CN115029975A - 一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺，以质量份数计，该填充式大粒径水泥稳定碎石基层由如下原料组成：大粒径碎石10份，填充料9.5份，嵌缝料0.5份，水泥1份，以及水1份；大粒径碎石、填充料和嵌缝料经振动压实处理后形成集料层，集料层为大粒径碎石、填充料周期铺设而形成的叠层结构。本发明通过将细骨料分为填充料、嵌缝料，选取适宜的原料配比和级配方式，同时设置周期性叠层结构，经振动压实处理后形成集料层，养生后得到填充式大粒径水泥稳定碎石基层；该成型工艺能够显著提升公路基层材料的抗压强度和抗裂性能，能够作为高速公路基层材料应用。

Description

一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺
技术领域
本发明涉及道路工程领域，特别是一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺。
背景技术
目前，我国路面基层主要以水泥稳定碎石基层为代表的半刚性基层和柔性基层为主，各有其特点和相应的不足。半刚性路面基层常常采用水泥稳定碎石基层，这一基层结构具有它具有水稳定性好、刚度高、成本低、强度高、整体性好等优点；但同时，水泥稳定碎石基层也存在着容易产生收缩裂缝、雨水长期滞留一步发展为凹坑、疏松和网状裂缝等明显的缺点。而柔性基层相反，其刚度相对较小，不易产生收缩裂缝，造成表面反射裂缝，对水的变化不敏感，不易被水损坏。然而，这种柔性基层也有明显的缺点存在，如刚度小、挠度大，导致路面结构变形大、易水平移动、松散、麻点、网状裂缝、沉降等常见病害。
近年来，为了综合以上两种基层的优点，提出了一种填充大粒径水稳碎石的新型基层材料，该结构是一种介于两者之间的新型路面基层结构。目前，在半刚性基层沥青路面大修改造工程中，水稳大粒径碎石基层填筑效果明显；在长期性能验证和路面试验中，填充式大粒径水泥稳定碎石具有良好的抗车辙性能；同时，在相同造价条件下，其路用性能和使用性能较好。
但是，目前大粒径填充式水稳碎石基层很少用于高等级公路基层，仅仅用于低等级公路基层。同时，现有的评价均是采用现场应用评价，通过通车后几年内路面的损坏情况进行定性评价，缺乏室内评价手段和试验方法，无法通过室内实验评估基层的应用情况，进而无法在实际应用之前获得性能最优的填充式大粒径水泥稳定碎石基层设计方式。因此，需要针对上述问题提出一种新的解决手段。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺，用于解决现有技术中无法在实际应用之前获得性能最优的填充式大粒径水泥稳定碎石基层设计方式的问题。
为解决上述技术问题，本发明所提供的第一解决方案为：一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层，以质量份数计，由如下原料组成：大粒径碎石9～12份，填充料9～10份，嵌缝料0.3～0.8份，水泥0.7～1.2份，以及水0.8～1.2份；大粒径碎石、填充料和嵌缝料经振动压实处理后形成集料层，集料层为大粒径碎石、填充料周期铺设而形成的叠层结构。
优选的，以质量份数计，填充式大粒径水泥稳定碎石基层由如下原料组成：大粒径碎石10份，填充料9.5份，嵌缝料0.5份，水泥1份，以及水1份。
优选的，大粒径碎石的粒径为40～60mm，压碎值为14.2％，针片状颗粒含量为17.2％，相对密度为2.61g/cm3。
优选的，填充料和嵌缝料中有机质含量≤0.6％，硫酸盐含量≤0.1％，相对密度为2.61g/cm3，亚甲蓝值<3。
优选的，填充料的粒径大小分为3档，包括粒径0～5mm的第一档、粒径5～10mm的第二档以及粒径10～15mm的第三档；填充料的第一档、第二档、第三档的质量比为6:2.5:1.5。
优选的，嵌缝料的粒径大小分为2档，包括粒径0～5mm的第一档以及粒径5～10mm的第二档；嵌缝料的第一档、第二档的质量比为6:4。
为解决上述技术问题，本发明所提供的第二解决方案为：一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层的成型工艺，该成型工艺用于制备得到前述第一解决方案中的填充式大粒径水泥稳定碎石基层，包括如下步骤：S1，按比例称取原料，依次铺设大粒径碎石、填充料和嵌缝料，经过振动压实处理后，得到集料层；S2，在集料层上依次铺设水、水泥，进行养生后，形成填充式大粒径水泥稳定碎石基层。
