毕业设计报告（论文）

课题名称  基于振动成型法的抗裂型水稳碎石

设计与施工探讨                

专    业  土木工程（道路与桥梁工程）    

学    号        5320021109153051         

学生姓名             吴旻               

指导教师（校内）        杨若冲          

指导教师（校外）        丁武洋          

起讫日期          2011.7~2011.11         

设计地点        江苏 南京               

摘 要

基于振动成型法的抗裂型水稳碎石是一种以连续级配粗集料形成相互嵌挤骨架，用水泥及细料填充骨架空隙而形成的骨架嵌挤密实结构无机结合料。通过试验分析了不同水泥剂量及4.75mm通过率对抗裂水泥稳定碎石强度的影响，并得到了4.75mm通过率及水泥剂量取值范围。依托某省道新建工程，研究探讨了基于振动成型法的抗裂型水稳碎石配合比优化设计方法，并对抗裂型水泥稳定碎石现场施工关键环节进行了探讨。

关键词：抗裂型水泥稳定碎石 振动成型法 混合料设计 施工工艺

Abstract

The anti-crack cement stabilized crushed stone based on vibratory compaction is a inorganic binder which have dense skeleton，which including embedded skeleton composed of continuous gradation coarse aggregate and filled with cement and fine material.The affect of different cement dosage and pass ratio through 4.75mm sieve on strength of the anti-crack cement stabilized crushed stone is analyzed through test,and the range of cement dosage and pass ratio through 4.75mm sieve has been obtained.The optimization for mixture of the anti-crack cement stabilized crushed stone based on vibratory compaction has been studied, and the key part of the construction are discussed.

Key words：anti-crack cement stabilized crushed stone, vibratory compaction, mixture design, construction technology

第一章  概述

1.1  背景

目前，我国高等级公路建设中普遍采用水泥稳定类的半刚性基层。半刚性材料之所以普遍地作为道路基层使用，主要有以下几个原因：

首先，车辆轴载增加和交通量的增大对路面的承载能力要求越来越高，以水硬性无机结合料处治粒料形成的半刚性材料能适应现代交通对道路基层的要求。其次，虽然早期采用优质的级配碎石和级配砾石作为道路基层性能良好，但是，随着建筑业对原材料的需求，优质石料的来源日益减少。采用水硬性无机结合料处治各类材料时，可以使用原先不能使用的质量较差的石料，甚至可以就地取材。这样就可以避免大量远运优质石料。再者，半刚性基层材料与以前使用的道路基层材料相比有着更大的灵活性和适应性，例如：用水泥稳定碎石半刚性基层材料，随着水泥剂量的变化，其七天的无侧限抗压强度可以在1 MPa～6MPa的范围内。

我国自开始修建半刚性基层沥青路面以来，经过大量的科学研究和工程实践，解决了很多关键问题。虽然半刚性基层材料具有明显的优点和广阔的使用前景，但是在道路的实际使用过程中还是出现了不少问题，主要是水损害和裂缝。在交通荷载和环境的双重作用下，这种结构形式的路基和路面都出现了不同程度的收缩和开裂。并且干缩和温缩共同作用所生成的基层裂缝还反射到路面，破坏路面整体结构。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱（如裂缝处弯沉增大，路面回弹模量降低等）。无论是沥青路面还是水泥路面在路面面层出现裂缝后，表面水都不可避免地通过面层上的各种缝隙进入道路结构层中。而且由于蒸发困难，进入结构层的水分往往难以及时的排出，这些停留在面层与基层之间的水分使得基层局部变得潮湿以至于接近饱和。这样在大量行车荷载反复作用下会导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。

虽然经过从“七五”开始至今的长期研究工作，人们对道路面层的裂缝机理有了深入的认识。但是至今，仍然没有找到有效的方法阻止路面裂缝的产生。为了使道路能够达到其设计使用寿命并在使用寿命中为车辆提供良好的服务，通常所能做的只有尽量的减少或延迟路面的开裂。但在裂缝出现之后，路面各结构层在水分的浸入下仍然可能进一步遭受破坏。

面对这种情况，很多研究机构开展了对贫混凝土基层和沥青稳定碎石基层等的研究，以期采用新的基层材料和结构来根本解决裂缝问题，真正提高路用性能。姑且不论这些新型材料在实际推广中会遇到哪些新问题，这些材料必定会大大增加修筑成本。在当前高速公路、地方公路等各级公路大规模建设的背景下，道路修筑成本是一个无法回避的问题。高等级道路的水泥稳定类材料，能够很好的适应当前的交通条件、自然条件和经济条件，是一种比较合适的选择。因此系统研究水泥稳定碎石基层材料的力学特性和收缩特性，掌握其力学强度和缩裂规律，提出科学有效的防治措施，可以进一步改善其不足，对我国的公路建设事业具有重要意义。

