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水泥稳定碎石配合比设计

1.概述
四川毛滩电站位于四川夹江县顺河乡境内的青衣江干流上，是千佛岩电站至青衣江汇口河段推荐的两级规划方案中的第一级。采用河床式长尾水渠开发方式，工程开发任务为发电，兼顾灌溉、防洪、城镇工业、生活及景观用水。
左岸防洪堤道路沥青路面工程施工桩号为左防K2+101.7～K6+574.76，全长4473米，路面宽度为5～9.3米。道路设计采用水泥稳定碎石基层厚20cm、面层采用沥青混凝土路面，厚度为10cm，分两层施工，用摊铺机摊铺，压路机碾压、成型。
2. 配合比设计依据：
2.1《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000；
2.2《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTJ057-94；
2.3《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671-1999
2.4《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T1346-2001
2.5《公路工程集料试验规程》JTJ058-2000
2.6《公路土工试验规程》JTJ051-93；
2.7《高速公路路面工程施工设计图》要求；
3. 设计资料：
3.1 左岸防洪堤顶道路是该电站物质运输通道和库区景观道路。基层水泥稳定碎石厚为20cm，7天无侧限（浸水）抗压强度要求值为3.0Mpa（A级交通道）。
3.2 水泥要求强度等级为32.5Mpa（初凝时间要求3h以上，终凝时间要求6h以上）普通硅酸盐水泥为宜；碎石集料压碎值小于30%；碎石集料中小于0.5mm颗粒材料的液限小于28%，塑性指数小于9；碎石集料级配应符合《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000要求；如表1
适宜用水泥稳定颗粒组成范围 表1
结构层
通过下列方孔筛（mm）的质量百分率
液限
塑性指数
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
（%）

基 层
100
90-100
72-89
47-67
29-49
17-35
8-22
0-7
<28
<9
注：集料中0.5mm以下细粒土有塑性指数时，小于0.075mm颗粒含量不应超过5%；细粒土无塑性指数时，小于0.075mm的颗粒含量不应超过7%。
3.3 施工时混合料采用厂拌，铺筑现场采用摊铺机摊铺，一层碾压成型，基层
压实度指标按98%控制。
4.设计步骤
4.1原材料选定及检验
4.1.1水泥 ：采用铜陵水泥厂生产的陵沪牌普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5Mpa，经检验各项技术指标均满足有关规范和图纸设计的要求，可以采用。其主要技术指标试验结果列入表2中。
水泥材料试验结果汇总表 表2
检验项目
规定值
检验结果
细度（%）
<10.0
4.2
安定性（沸煮，雷氏夹法）
合格
合格
初凝时间
>45min
3h25min
终凝时间
<10h
6h11min
抗压强度(Mpa)
3d
11.0
18.0
28d
32.5
42.0
抗折强度（Mpa）
3d
2.5
4.2
28d
5.5
6.8
4.1.2 粗、细集料 ：采用兴瑞石料场生产的碎石，规格为：９.5～31.5(mm)、4.75～9.5(mm)和0～4.75(mm)石屑；碎石集料压碎值为21.3%，石屑中小于0.5(mm)粒料中液限为14.5%，塑性指数为2.0;含泥量：9.5～31.5(mm)为0.7%；4.75～9.5(mm)为2.2%;。对三种碎石材料进行筛分试验，根据筛分结果经计算级配满足设计要求，试算调整结果如表3 。
石料筛分和集料级配计算结果表 表3
集料组成

规格（mm）
拟用百分率
（%）
筛孔 （mm）
各级集料分计筛余百分率（%）
组成后级配
规定级配范围
通过率
（%）
(一)
（二）
（三）
分计筛余
（%）
累计筛余
(%)
通过率
（%）
9.5-31.5
4.75-9.5
0-4.75
30%
38%
32%
31.5
0
0
0
0
0
100
100
26.5
6.5
0
0
1.9
1.9
98.1
90-100
19
46.8
0
0
14.1
16.0
84.0
72-89
9.5
45.8
25.0
0
23.2
39.2
60.8
47-67
4.75
0.7
64.4
1.7
25.2
64.4
35.6
29-49
2.36
0
9.5
28.1
12.7
77.1
22.9
17-35
0.6
0
0
31.7
10.6
87.7
12.3
8-22
0.075
0
0
36.2
11.6
99.3
0.7
0-7
4.2 确定水泥剂量的掺配范围
水泥稳定碎石路面基层，设计要求7天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%、5.0%、5.5%三种比例配制混合料，即水泥：碎石为； 4.5:100；5.0：100；5.5：100；
4.3 确定最佳含水量和最大干密度
对三种不同水泥剂量的混合料做标准击实试验，确定出不同水泥剂量混合料的最大干密度和最佳含水量；结果见表4
混合料标准击实试验结果表 表 4
水泥剂量（%）
4.5
5.0
5.5
最佳含水量（%）
4.9
5.1
5.2
最大干密度（g/cm3）
2.36
2.37
2.37
4.4 测定7d无侧限抗压强度
4.4.1制作试件：水泥稳定碎石路面基层混合料强度试件的制备，按现行技术规范规定采用一个水泥剂量的水泥稳定碎石混合料按9个试件配制，工地压实度按98%控制，现将制备试件所需的基本参数叙述如下：
配制一种水泥剂量一个试件所需要各种原材料数量
成型一个试件按6500g混合料配制，取碎石和水泥的含水量为0%，先计算水泥剂量为5.0%的各种材料用量：
水泥：6500*[5/（100+5）]=310g
集料：6500*[100/（100+5）]=6190g
需要加水：6500*5.1%=332g
4.4.2制备一个试件需要混合料的数量：
m=vρdk(1+w0) =2651×2.37×98% (1+5.1%)=6471g
4.4.3用同样方法对水泥剂量为4.5%、5.5%的混合料制备参数进行计算，计算结果列入表5中；