其中，S1步骤具体为：依次铺设大粒径碎石和填充料，形成一个叠层单元，每次铺设完一个叠层单元后振动处理；周期铺设三个叠层单元后，在边缘处填入嵌缝料，压实至表面平整，得到集料层。
优选的，S1步骤中，采用表面振动压实仪进行振动压实处理；每次铺设完一个叠层单元后振动150s，振动频率为60Hz，转速为1400rpm。
优选的，步骤S2中，养生条件为：相对湿度为93～97％，温度为19～21℃，直至水泥终凝。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺，通过将细骨料分为填充料、嵌缝料，选取适宜的原料配比和级配方式，同时设置周期性叠层结构，经振动压实处理后形成集料层，养生后得到填充式大粒径水泥稳定碎石基层；该成型工艺能够显著提升公路基层材料的抗压强度和抗裂性能，能够作为高速公路基层材料应用。
附图说明
图1是本发明中填充式大粒径水泥稳定碎石基层一实施方式的结构示意图；
图2是图1中集料层的细节结构示意图；
图3是新拌合料混合料的介电常数测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对于本发明所提供的第一解决方案，请参阅图1和2，以质量份数计，填充式大粒径水泥稳定碎石基层由如下原料组成：大粒径碎石10份，填充料9.5份，嵌缝料0.5份，水泥1份，以及水1份；大粒径碎石、填充料和嵌缝料经振动压实处理后形成集料层，集料层为大粒径碎石、填充料周期铺设而形成的叠层结构，其中含有若干叠层单元。以质量份数计，进一步优选的，填充式大粒径水泥稳定碎石基层由如下原料组成：大粒径碎石10份，填充料9.5份，嵌缝料0.5份，水泥1份，以及水1份。
本实施方式中，大粒径碎石的粒径为40～60mm，压碎值为14.2％，针片状颗粒含量为17.2％，相对密度为2.61g/cm3。填充料和嵌缝料中有机质含量≤0.6％，硫酸盐含量≤0.1％，相对密度为2.61g/cm3，亚甲蓝值<3。
本实施方式中，填充料的粒径大小分为3档，包括粒径0～5mm的第一档、粒径5～10mm的第二档以及粒径10～15mm的第三档；填充料的第一档、第二档、第三档的质量比为6:2.5:1.5。此外，制备填充料时需要掺入一定量的水泥，优选掺入水泥质量占嵌缝料颗粒质量的13％。
本实施方式中，嵌缝料的粒径大小分为2档，包括粒径0～5mm的第一档以及粒径5～10mm的第二档；嵌缝料的第一档、第二档的质量比为6:4。此外，制备嵌缝料时需要掺入一定量的水泥，优选掺入水泥质量占填充料颗粒质量的10％。
对于本发明所提供的第二解决方案为一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层的成型工艺，该成型工艺用于制备得到前述第一解决方案中的填充式大粒径水泥稳定碎石基层，包括如下步骤：
S1，按比例称取原料，依次铺设大粒径碎石、填充料和嵌缝料，经过振动压实处理后，得到集料层。本步骤中，大粒径碎石、填充料和嵌缝料优选安山岩，按前述比例称取原料，依次铺设大粒径碎石和填充料，形成一个叠层单元，每次铺设完一个叠层单元后振动处理；周期铺设三个叠层单元后，在边缘处填入嵌缝料，压实至表面平整，得到集料层，其结构如图2所示。这种基层结构主要以大粒径碎石之间的夹层为主要强度来源；填充料和嵌缝料起稳定作用。形成嵌挤结构的同时具备良好的摩阻力和嵌挤力，使得整个填充式大粒径水稳碎石结构具备良好的承载能力。三个叠层单元的形式能够减缓大粒径碎石骨架由于嵌挤力产生水平和竖向推力，从而有效缓解网裂等病害产生，具备良好的抗裂性能。本实施方式中，采用表面振动压实仪进行振动压实处理；每次铺设完一个叠层单元后振动150s，振动频率为60Hz，转速为1400rpm。
S2，在集料层上依次铺设水、水泥，进行养生后，形成填充式大粒径水泥稳定碎石基层。本步骤中，在集料层上依次铺设水、水泥，其结构如图1所示；进行养生时，相对湿度为93～97％，温度为19～21℃，直至水泥终凝，形成填充式大粒径水泥稳定碎石基层。
