CN114216776B - 一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料及其设计方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料及其设计方法和应用。其包括如下步骤：(1)确定粗、细集料的级配组成；(2)分别测定粗、细集料和胶凝材料的表观相对密度ρc、ρf、ρs；(3)测定粗集料的紧装堆积密度ρ(s)c，计算间隙率VCA；(4)确定水泥用量和混合料的设计空隙Vv；(5)按照qc+qf+qs＝100和计算粗细集料的比例；(6)进行击实试验，得到最大干密度和最佳用水量；(7)根据最大干密度和最佳含水率成型试件。该方法强调主骨架的嵌挤作用，又充分利用细集料的填充与粘结作用，把嵌挤原则和填充原则有机的结合起来，保证路用性能的同时，减少了开裂现象，延长路面使用寿命，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料及其设计方法和应用
技术领域
本发明涉及道路施工技术领域，尤其涉及道路工程中一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料及其设计方法和应用。
背景技术
我国高速公路超过90％为半刚性基层沥青路面，且使用最为广泛的半刚性材料是水泥稳定碎石。这是因为半刚性材料能够提供较高的路面承载力并且造价较低。虽然半刚性基层有着上述优点，但其也有自身难以克服的缺陷：半刚性基层极易发生收缩(干缩和温缩)裂缝，从而导致沥青面层产生反射裂缝，进而雨水进入路面结构，加速路面破坏。
沥青路面裂缝中最为常见的是半刚性基层收缩开裂引起的反射裂缝。反射裂缝出现后，会给沥青路面的使用性能和耐久性带来严重后果。一方面破坏了路面结构的整体性和连续性，降低路面的平整度，影响行驶舒适性；另一方面，外界的水分通过开裂处进入路面结构，由于半刚性基层致密不透水，水分积聚在半刚性基层和面层之间，在行车动荷载作用下，产生较大的动水压力，冲刷基层，造成基层水损害，同时降低面层和基层的层间黏结状态，进而产生龟裂，坑槽等一系列病害，进而急剧降低路面的使用性能，影响沥青路面的使用寿命。
发明内容
针对水泥稳定碎石半刚性基层发生的病害进行分析，本发明提供了一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料及其设计方法和应用，一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的设计方法包括如下操作步骤：
(1)确定粗、细集料的级配组成；
(2)分别测定粗、细集料和胶凝材料的表观相对密度ρc、ρf、ρs；
(3)测定粗集料的紧装堆积密度ρ(s)c，计算间隙率VCA；
(4)确定水泥用量和混合料的设计空隙Vv；
(5)按照公式qc+qf+qs＝100和公式计算粗、细集料重量百分比，式中qc、qf、qs分别为粗、细集料和水泥的重量百分比；
(6)添加不同掺量的水进行击实试验，得到最大干密度和最佳用水量；
(7)根据最大干密度和最佳含水率成型试件；然后对成型试件进行性能测试。
进一步的，步骤(1)中的粗集料粒径为20-30mm；细集料的最大尺寸以粗集料的公称最大尺寸的0.22倍所对应的相近尺寸筛孔孔径；
进一步的，细集料的颗粒级配通过率细集料颗粒级配通过率符合公路路面基层施工技术规范；
进一步的，步骤(4)中水泥的用量为集料总重量的3％～5％，混合料的设计空隙范围为-5％～-15％；
进一步的，单粒径水泥稳定碎石按照粗、细集料、水泥和确定的最佳用水量一次拌合，静压或振动成型得到单粒径水泥稳定碎石试件。
本发明还包括，通过上述方法获得的单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料，以及混合料在道路工程中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料及其设计方法和应用，采用粗集料形成水稳稳定碎石混合料骨架，采用细集料和水泥浆体填充粗集料的空隙，既能使粗集料充分嵌挤形成骨架结构，又会使细集料和水泥浆体充分填充主骨架空隙，使混合料密实。该方法强调主骨架的充分嵌挤作用，又充分利用细集料的填充与粘结作用，把嵌挤原则和填充原则有机的结合起来，保证混合料的路用性能。其次，相比于传统的水泥稳定碎石，该方法可以降低水泥用量1％～2％和细集料的用量，进一步的降低了混合料收缩开裂现象，延长路面使用寿命，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单介绍。
图1是单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的结构组成
图中1是粗集料，2是细料水稳
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但本发明不限于以下实施例。为更好的理解该级配方法，结合工程实际，下述实施例中粗集料为20-30mm，公称最大粒径为26.5mm，细集料的最大尺寸以粗集料的公称最大尺寸的0.22倍所对应的相近尺寸筛孔孔径，经计算为4.75mm，确定细集料的粒径为0-3mm和3-5mm，粗集料的紧装堆积密度ρ(s)c为1.586，间隙率VCA为42.22％，各档集料的通过率见表1，通过率符合公路路面基层施工技术规范要求。实测20-30mm、3-5mm、0-3mm三档集料和水泥的表观相对密度分别为2.745、2.731、2.703、3.14。采用旋转压实的方法确定不同细料比例之间的最大压实密度，最终确定3-5mm和0-3mm两档料之间的比例为3:7。