1.2  内容及意义

传统的水泥稳定碎石基层具有强度高，干、温缩裂缝严重的特点，这也是导致沥青路面发生反射裂缝的主要原因。因此怎样设计水泥稳定碎石混合料，使之既满足路面结构的强度要求，又能尽量少的出现干、温缩裂缝，从而抑制发展到沥青面层的反射裂缝就成为道路工作者必须认真研究的课题。本项目将结合宁靖盐高速公路盐城北段的地质状况以及当地水泥稳定碎石基层所采用的特定材料，优化水泥稳定碎石级配范围、采用振动成型方法进行水泥稳定碎石混合料设计和施工应用。针对抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层的研究主要从以下几个方面展开。

1．国内外应用现状调查

对国内外水泥稳定类材料的应用状况进行全面调查，了解各方面的研究成果与经验并跟踪最新研究进展，掌握各种抗裂措施的原理及适用性，为本项目的开展奠定基础，确定研究思路和方向。

2．抗裂嵌挤型水泥稳定碎石设计方法探讨

与传统设计方法相比较，抗裂嵌挤水泥稳定碎石的配合比设计不仅仅是采用振动成型即能得到，而是进行一系列设计优化，达到强度性能与抗裂性能的最佳设计。本研究拟优化的方面包括：成型方式（振动成型）、集料类型、级配范围、水泥种类、水泥剂量、无侧限抗压强度要求等等。

水泥稳定碎石基层的收缩开裂与所用的集料级配、水泥、用水量都有关，本项目将分别研究不同集料级配、不同水泥用量以及用水量条件下的水泥稳定碎石的收缩应变，着重考察了材料的收缩性能及抗裂评价指标。

降低水泥稳定碎石基层材料本身的收缩是控制反射裂缝的重要措施。减小水泥稳定碎石干燥收缩措施主要有选用合适类型和数量的水泥，选用含泥量小、吸水率小的集料和采用合理的混合料级配，此外还可以通过改进振动压实工艺，增加振动压实设备等来提高水泥稳定碎石基层的压实度和抗裂性能。

本项目将通过以上试验研究，形成采用振动成型方法的抗裂水泥稳定碎石混合料配合比设计方法。

3．抗裂嵌挤型水泥稳定碎石施工工艺的研究

施工工艺对于水泥稳定碎石的强度形成和干、温缩特性有较大的影响。通过现场施工，研究合适的抗裂型水泥稳定碎石施工工艺，并编写相应的施工技术指南。

第二章  国内外水泥稳定碎石基层抗裂研究调研

2.1  国外水泥稳定碎石基层调研

在国外，应用半刚性基层最为广泛的地区是南非和法国。

●国外收缩规律研究现状

美国的George、澳大利亚的R.E.洛林斯等认为，水泥稳定土干缩与下述因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定土的类别、粒料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指数、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、室内试件含水量和龄期等。

●国外防裂措施研究现状

为减少水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，澳大利亚的水泥用量一般在3%以内，日本水泥稳定碎石基层混合料水泥用量一般仅为2%左右；德国冬季寒冷，水泥用量也较低，一般控制在2%～3%左右；南非是应用水泥稳定碎石基层较多的国家，其水泥用量也在较低的水平。

2.2  国内水泥稳定碎石基层情况调研

在我国已建成的高速公路路面，90%以上是半刚性基层沥青路面，在今后的国道主干线建设中，半刚性基层沥青路面仍将是主要的路面结构形式。在这期间公路工作者针对水泥稳定碎石特定的材料特性，在抑制反射裂缝等方面进行了大量的科研和实践性的工作，积累了许多宝贵的经验。

●国内收缩规律研究现状

半刚性基层材料的收缩类型主要有干燥收缩和温度收缩。干燥收缩就是半刚性材料内部水分损失导致材料的体积收缩现象；温度收缩是材料在较大温差和温差反复作用下产生的体积收缩现象。水泥稳定类材料的干缩性能（包括最大干缩应变和平均干缩系数）的大小与水泥含量、被稳定材料的类别、粒料含量、直径小于0.5mm的细颗粒含量、试件含水量以及龄期都有关系。减少干燥收缩应变的措施有：用塑性指数较低的土、掺加一定的集料和降低含水量等。

关于温度收缩，在国内，张洪华等用不同剂量（3%～7%）水泥稳定同一种河滩砂砾，进行其温缩特性的对比试验，结果表明，对于不同的温度，随着水泥剂量的增加温缩系数呈波浪性，存在着波峰和波谷。5%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最小，4%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最大。

同济大学丛林和郭忠印分别采用4.5%、5.0%、5.5%的水泥剂量制作试件进行干缩系数的测定，试验结果表明，水泥稳定碎石基层的干缩系数受水泥剂量的影响比较大，温缩系数在较低温度下影响不大，随着温度的升高，温缩系数的变化稍微加大，但干缩系数的影响远远大于温度收缩系数。西安公路研究所在研究水泥砂砾的干缩性时，采用了不同剂量的水泥，以了解水泥剂量对混合料干缩性的影响，结果表明，随着水泥剂量的增大，水泥砂砾的最大干缩应变和平均干缩系数先逐渐减小，在水泥剂量5%左右达到最小，之后随着水泥剂量增大，其干缩应变和干缩系数逐渐增大。