混合料试件制作计算汇总表 表5
水泥剂量（%）
4.5
5.0
5.5
试件干密度(g/cm3)
2.36
2.37
2.37
一个试件所需材料质量
(g)
水泥
264
293
321
碎
石
9.5～31.5mm(30%)
1760
1759
1751
4.75～9.5mm(38%)
2230
2229
2217
0～4.75mm(32%)
1878
1876
1868

需加水数量
300
314
320
一个试件混合料数量（g）
6432
6471
6477
附注 (1) 试件制作要求
1 试件规格Ф150mm 高１50mm；
2 最少试件数量：CV小于（10%—15%）时9个试件；
3 试验项目：
3.1 水泥必试项目； 3.4含泥量；
3.2粗、细集料的筛分；压碎值； 3.5击实试验；
3.3石屑的液塑限及塑性指数； 3.6无侧限抗压强度试验；
4. 试验仪器和设备：均符合标准、规范、试验规程要求，全部经过计量标定；
5. 报告中的有关数据：
5.1 配合比设计试验结果汇总表中的计算数据均为试验结果的算术平均值；
5.2配合比设计中，有关数据是经过多次试验通过优选确定，试配强度是以CV小于（10%—15%）确定；
4.4.4测定饱水无侧限抗压强度，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；结果见表6。
抗压强度试验结果汇总表 表6
水泥剂量(%)
4.5
5.0
5.5
强度平均值R (Mpa)
4.3
4.9
5.2
强度标准差σ(Mpa)
0.33
0.42
0.41
强度偏差系数CV (%)
7.7
8.5
7.8
RC0.95(=RC-1.645*S) (Mpa)
3.8
4.2
4.5
是否满足公式RC0.95(=RC-1.645*S)
否
是
是

4.4.5 按《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000要求，依据本配合比试验数据配制的水泥稳定混合料,进行了混合料延时成型试验；在延时两小时情况下强度和干密度损失后均满足设计要求。结果见表7
延时2 h最大干密度与抗压强度损失对照表 表7
项 目
延时前
延时后
损失量（%）
水泥剂量(%)
5.0
干密度(g/cm3)
2.37
2.32
3
RC0.95(=RC-1.645*S) (Mpa)
4.2
4.0
5
是否满足公式RC0.95(=RC-1.645*S)
是
是