本实施方式中，大粒径碎石、填充料、嵌缝料、水泥和水各组分配比的确定过程如下：振动压实后，上述原料组分形成混合料，测定并计算大粒径碎石的空隙率体积，填充料和嵌缝料的富裕体积，填充料和嵌缝料的最大干密度，以及混合料的最佳含水量。
按如下(1)式计算单位体积混合料中填充料和嵌缝料的总体积Vt：
Vt＝KfV (1)
(1)式中，V表示振动压实后单位体积大粒径碎石的空隙体积；Kf表示填充料和嵌缝料的调整系数，Kf一般取1.08～1.16。
a)计算填充料与大粒径碎石的质量比
按如下(2)式计算单位体积混合料中填充料的质量mt：
mt＝KtVtρt (2)
(2)式中，Kt表示单位体积混合料中填充料的体积系数，一般取0.95；Vt表示单位体积混合料中填充料和嵌缝料的总体积；ρt表示填充料振动压实后的最大干密度。
按如下(3)、(4)式计算填充料与大粒径碎石的质量比ωt：
ms＝(1-Vt)ρs (3)
ωt＝mt/ms (4)
(3)、(4)式中，ms表示单位体积混合料中大粒径碎石集料的质量；ρs表示大粒径碎石的表观密度；mt表示单位体积混合料中填充料的质量。
b)计算嵌缝料与大粒径碎石的质量比
按如下(5)式计算单位体积混合料中嵌缝料的质量mq：
mq＝KqVtρq (5)
(5)式中，Kq表示单位体积混合料中嵌缝料的体积系数，一般取0.05；Vt表示单位体积混合料中填充料和嵌缝料的总体积；ρq表示嵌缝料振动压实后的最大干密度。
按如下(6)式计算嵌缝料与大粒径碎石的质量比ωq：
ωq＝mq/ms (6)
(6)式中，mq表示单位体积混合料中嵌缝料的质量；ms表示单位体积混合料中大粒径碎石集料的质量。
c)由于新拌混合料为松散状态，为保证测量的准确性，减少测量数据的离散性，采用梅花布点法进行测量，如图3所示，测量若干次，取其平均值作为新拌混合料的介电常数值。本实施方式中，优选CRIM模型预测基层新拌混合料的含水率，具体步骤可参阅专利CN202111305926，通过该方法预测得到预测含水率。此外，为了准确得到新拌混合料的含水率，基于预测含水率，将拌和后的混合料取9kg分成3组，采用烘干法测量其含水率，取其平均值作为每组新拌混合料的含水率。
d)通过填充料、嵌缝料与大粒径碎石的质量比，以及混合料的最佳含水率，确定填充式大粒径水泥稳定碎石基层中各组分的配比；具体地，每1kg混合料中，含454.5g大粒径碎石，431.8g填充料，22.7g嵌缝料，45.4g水泥，以及45.6g水。
进一步地，对前述填充式大粒径水泥稳定碎石基层的机理和优势进行阐述：
(1)大粒径碎石用于形成路面基层的骨架结构，填充料用于填充大粒径碎石骨架结构的内部空隙，同时嵌缝料填充大粒径碎石表面的开口空隙；填充料和嵌缝料作为细集料，其最大粒径应与作为粗骨料的大粒径碎石粒径形成较大的断档，以最大限度的减少对大粒径碎石骨架的干涉，使粗骨料和细骨料之间能够很好地嵌合。本实施方式中，大粒径碎石优选40～60mm碎石，填充料和嵌缝料的最大粒径宜选用15mm。以大粒径碎石为主骨架，碎石作为填充料和嵌缝料填充在骨架之间，形成嵌合结构的同时具备良好的摩阻力和嵌挤力，使得整个填充式大粒径水泥稳定碎石结构具备良好的承载能力，表现出优异的强度。
(2)由于大粒径碎石的存在，填充料和嵌缝料之间的应力传递被阻断了，弱化了整个路基结构层面的半刚性能，而路基结构层当中的局部半刚性能又因为填充料和嵌缝料的存在而保留了下来，这种半刚性和柔性相结合的新型路基结构，能够有效的减少半刚性基层所出现的反射裂缝，从而表现出优异的抗裂性能。
(3)由于填充式大粒径水泥稳定碎石主要通过作为主骨架的大粒径碎石间的嵌挤作用来提供强度，所以相应的对填充料的强度依赖较少，因此基层在养生期间可以通车，对于交通的影响较小。
下面通过具体实施例对前述填充式大粒径水泥稳定碎石基层的测试效果进行分析。以下实施例1和对比例1中均采用普通硅酸盐水泥P.O.32.5，依据《公路路面基层施工技术细则》(JTG-T F20-2015)进行了水泥的基本性能试验，试验结果如表1所示。
表1水泥性能测试
Figure BDA0003692855710000071
以下实施例1和对比例1中均采用安山岩作为集料层原料(实施例1中大粒径碎石、填充料和嵌缝料均为安山岩)，安山岩为酸性石料，颜色呈红褐色，硬度大，针片状较严重。
实施例1～4
1)集料的性能