长安大学李美江通过使用自行研制加工的振动成型压实机在室内对水泥稳定碎石进行振动压实试验，得出了各振动参数水泥稳定碎石振动压实效果的影响规律，及最佳压实效果相应的振动压实条件。主要结论如下：

1、水泥稳定碎石有非常明显的振动压实过程，从微振到回弹跳起，然后在较高含水量时过渡到微振，在较低含水量时过渡到间歇性的跳起振动。

2、含水量对水泥稳定碎石的振动压实效果影响较大。水泥稳定碎石振动压实的最佳含水量略小于其重型击实的最佳含水量。对于级配良好的粒料结构易于振动压实能够达到良好的振动压实效果，同时含水量对压实效果的影响比较敏感，可以在略小于重型击实的最佳含水量条件下振动并达到较好的压实效果。而对于含有较多细料的道路材料，振动压实时也能达到相对较好的振动压实效果，振动压实的含水量对压实结果的影响不太敏感，在略大于重型击实的含水量时能够得到较好的振动压实效果。

3、水泥稳定碎石只要达到回弹跳起的振动状态，静面压力和激振力对振动压实效果的影响作用都不是很明显。

4、对级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石，静面压力、激振力等振动参数对达到标准振实状态所需的振动时间影响很大。对级配良好的筑路材料应该考虑静面压力、激振力和振动时间对压实效果影响的综合作用，选取合适的振动压实参数。

5、水泥稳定碎石的响应频率在35Hz左右。

6、水泥稳定碎石的最佳振幅1.3mm~1.7mm之间。

7、对不同的被压材料，能够达到稳定状态的静面压力、激振力范围基本差不多，但合适的振动频率和振幅是随材料本身的物理性质而变化的。

8、振动压实对材料压实度的提高并不是很大，但对强度的提高起着不可估量的作用。采用良好的级配并配合合适的压实方式能够提高材料的力学性能。

天津市政工程研究院于2005年进行了半刚性基层抗裂技术的系统研究，得到的主要结论如下：

1、水泥稳定碎石混合料抗裂方法评价

①劈裂模型可以简单而有效模拟半刚性材料的被拉伸状态。

②评价水泥稳定碎石混合料抗裂性能的主要指标有干缩系数和温缩系数、干缩抗裂系数和温缩抗裂系数、温缩能抗裂系数、干缩能抗裂系数，而干缩抗裂系数（采用应力与应变的乘积，实际只用应变就够了）为最优。

③建议采用一年最不利季节进行温度和干燥收缩综合分析裂缝宽度。

2、静压法优化结果

①0.075mm通过率与短期强度相关性不大，与长龄期无侧限抗压强度有较好的相关关系。

②0.075mm通过率越高，最大干缩应变越大，并且具有统计显性。

③水泥剂量增加，最佳含水量增加，最大干密度增加，强度增加。

④级配越粗，最佳含水量越小，最大干密度越大。

⑤在静压条件下，级配对抗压强度影响不明显。

⑥水泥剂量增加，水泥稳定碎石混合料干缩应变及干缩系数增大，粗级配干缩应变、干缩系数小于细级配。

3、振动法优化结果

①水泥剂量增加，最大含水量增加；细级配最佳含水量大。

②粗集料含水量多的级配振动条件下干密度大于粗集料相对少的干密度。

③水泥剂量相同，级配粗的混合料强度大。

④振动条件下，粗级配干缩应变、干缩系数小于细级配。

4、成型方式对水泥稳定碎石路用性能的影响

①振动成型的水泥稳定碎石混合料最大干密度大，粗集料多的水泥稳定碎石更适合于振动成型。

②振动成型试件较静压试件有很大提高，粗级配提高更多，振动成型变异系数小，材料分布均匀。

③静压法试件吸水率高，振动成型试件吸水率低，说明振动成型更密实。

④振动成型强度提高多，模量提高很小。

⑤相同失水率下两种级配振动成型试件干缩应变及干缩系数均小于静压成型。

⑥振动成型条件下，粗级配抗裂性能最佳。

●国内防裂措施研究现状

1、结合料种类

对于水泥稳定类砂砾材料，就收缩性能而言，存在着一个最佳水泥范围。一般认为水泥剂量超过6%时，会导致干缩和温缩系数大幅度增长。很多研究试验表明，当水泥剂量在3%～6%时，其收缩性能没有明显的差异。

