结果如下表所示：
对比例6
本对比例中组分成分及含量与实施例2完全相同，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)》的规定制作13组Φ150mm×150mm的圆柱体试件，工地压实度按98％控制，试件经6d标准养生1d浸水，按规定方法测得7d饱水无侧限抗压强度结果如下：
按照确定的目标配合比，与对比例6相比，在同等水泥计量条件下，本发明实施例2制备的水泥稳定碎石混合料的强度更高，多组试验结果的偏差系数更小，显著提高了混合料的均匀性及强度性能。
综上，本发明提供的水泥稳定碎石混合料加工方法，现有技术中集料表面无法充分裹覆水泥，混合料出现“露白”现象的问题，使混合料易于拌合，可有效减少混合料的离析，使混合料更均匀，质量更稳定；进一步的，克服了现有技术中，细集料由于比表面积大造成的过度吸附水泥的问题，使得水泥与粗集料形成的骨架结构更加稳定，水泥稳定碎石混合料具有更高的抗压强度；再者，该方法加工的水泥稳定碎石混合料水泥用量相对较少，混合料体系更加均一，可有效减少水泥稳定碎石混合料的收缩性，减少由于混合料离析等造成的应力集中点，从而有效减少水泥稳定碎石基层裂缝的出现。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种水泥稳定碎石混合料加工方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过水泥稳定碎石配合比设计，确定水泥稳定碎石的最大干密度、最佳含水量、水泥用量、粗集料及细集料的用量；
步骤2：按照设计的最佳含水量及水泥用量，制备水泥浆；
步骤3：将水泥浆与粗集料搅拌混合；
步骤4：向步骤3得到的混合浆料中加入细集料，搅拌均匀，即得；
所述粗集料及细集料通过级配设计确定用量，所述级配设计范围为：标准筛孔31.5mm通过率范围为100％；标准筛孔26.5mm通过率范围为89-100％；标准筛孔19mm通过率范围为75～85％；标准筛孔16mm通过率范围为70-80％；标准筛孔13.2mm通过率范围为57-68％；标准筛孔9.5mm通过率范围为40～52％；标准筛孔4.75mm通过率范围为27～37％；标准筛孔2.36mm通过率范围为17～27％；标准筛孔1.18mm通过率范围为10-17％；标准筛孔0.6mm通过率范围为7～15％；标准筛孔0.3mm通过率范围为5-8％；标准筛孔0.15mm通过率范围为3-6％；标准筛孔0.075mm通过率范围为1～4％；
所述步骤1中，粗集料为粒径范围20mm-30mm、10mm-20mm、5mm-10mm石灰岩的混合料；细集料为粒径0.1-5mm的石灰岩；
粗集料中20mm-30mm、10mm-20mm、5mm-10mm石灰岩的比例含量分别为15％-18％、25％-30％、20％-25％；细集料补足至100％；
所述步骤1中，水泥用量为水泥质量与粗集料及细集料质量总和的比值；所述水泥用量的比例范围为4％-7％；
水泥稳定碎石的最大干密度的范围为2％-3％；最佳含水量的范围为4％-7％。
2.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料加工方法，其特征在于所述步骤2中，水泥浆的制备方法为通过设计的最佳含水量及水泥用量的数值分别计算出水和水泥的质量；将水加入到容器中，边搅拌边加入水泥，搅拌均匀，即得水泥浆。
3.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料加工方法，其特征在于，所述步骤3中，搅拌时间为10s-1min。
4.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料加工方法，其特征在于，所述步骤4中，搅拌时间为10s-1min。
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