依据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(J JTG-T F30-2014)，本实施例中大粒径碎石作为粗集料，填充料和嵌缝料作为细集料，分别对粗集料和细集料的基本性能进行试验，测试结果如表2～3所示。
表2粗集料性能参数
Figure BDA0003692855710000081
表3细集料性能参数
Figure BDA0003692855710000082
2)组分配合比例以及级配
本实施例中填充料和嵌缝料均采用连续级配，通常采用最大密度曲线设计连续级配；级配设计理论有富勒、泰波级配理论等，本文将采用泰波级配理论进行级配设计，其计算公式为p＝100(d/D)0.45。
按粒径大小，填充料具体分为O～5mm、5～10mm、10～15mm三档集料，其合成级配表如表4所示。填充料的水泥剂量为10％，7天无侧限抗压强度代表值为7.6MPa。
表4填充料合成级配表
Figure BDA0003692855710000083
按粒径大小，嵌缝料具体分为0～5mm、5～10mm两档集料，其合成级配表如表5所示；嵌缝集料水泥剂量为13％，7d无侧限抗压强度代表值为11.2MPa。
表5嵌缝料合成级配表
Figure BDA0003692855710000084
Figure BDA0003692855710000091
3)压实成型
本实施例中采用的设备为表面振动压实仪，称取454.5g大粒径碎石，431.8g填充料，22.7g嵌缝料，45.4g水泥以及45.6g水，依次铺设大粒径碎石和填充料，在表面振动压实仪的内腔中形成一个叠层单元，每次铺设完一个叠层单元后振动处理；周期铺设三个叠层单元后，在边缘处填入嵌缝料，压实至表面平整，得到集料层；按不同的成型工艺进行样品的制备，实施例1～4的具体工艺参数如表6，振动时间表示每个叠层单元铺设完成后的振动处理时间，大粒径碎石、填充料铺设顺序表示每个叠层单元是按大粒径碎石、填充料的顺序依次铺设，还是随机铺设。
表6成型工艺参数统计
Figure BDA0003692855710000092
成型试件完成后，将试件及模具一起放进混凝土养生箱进行养生。养生时，试件上下面养生条件为：湿度95±2％，温度20±1℃。等待水泥终凝完成后，将试件取出，再进行卸箍脱模，将试件套上塑料袋继续进行养生，得到四组试件样品，四组试件样品的直径均为280mm。
针对不同的成型工艺，进行无侧限抗压强度及无侧限条件下的单轴压缩模量试验，试验结果如表7所示。基于规范要求，水泥稳定类基层材料7d无侧限抗压强度为3.0～5.0MPa，由表1可知实施例1和实施例4的试件强度均满足要求。实施例2的试件养生35天后，单轴压缩模量能达到969.8MPa，而将其继续养生至42天，试件的模量可达到1494.6Mpa，具有最优成型效果，且易于脱模及成型。而实施例1、3、4由于在振动时间、转速、铺设顺序和叠层单元周期数的调整，使得实施例1、3、4所制备试件的效果不及实施例2，即证明在进行振动压实处理过程中采用适宜的工艺条件才能获得较好的强度效果。
表7实施例1～4无侧限抗压强度和单轴压缩模量测试结果
Figure BDA0003692855710000101
Figure BDA0003692855710000111
对比例1
本对比例中仍采用表面振动压实仪，以前述实施例2的振动频率、振动时间、试件尺寸等工艺参数，对普通水泥稳定碎石材料进行的成型，所采用的四档集料分别为0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～29mm，其合成级配表如表8所示。
表8普通水泥稳定碎石材料合成级配表
Figure BDA0003692855710000112
采用上述的普通水泥稳定碎石配合比，水泥剂量为5％，采用表面振动压实仪进行室内成型，传统的水泥稳定碎石基层的成型方法是一次加入，不设置前述周期性叠层单元，也不进行填充料、嵌缝料的区分设置；养生条件与填充式大粒径水泥稳定碎石材料相同，待养生时间达到后制得对比例1样品。
对比例2
基于对比例1的制备工艺和级配，区别在于，对比例2中采用传统的静压法制备对比例2样品，其他工艺条件与对比例1一致。