对于半刚性材料，应提倡综合稳定，用粉煤灰代替部分水泥，可以抑制材料体积的部分收缩。

2、集料级配及含量

对于集料级配问题，在水泥稳定碎石和二灰稳定碎石材料中研究得比较多，而对于水泥稳定类砂砾材料，研究相对较少。

同济大学林绣贤教授基于80年代实践经验提出如下观点：针对石灰粉煤灰或水泥石灰粉煤灰稳定碎石类，其材料组成可采用填充理论，同时还需解决石灰粉煤灰的合理比例。他认为：首先，集料的最大粒径D以不大于结构层厚度之一半为原则。其次，此类结构中既要充分发挥无机结合料的稳定作用，又要使填充料有充分压实的机会，因此集料刚好靠拢。密实的无机结合料稳定材料填充于骨架空隙中。骨料太多，无机结合料填充料不能充分压实，总容重虽大，但强度不能发挥；骨料太少，则骨料悬浮于无机结合料稳定材料中，骨料不起作用，性质仍与无机结合料稳定类接近，刚度大、干温缩大、易于开裂。因此骨料的合理含量要根据实际材料计算，骨料空隙部分即为密实的结合料含量。关于石灰与粉煤灰比例，以1：3～1：4为最好，但石灰在混合料中含量也不得低于5%。

随着重型振动压路机在道路施工中的应用，哈尔滨工业大学王哲人教授提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。他认为以前的二灰碎石结构模型概括为“松排骨架，紧密填充”，而当时基层施工都是采用静态碾压，在室内一律采用击实或加压成型。因而在二灰碎石中集料的用量，在一实方混合料中最多为一松方，压实后的混合料，集料刚刚靠拢而不密实，作用不是很明显。

周晓龙等也提出目前在基层施工过程中普遍采用重型振动压路机，因而二灰碎石的组成符合紧密嵌挤骨架密实结构，突破松排骨架中集料的用量极限，减少收缩系数以提高混合料的耐裂性，再以具有振动状态下最大干密度的结合料来填充集料间的空隙，以最少量的填隙获得最大的填隙率，得到混合料的最大密实度，从而达到混合料最好的力学性能，提高半刚性基层各方面的性能指标。

长安大学的戴经梁教授、蒋应军博士等通过大量试验得出，骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增大其抗裂系数50%左右。该种方法不会增加公路建设费用，抗裂效果显著。

第三章振动成型法原理及试验方法

3.1  抗裂型水稳碎石振动成型法原理

振动压实的基本原理是振动使被压实材料的内部产生振动冲击，其中的颗粒在振动冲击的作用下由初始的静止状态过渡到运动状态，被压实材料的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态。同时，由于材料的水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒运动提供了十分有利的条件。材料颗粒之间的非密实状态下存在许多不等的间隙，在振动冲击的作用下，材料颗粒间的相对位置变化出现了相互的填充现象，即较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充，较小颗粒的间隙由水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。材料颗粒间隙的减小，意味着密实度的增加；间隙减小使其颗粒间接触面增大，导致被压实材料内摩阻力增大，提高承载力。 

振动成型法基于上述原理采用振动压实试验进行水泥稳定碎石基层配合比设计，从材料组成比例、最大干密度及最佳含水量，以及各项性能都得到优化。振动成型法主要的特点是设计的配合比更准确地模拟了施工现场的碾压方式,在保证强度的前提下减少水泥用量和含水量，采用连续级配的材料和用大功率的震动压路机碾压，形成骨架密实结构，提高压实度，减少路面裂缝产生和离析现象，发挥了半刚性基层的优势,从而提高了路面的整体性能，同时还降低了成本。

3.2  抗裂型水稳碎石振动成型试验方法

3.2.1目的和适用范围

本试验方法适用于采用振动成型方法成型水泥稳定碎石材料用于确定最佳含水量和最大干密度，测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度、抗压回弹模量、温缩系数、干缩系数的圆柱体试件。

3.2.2仪器设备

1、振动压实成型机：静压力、激振力和频率可调。配有150mm直径的圆形压头。

2、圆柱体试模

钢模：内径152mm，高170mm，壁厚10mm；

钢模套环：内径152mm，高50mm，壁厚10mm；

桶内垫块：直径151mm，厚20mm；

钢模底板：直径300mm，厚10mm。

3、电子天平：量程15kg，感量0.1g；量程4000g，感量0.1g。

4、量筒：50ml、100ml和500ml的量筒各一个。

3.2.3材料准备

在预定做试验的前一天，取有代表性的试料测定其风干含水量，试料应不少于2000g。同时测定水泥的含水量。

按照设计的集料级配以及试件的体积计算各种集料的重量并配料，配料的份数为7个试件。

3.2.4试件制作步骤

1、调节振动成型压实机的振动参数，静面压力为140kPa；频率35Hz；振幅1.4mm。

2、取1份试料平铺于金属盘内，案事先通过压实标准试验确定的最佳含水量计算的每份试料的应加水量将水均匀地喷洒在试料上，用小铲将试料充分拌和到均匀状态。

3、将所水泥加到浸润后的试料中，并用小铲、泥刀或其他工作充分拌和到均匀状态。应在拌和1h内完成振实试验。

4、将钢模、套环以及钢模底板紧密连接，然后将其放在坚实地面上，将含和好的混合料按四分法分成四份，依次将混合料倒入桶内，一边倒一边用直径2cm左右的木棒插捣。混合料一次装完后整平其表面并稍加压紧，然后覆盖一片事先剪好的塑料纸。将钢模连同混合料放在振动压实机的钢质底板上，用螺旋将钢模底板与振动压路机底板固定在一起。