附注(2)
1 养生条件：试件养生温度25±20C;相对湿度≥95%；标准养护6d，并在试验前浸水24小时；
2 抗压试验：加荷速度1mm/min；
4.5 确定试验配合比（目标配合比）：
通过以下方法确定水泥最佳剂量。
4.5.1比较强度平均值和设计要求值，根据试验结果，水泥剂量为5.0%，5.5%试件强度代表值均满足且不低于4.0Mpa设计值要求。
4.5.2考虑到试验数据偏差和施工中的保证率 ，对水泥剂量5.0% ，5.5%时强度数据通过公式 ：Rc0.95(= RC-1.645*S)验算，水泥剂量为5.0%和5.5%的强度均能够满足设计强度指标要求。
4.5.3从工程经济性考虑，5.0%的水泥剂量为满足设计强度指标的最小水泥用量;满足规范规定的路面基层抗压强度及压实度的要求，故为此配合比的最佳水泥用量。
4.5.4试验室目标配合比综合确定为：
水泥：集料=5.0：100，混合料的最佳含水量为5.1%，最大干密度为2.37g/cm3,施工时压实度按98%控制。
4.6 确定生产配合比：
依据：《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000要求，视施工现场情况，对试验室确定的配合比进行调整，对集中厂拌法施工，水泥剂量要增加0.5%，对粗粒土拌和，含水量要较最佳含水量增大0.5%～1.0% ，所以经调整后得到的生产配合比为：
水泥：集料=5.5：100，混合料最佳含水量5.6%，最大干密度为2.37g/cm3，施工时压实度按98%控制。
附注 (3) ：在配合比设计计算时对集料含水量按烘干至恒重时零计，但在工地施工时集料的含水量要根据实际情况，对上述生产配合比进行调整，得出最终的施工配合比。
附注 (4) ：此次配合比设计原材试验和配合比试验报告后附。
5. 配合比设计中应注意的问题：
5.1骨架材料的要求：强度主要是取决于基层材料的质量。公路等级越高，对材料的要求相应的提高，主要是碎石本身硬度和强度，更主要的是调整合理的级配以提高混合料的整体材料的强度。
所以，集料颗粒的最大粒径必须有限制（最大粒径不应超过31.5mm），颗粒愈大在拌合、整平和摊铺时机械容易损坏，混合料更容易产生离析现象，平整度也难以达到更高的要求。因此，在现今普遍采用最大粒径较小的基层材料。但是，给石料的加工带来了难度，相应的也增加了经济支出。因此，我国对低等级公路限制较宽。
但对一级公路和高速公路，由于对其使用性能要求高和投资大，应采用最大粒径较小的集料，以适宜于大面积的机械施工、保证施工质量和延长使用寿命。
5.2收缩性控制： 对高等级公路要注意水泥稳定碎石混合料这种半刚性材料早期产生的收缩性，一方面是水份蒸发而产生的干缩的程度，二是温度升高或降低而产生温度收缩程度。
水泥稳定碎石在基层铺成后，在不注意的情况下还没有铺筑沥青面层就产生了干缩裂缝，就是按标准及时养护到期后没及时铺筑沥青面层，在太阳光下暴晒2-3d同样会产生干缩裂缝，这种裂缝危害性会向上扩展到面层，造成面层开裂。所以在铺筑沥青面层前采取措施防止半刚性材料的干缩是个十分重要的问题。半刚性基层材料的温缩性的大小大致与干缩性的大小有相同的规律，水泥稳定碎石中细粒土含量愈多，混合料的温缩系数愈大。为此应控制小于0.075mm的颗粒含量以及集料中的粘土含量。应尽量不采用含有塑性指数的细集料。达到控制混合料的收缩系数增大的目的。
水泥稳定粒料的水泥剂量在（5.0-6.0）%时，其收缩系数最小；超过6%后，混合料的收缩系数增大。为减少混合料的收缩性应控制水泥剂量不超过6%。采取改善粒料级配，可以明显减少因水泥造成的干缩，增加混合料强度和耐久性。
5.3 养生温度和延迟时间
5.3.1由于温度对水泥稳定土的强度影响很大，原本不合格的材料，因为养生温度过高而变的合格，原本合格的材料，因养生温度过低而试验不合格。因此必须在规定的温度下养生，夏季和冬季都必须采取必要的措施控制标养室的标准规定温度和湿度。
5.3.2延迟时间的影响：所谓延迟时间是指混合料从加水到路面碾压终了的时间，延迟时间对水泥稳定混合料的强度和所能达到的干密度有明显的影响。延迟时间愈长，混合料的强度和干密度损失越大，试验证明延迟2h，水泥稳定混合料的干密度损失和抗压强度损失与延时前相比都有明显的下降。
因此应采用终凝时间长的水泥，又要规定施工的延迟时间。规范根据我国的国情制定了延迟时间3-4h。为了能合适的确定延迟时间,JTJ034-2000施工技术规范第2·7·2条规定在施工前必须做延迟时间对混合料强度的影响试验，并通过试验确定应该控制的延迟时间。
5.4拌合用水：凡人、畜的饮用水均可用于水泥稳定混合料的施工，遇有可疑水源时，应通过试验鉴定。
6. 结论
　　从该配合比设计结果观察，取5.5%的水泥剂量，水泥稳定碎石的强度已满足规范和设计要求，且成本较低。在设计中为了满足规范要求， 考虑到在实际施工中水泥的自然损耗以及水泥剂量的离散对水泥稳定碎石强度整体效果的影响。所以，在施工中增加了0.5%的水泥剂量，同时为了减少集料的离析采取了下料斗二次筛分，更好的控制了混合料级配的合理性。又严控原材料中粘土的含量，尽可能降低小于0.075mm的颗粒含量。采用标定后标准流量计添加拌合水，禁止超延时混合料上路等；充分减少了对水泥稳定混合料强度影响的诸多因素。从而使该配合比在应用中得到了理想的质量和经济效果。
存在问题的讨论
　　 这次试验是一次尝试，在现场试验室条件差、人员少的情况下，如何利用常规水泥稳定混合料试验的器械进行沥青路面基层材料的配合比设计，并使试验结果最大可能地接近于实际施工结果，这将是我们进一步研究的问题。从而有利于优选施工配合比，节约施工成本、改善施工条件、提高施工速度，使水泥稳定混合料在公路基层施工中得到更广泛的应用。

[参考文献] 公路工程混合料配合比设计与试验技术手册（2002年版）
作者：徐培华 王安玲

目 录

一、 概述
二、 配合比设计依据
三、 设计资料
四、 设计步骤
五、 配合比设计中应注意的问题
六、 结论

水泥稳定
碎石配合比设计

工作单位： 北京城建道桥工程有限公司
作者姓名： 邱 冠 修
编制日期： 2006年1月18日