针对对比例1和对比例2的样品，进行无侧限抗压强度及无侧限条件下的单轴压缩模量试验，并与实施例2的测试结果进行对比，对比结果如表9所示。可以看出，对比例1采用了振动压实处理，相比于传统的静压法能够提升试样的抗压强度；而经过周期性叠层单元以及填充料、嵌缝料的区分设置的实施例2，相比于对比例1又有了显著的抗压强度提升，则证明本发明所描述的上述制备方法能够显著提升承载能力和抗裂能力。
表9两种材料在不同龄期下的强度与模量
Figure BDA0003692855710000121
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层及其成型工艺，通过将细骨料分为填充料、嵌缝料，选取适宜的原料配比和级配方式，同时设置周期性叠层结构，经振动压实处理后形成集料层，养生后得到填充式大粒径水泥稳定碎石基层；该成型工艺能够显著提升公路基层材料的抗压强度和抗裂性能，能够作为高速公路基层材料应用。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种填充式大粒径水泥稳定碎石基层，其特征在于，以质量份数计，由如下原料组成：大粒径碎石9～12份，填充料9～10份，嵌缝料0.3～0.8份，水泥0.7～1.2份，以及水0.8～1.2份；
所述大粒径碎石、填充料和嵌缝料经振动压实处理后形成集料层，所述集料层为所述大粒径碎石、填充料周期铺设而形成的叠层结构。
2.根据权利要求1中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层，其特征在于，以质量份数计，所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层由如下原料组成：大粒径碎石10份，填充料9.5份，嵌缝料0.5份，水泥1份，以及水1份。
3.根据权利要求1中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述大粒径碎石的粒径为40～60mm，压碎值为14.2％，针片状颗粒含量为17.2％，相对密度为2.61g/cm3。
4.根据权利要求1中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述填充料和嵌缝料中有机质含量≤0.6％，硫酸盐含量≤0.1％，相对密度为2.61g/cm3，亚甲蓝值<3。
5.根据权利要求1中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述填充料的粒径大小分为3档，包括粒径0～5mm的第一档、粒径5～10mm的第二档以及粒径10～15mm的第三档；
所述填充料的第一档、第二档、第三档的质量比为6:2.5:1.5。
6.根据权利要求1中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层，其特征在于，所述嵌缝料的粒径大小分为2档，包括粒径0～5mm的第一档以及粒径5～10mm的第二档；
所述嵌缝料的第一档、第二档的质量比为6:4。
7.一种如权利要求1～6中任一所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1，按比例称取原料，依次铺设大粒径碎石、填充料和嵌缝料，经过振动压实处理后，得到集料层；
S2，在所述集料层上依次铺设水、水泥，进行养生后，形成填充式大粒径水泥稳定碎石基层。
8.根据权利要求7中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层的成型工艺，其特征在于，所述S1步骤具体为：
依次铺设所述大粒径碎石和填充料，形成一个叠层单元，每次铺设完一个叠层单元后振动处理；
周期铺设三个叠层单元后，在边缘处填入所述嵌缝料，压实至表面平整，得到集料层。
9.根据权利要求8中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层的成型工艺，其特征在于，所述S1步骤中，采用表面振动压实仪进行振动压实处理；
每次铺设完一个叠层单元后振动150s，振动频率为60Hz，转速为1400rpm。
10.根据权利要求7中所述填充式大粒径水泥稳定碎石基层的成型工艺，其特征在于，所述S2步骤中，所述养生的条件为：相对湿度为93～97％，温度为19～21℃，直至水泥终凝。
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