5、启动振动压实成型机，开始振动压实，2分钟后关闭振动压实成型机。

6、托住钢模底部的垫块，小心将钢模和其中的混合料一起放在比较合适的地方，静置5~6h后用脱模器将振实以后的混合料推出钢模。

7、时间脱模后立即用塑料薄膜包裹好后放入养生室中进行养生。

3.2.5注意事项

混合料的最大干密度最佳含水量的确定以2min的振动时间为准，成型混合料进行物理性能试验以控制试件的高度为准。

3.2.6计算

1、抗裂水泥稳定碎石材料湿密度计算

式中：——抗裂水泥稳定碎石材料湿密度（g/cm3）；

      m1——试筒与湿试样的合质量（g）；

      m2——试筒质量（g）；

      V——试筒容积（cm3）。

2、抗裂水泥稳定碎石材料干密度计算

式中：——抗裂水泥稳定碎石材料干密度（g/cm3）；

——抗裂水泥稳定碎石材料含水量（%）。

3.2.7结果整理

1、混合料密度计算应保留小数点后3位有效数字，含水量应保留小数点后1位有效数字。

2、应做两次平行试验，两次试验最大干密度的差不应超过0.08g/cm3，最佳含水量的差不应超过0.5%。

3.3 本章小结

1、振动成型压实是抗裂型水泥稳定碎石基层设计的前提。

2、系统提出了抗裂型水泥稳定碎石混合料振动成型试验方法。

第四章抗裂型水泥稳定碎石设计关键指标分析

4.1 抗裂型水稳碎石基层抗裂机理分析

水泥稳定材料开裂的具体影响因素主要有交通量、材料性质、气候条件、集料级配、水泥剂量、施工含水量等。其中集料级配是影响水泥稳定碎石强度、干缩和温缩稳定性、耐久性和施工性能的最主要的内部因素。

相对于悬浮密实型水稳碎石，骨架密实型水稳碎石能够更有效地抵抗干缩和温缩引起的裂缝，主要体现在以下几个方面：

（1）骨架密实结构减少了细集料含量，使得结构内部粗集料均匀且有良好的嵌挤，在骨料空隙内部的细混合料大部分致密和分散的局部不致密，存在一定的空隙和微裂缝来克服基层因温度变化产生的应力和含水量减小产生的干缩应力，使其应力不集中。悬浮结构虽然可以获得较大的密实度，但各级集料均被次级集料隔开，不能直接聚拢形成骨架，从而集料颗粒相互牵制和约束的能力小于骨架密实型级配，在收缩力作用下更容易发生微位移，干缩系数更大。

（2）骨架密实结构细集料含量少，悬浮密实结构4.75mm筛孔通过率范围为29～49%，0.075mm筛孔通过率为0～5%，骨架密实结构对应的通过率分别为22～32%和0～3%，因而骨架密实结构混合料的比表面积较悬浮密实结构要小很多，需要水泥胶浆的含量和最佳含水量均相应减少。而水泥胶浆含量和含水量又恰恰是影响水稳碎石收缩性的最主要两个因素。一般悬浮密实结构的水泥剂量为6%左右，骨架密实结构水泥剂量为3.5～4.5%。粗集料的收缩性很小，细集料和水泥胶浆组成的水泥胶浆具有很大的温度收缩性。骨架密实结构的最佳含水量一般也较悬浮密实结构少1.5～2%，含水量越多，水泥稳定碎石蒸发散失水分愈多，产生的干缩裂缝愈显著，骨架密实型水泥稳定碎石混合料的干缩系数较传统悬浮密实型水泥稳定碎石混合料低。

（3）骨架密实结构中间颗粒含量较多，不容易产生离析，能够较好地形成均匀的嵌挤板体结构，产生应力集中的可能性也大为降低。悬浮密实结构容易因离析使细集料过于集中而产生较大的温缩和干缩应变，导致产生收缩裂缝。

4.2抗裂型水稳碎石强度影响因素分析

为进一步分析各种影响因素对于水泥稳定碎石强度特性的影响，主要对不同的4.75mm筛孔通过率对强度的影响进行试验研。

水泥稳定碎石混合料4.75mm通过率对水泥稳定碎石混合料级配组成非常重要，不同4.75mm通过率就意味不同粗细组成比例，结合级配设计成果，选用不同4.75mm通过率级配进行水泥稳定碎石强度试验，以研究确定合适的4.75mm通过率。

采用表4-1和图4-1所列的三种级配，三种级配4.75mm的通过率分别是25%、30%、35%。

表4-1  不同4.75mm通过率下的水泥稳定碎石级配组成表

图4-1  不同4.75mm通过率下的水泥稳定碎石级配曲线图

4.2.1  4.75mm通过率对水泥稳定碎石强度的影响

1、无侧限抗压强度试验

将养生至规定龄期且饱水24h后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以约lmm/min的等速率增加进行抗压强度试验。