表1不同集料的通过百分率
实施例1：一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料设计方法和应用
首先确定水泥用量3％(质量百分数)，设计空隙-15％，将上述数据分别代入公式qc+qf+qs＝100和公式中，得到20-30mm、3-5mm和0-3mm三档料的比例为54:14:32。添加不同重量的水进行击实试验，得到混合料的最佳含水率为4.4％，最大干密度为2.406g/cm3。按照最大干密度和最佳含水率，压实度控制为98％成型7天无侧限抗压强度试件、干燥收缩试件和温度收缩试件，分别进行力学性能试验和收缩性能试验，具体试验结果见表2。
实施例2：一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料设计方法和应用
首先确定水泥用量4％，设计空隙-10％，将上述数据分别代入公式qc+qf+qs＝100和公式中，得到20-30mm、3-5mm和0-3mm三档料的比例为57:13:30。添加不同重量的水进行击实试验，得到混合料的最佳含水率为4.6％，最大干密度为2.412g/cm3。按照最大干密度和最佳含水率，压实度控制为98％成型7天无侧限抗压强度试件、干燥收缩试件和温度收缩试件，分别进行力学性能试验和收缩性能试验，具体试验结果见表2。
实施例3：一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料设计方法和应用
首先确定水泥用量5％，设计空隙-5％，将上述数据分别代入公式qc+qf+qs＝100和公式中，得到20-30mm、3-5mm和0-3mm三档料的比例为60:12:28。添加不同重量的水进行击实试验，得到混合料的最佳含水率为4.4％，最大干密度为2.403g/cm3。按照最大干密度和最佳含水率，压实度控制为98％成型7天无侧限抗压强度试件、干燥收缩试件和温度收缩试件，分别进行力学性能试验和收缩性能试验，具体试验结果见表2。
对比例
采用公路路面基层施工技术规范中水泥稳定碎石混合料级配设计方法，确定20-30mm、10-20mm、5-10mm、3-5mm和0-3mm档料之间的比例为20:36:10：34，水泥用量4％，最佳含水率为5.0％，按照压实度控制为98％成型7天无侧限抗压强度试件、干燥收缩试件和温度收缩试件，分别进行力学性能试验和收缩性能试验，具体试验结果见表2。
表2水泥稳定碎石混合料的路用性能
从表2的试验结果看出，实施例1-3的7d无侧限抗压强度随着水泥用量的增加而增加，且均比对比例的抗压强度高，说明实施例中的混合料级配既发挥了粗集料的充分嵌挤作用又发挥了细集料的填充与粘结作用，保证了混合料的路用性能。混合料的收缩性能取决于混合料中细集料的比例、水泥用量和最佳用水量，由于实施例中细集料占比少且最佳含水率小的原因，使得实施例中各个混合料的干缩性能和温缩性能均优于对比例混合料；本发明获得的单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的结构组成如图1所示。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的设计方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
（1）确定粗、细集料的级配组成；
（2）分别测定粗、细集料和胶凝材料的表观相对密度ρc、ρf、ρs；
（3）测定粗集料的紧装堆积密度ρ(s)c，计算间隙率VCA；
（4）确定水泥用量和混合料的设计空隙Vv；
（5）按照公式 和公式/>计算粗、细集料重量百分比，式中/>分别为粗、细集料和水泥的重量百分比；
（6）添加不同掺量的水进行击实试验，得到最大干密度和最佳用水量；
（7）根据最大干密度和最佳含水率成型试件；然后对成型试件进行性能测试；
所述步骤（1）中的粗集料粒径为20-30mm；细集料的最大尺寸为粗集料的公称最大尺寸的0.22倍所对应的相近尺寸的筛孔孔径。
2.根据权利要求1所述的一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的设计方法，其特征在于，步骤（1）中细集料颗粒级配通过率符合公路路面基层施工技术规范。
3.根据权利要求2所述的一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的设计方法，其特征在于，步骤（1）中细集料为两档料时，采用旋转压实或堆积捣实方法确定两档细集料的最大压实密度。
4.根据权利要求1所述的一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的设计方法，其特征在于，步骤（4）中水泥的用量为集料重量的3%~5%，混合料的设计空隙范围为-5%~-15%。
5.根据权利要求1所述的一种单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料的设计方法，其特征在于：所述的单粒径水泥稳定碎石按照粗、细集料、水泥和水的比例一次拌合，静压或振动成型得到单粒径水泥稳定碎石试件。
6.如权利要求1-5任一项所述设计方法获得的单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料。
7.如权利要求1-5任一项所述设计方法获得的单粒径水泥稳定碎石抗裂型混合料在道路工程中的应用。
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