抗压强度RC按下式计算：

   式中：P—试件破坏时的最大压力(kN)；

         A——试件的截面积。

2、间接抗拉强度试验

将养生至规定龄期且饱水24h后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上，然后在试验过程中，保持使试件的形变约lmm/min的等速率增加进行间接抗拉强度（劈裂强度）试验。

间接抗拉强度R，按下式计算：

式中：P——试件破坏时的最大压力(kN)；

      H——试件高度(m)。

课题组针对4.75mm通过率分别为25%、30%以及35%的三种级配，在三种水泥剂量（3%、4%以及5%）的情况下进行振动击实试验，得到各个水泥剂量下的最大干密度和最佳含水量曲线，见图4-2、图4-3、图4-4以及表4-2。

图4-2 三种4.75mm通过率下3%水泥剂量下的最大干密度和最佳含水量曲线图

图4-3 三种4.75mm通过率下4%水泥剂量下的最大干密度和最佳含水量曲线图

图4-4 三种4.75mm通过率下5%水泥剂量下的最大干密度和最佳含水量曲线图

表4-2  水稳混合料击实试验结果汇总表

图4-5 三种水泥剂量下击实最大干密度随4.75mm通过率变化曲线图

由表4-2和图4-5可知，对于同样的级配，水泥剂量越大，最大干密度越大。相同的水泥用量下，4.75mm通过率为30%的最大干密度最大，这主要是因为在4.75mm通过率为25%时可能会导致混合料产生少量松散，而4.75mm通过率为35%时，呈现悬浮密实结构。

表4-3和图4-6~图4-8为不同水泥剂量下三种4.75mm筛孔通过率的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度的试验结果。

表4-3   水稳混合料7天振动法成型无侧限抗压强度试验结果

图4-6 3%水泥剂量下无侧限抗压强度随4.75mm通过率变化曲线图

图4-7  4%水泥剂量下无侧限抗压强度随4.75mm通过率变化曲线图

图4-8  5%水泥剂量下无侧限抗压强度随4.75mm通过率变化曲线图

由上表和图可知，无侧限抗压强度随着4.75mm通过率的增加而增加。

表4-4和图4-9~图4-11为不同水泥剂量下三种4.75mm筛孔通过率的水泥稳定碎石混合料劈裂强度的试验结果。

表4-4  水稳混合料7天振动法成型劈裂强度试验结果

图4-9  3%水泥剂量下劈裂强度随4.75mm通过率变化曲线图

图4-10  4%水泥剂量下劈裂强度随4.75mm通过率变化曲线图

图4-11  5%水泥剂量下劈裂强度随4.75mm通过率变化曲线图

由上表和图可以看出，在相同的水泥剂量下，劈裂强度随着4.75mm的通过率增加而减小。

综合水泥稳定碎石混合料干密度试验、无侧限抗压强度和劈裂强度的试验结果，4.75mm通过率为30%左右的水泥稳定碎石混合料综合性能最佳。

4.2.2 水泥剂量对水泥稳定碎石强度的影响

为了研究不同水泥剂量对水泥稳定碎石混合料强度的影响，课题组选择了三个水泥剂量，分别是3%、4%和5%，比较研究4.75mm通过率分别在25%、30%和35%的水泥稳定碎石混合料的强度性能。试验结果见图4-12~图4-15以及表4-5。

图4-12 三种水泥剂量下4.75mm通过率为25%的最大干密度和最佳含水量曲线图

图4-13 三种水泥剂量下4.75mm通过率为30%的最大干密度和最佳含水量曲线图

图4-14 三种水泥剂量下4.75mm通过率为35%的最大干密度和最佳含水量曲线图

表4-5  水稳混合料击实试验结果汇总表

图4-15 不同4.75mm通过率下击实最大干密度随水泥剂量变化曲线图

由上表和图可见，对于所研究的三种级配，水泥剂量越大，混合料的最大干密度越大。

表4-6和图4-16~图4-18为相同级配不同水泥剂量下水泥稳定碎石基层混合料无侧限抗压强度的试验结果。

表4-6  水稳混合料7天振动法成型无侧限抗压强度试验结果

图4-16  4.75mm通过率为25%下无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线图

图4-17  4.75mm通过率为30%下无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线图

图4-18  4.75mm通过率为35%下无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线图

对于所研究的三种级配，水泥稳定碎石基层混合料无侧限抗压强度随着水泥剂量的增加而增加。这和我们的认识以及以前的研究结论是一致的。从试验结果看，即便水泥剂量在3%时，振动成型的水泥稳定碎石混合料7天无侧限抗压强度仍然在6MPa以上，远高于水泥稳定碎石基层强度的要求，这就为我们在应用水泥稳定碎石基层中进一步降低水泥剂量提供了依据。

表4-7和图4-19~图4-21为相同级配不同水泥剂量下水泥稳定碎石基层劈裂强度的试验结果。

表4-7  水稳混合料7天振动法成型劈裂强度试验结果

图4-19  4.75mm通过率为25%下劈裂强度随水泥剂量变化曲线图

图4-20  4.75mm通过率为30%下劈裂强度随水泥剂量变化曲线图

图4-21  4.75mm通过率为35%下劈裂强度随水泥剂量变化曲线图

对于所研究的三种级配，和抗压强度一样，劈裂强度也随着水泥剂量的增加而增加，这和我们的认识以及以前的研究结论也是一致的。

4.3 本章小结

1、通过对击实试验、无侧限抗压强度试验、劈裂试验等试验研究，考虑到4.75mm通过率较小时，结构可能会出现松散，而4.75mm通过率过大，混合料为悬浮密实结构，抗裂性能较差。综合考虑水泥稳定碎石混合料4.75mm通过率在30%左右较为合理。

2、水泥稳定碎石混合料4.75mm通过率为30%左右时，随着温度的变化，微应变及其变化幅度都很小，表明4.75mm通过率在30%左右的水泥稳定碎石混合料抗温缩性能较好。

第五章抗裂型水泥稳定碎石配合比设计

5.1 原材料

提高集料规格质量是控制混合料合成级配波动最有效的措施，使用集料规格越单一对混合料合成级配的理想化控制就越有利，从而也能更好的与室内试验指标相匹配。本文采用集料规格为0~3mm、3mm~5mm、5mm~15mm、15mm~31.5mm，所用的水泥为P.C32.5 复合硅酸盐水泥，集料及水泥质量要求参考《江苏省高速公路沥青路面施工技术规范》，试验结果见下表。

表5-1  集料质量要求及试验结果

通过上一章节对抗裂型水泥稳定碎石4.75mm通过率及水泥剂量两项关键指标的分析结论，项目组在优化级配过程中增加粗集料含量，严格控制含水量、细集料含量，并结合《公路沥青路面设计规范》推荐的骨架密实型水泥稳定类集料的级配范围，对宿迁245省道抗裂型水泥稳碎石提出了如表3所示的级配控制范围，其中生产级配中集料类型1#:2#:3#:4#比例分别为30:31:26:13。

表5-3  抗裂型水稳混合料配合比设计级配

根据室内试验确定的最佳含水量和最大干密度，按要求压实度（98%）分别采用振动压实法和静压法成型无侧限抗压强度试件。成型的混合料试件在20℃下养护6天，浸水1天后取出，进行无侧限抗压强度试验[4]。

表5-4  7天静压成型强度试验结果

从表5-4和表5-5中可以看出，振动法成型水泥稳定碎石的7d抗压强度均为静压法成型强度的2倍以上，具备更高的抗压强度，更能适应日趋增长的交通量，同时振动成型法的变异系数明显小于静压法，试验结果相对稳定，减少了由于人为操作造成的实验误差。

第六章  抗裂型水稳碎石施工关键环节

6.1 混合料的拌合

混合料拌合时要严格控制配合比和含水量，每天开始搅拌前，应检查场内各处集料的含水量，计算当天的施工配合比，外加水与天然含水量的总和要比最佳含水量略高；每天开始搅拌之后，按规定取混合料试样检查级配和水泥剂量，随时在线检查配比、含水量是否变化。另外在混合料装车时，车辆应前后移动，分三次装料，避免混合料离析。

6.2 混合料的运输

运输车辆在每天开工前，要检验其完好情况，装料前应将车厢清洗干净。运输车辆数量一定要满足拌和出料与摊铺需要，并略有富余。并且应尽快将拌成的混合料运送到铺筑现场，车上的混合料应覆盖，减少水分损失，当车内混合料不能在水泥初凝时间内运到工地摊铺压时，必须予以废弃。

6.3 混合料的摊铺

（1）摊铺前应将底基层洒水湿润；对于下基层表面，应喷洒水泥净浆，按水泥质量计，宜不少于（1.0～1.5）kg/m2。

（2）摊铺机宜连续摊铺，如拌和机生产能力较小，应采用最低速度摊铺，禁止摊铺机停机待料，摊铺机的摊铺速度一般宜在1m/min左右；基层混合料摊铺应采用两台摊铺机梯队作业，应保证其速度一致、摊铺厚度一致、松铺系数一致、路拱坡度一致、摊铺平整度一致、振动频率一致等，两机摊铺接缝平整。

（3）在摊铺机后面应设专人消除离析现象，应该铲除局部粗集料“窝”，并用新拌混合料填补。

6.4 混合料的碾压

（1）每台摊铺机后面，应紧跟振动压路机和轮胎压路机进行碾压，一次碾压长度一般为50 m ～80 m。碾压段落必须层次分明，设置明显的分界标志，有监理旁站。

（2）碾压应遵循试铺路段确定的程序与工艺。注意稳压要充分，振压不起浪、不推移。压实时，遵循稳压（遍数适中，压实度达到90%）振动碾压→胶轮稳压的程序，压至无轮迹为止。碾压过程中，可用核子仪初查压实度，不合格时，重复再压（注意检测压实时间）。碾压完成后用灌砂法检测压实度，压实度控制所用的标准密度应采用振动击实最大干密度。

（3）压路机碾压时应重叠1/2轮宽。

（4）压路机倒车应自然停车，不许刹车；换挡要轻且平顺，不要拉动基层。在第一遍初步稳压时，倒车后应原路返回，换挡位置应在已压好的段落上，在未碾压的一头换挡倒车位置错开，要成齿状，出现个别拥包时，应进行铲平处理。

（5）压路机碾压时的行驶速度，第1-2遍为（1.5-1.7）km/h，以后各遍应为（1.8-2.2）km/h。

（6）压路机停车要错开，相隔间距不小于3m，应停在已碾压好的路段上。

（7）严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上调头和急刹车。

（8）碾压宜在水泥初凝前及试验确定的延迟时间内完成，达到要求的压实度，同时没有明显的轮迹。

（9）为保证水泥稳定碎石基层边缘压实度，应有一定的超宽；对用方木或型钢模板支撑时，也应有一定超宽。

6.5 养生

（1）每一段碾压完成以后应立即进行质量检查，并开始养生。

（2）养生方法：应将麻布或透水无纺土工布湿润，然后人工覆盖在碾压完成的基层顶面。覆盖2小时后，再用洒水车洒水，28天内正常养护。养生结束后，应将覆盖物清除干净。用洒水车洒水养生时，洒水车的喷头要用喷雾式，不得用高压式喷管，以免破坏基层结构，每天洒水次数应视气候而定，整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石层表面湿润。

第七章  结论

1、本文以245省道水泥稳定碎石基层施工为依托，探讨了基于振动成型法抗裂型水泥稳定碎石的级配设计关键指标以及施工过程中关键环节质量控制措施，实施后经现场检测，通车两年后，路面裂缝状况良好，未见因基层强度不足而导致的网裂、沉陷等病害，且各项质量指标均达到设计规范要求，达到了水泥用量较低、强度提高及抗裂能力增强的效果，有力地保证了路面功能、延长了路面使用寿命，带来了较好的经济效益和社会效益。

2、提高水泥稳定碎石基层本身的抗裂性能是减少水泥稳定碎石基层沥青路面反射裂缝的重要途径，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石为骨架密实型结构，和传统的悬浮密实型水泥稳定碎石相比，具有更优良的抗裂能力。因此，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层具有广阔的推广应用前景。

3、提出了抗裂型水泥稳定碎石混合料振动成型试验方法。

4、关键筛孔通过率对抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层的性能具有重要的影响。课题综合分析了抗裂嵌挤型水泥稳定碎石混合料的密度、强度和收缩变形的关系，并结合多条试验段现场的施工情况，对于江苏省常用的集料，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石混合料4.75mm合理的通过率应控制在30%左右。

5、抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层相比传统的水泥稳定碎石，抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层具有明显的抗裂效果，裂缝平均间距显著大于传统的水泥稳定碎石基层，裂缝数量明显减少。

6、提出了抗裂型水泥稳定碎石的配合比设计方法。

7、提出了抗裂型水泥稳定碎石的施工关键环节。

参 考 文 献

[1] 陈建荣, 张仁根, 林亚芳, 黄天元.半刚性基层振动成型法设计与施工技术[J].公路，NO.2,2009,88-91

[2] 王建锋.振动成型法在水泥稳定碎石基层中的应用[J].交通科技，NO.3,2010,81-84

[3] 刘强.振动成型法优化水泥稳定级配碎石配合比对基层抗裂性能的影响分析及应用[J]. 华东公路工程施工与建设，NO.5,2007,267-269

[4] 颜小虎. 振动成型法设计半刚性基层混合料的施工技术[J].山西建筑，NO.25,2010, 276-277

[5] 王艳,倪富健,李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳特性[J].交通运输工程学报, NO.9,2009, 10-14

[6] JTG F40-2004, 公路沥青路面施工技术规范[S]

致   谢

为其半个学期的毕业设计即将结束，短短的三年成教时光一晃而过，求学期间的点点滴滴历历用上心头，随着论文的完成，终于让我在成教的生活，得以划下完美的句号。

我要特别感谢我的毕业设计指导老师杨老师，感谢他在我毕业设计期间的耐心指导与帮助。同事论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。另外要感谢学习期间所有传授我知识的老师，是你们悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。

在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的心态和态度，首先做学问要一丝不苟，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就知难而退。只要坚持下去找到思路去解决问题的，而且要学会与人合作。

此次论文的写作过程，我收获了很多，即为成教三年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做了一个很好的铺垫，再次感谢我的大学和所有帮助我并给我鼓励的老师，朋友和同学，谢谢你们。下载本文