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            水泥穩定碎石基層材料配合比設計優化探討
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            水泥穩定碎石基層材料配合比設計優化探討
            2022年10月25日    閱讀量:7670    新聞來源:《道路工程》2020年第10期  |  投稿

            摘 要

            本文基于規范對水泥穩定碎石基層材料配合比設計及級配范圍的相關規定與理念,結合我國材料生產現狀,分析了現有規定的不足,提出了改進的基層材料級配范圍,分析了材料密實性與施工均勻性對基層材料性能的重要作用,結合工程實際應用,提出了解決級配中細粉料缺乏的辦法,并通過體積特性計算分析了最大干密度狀態下材料密實性的改善狀況。


            關鍵詞 水泥穩定碎石 | 級配 | 密實性 | 體積特性


            半剛性基層瀝青路面是我國最典型的、適應我國現階段國情的、廣泛使用的路面結構,其具有性價比高、承載能力強、行駛舒適、維修較方便等特點,可以預見,半剛性基層瀝青路面在一個較長的時期內仍然是我國公路建設的主要路面結構形式。


            在半剛性基層路面結構中,瀝青面層厚度較薄,一般為4~18cm,用作功能層,半剛性基層厚度一般不低于20cm,用作主要的承重層,高等級公路一般還設置有底基層作為次承重層瀝青網sinoasphalt.com。也就是說,基層在我們的路面結構中發揮著主要的承重作用,因此基層材料必須具有足夠的強度、模量以及抗疲勞性能,多雨地區還必須具有足夠的抗沖刷能力。


            隨著我國經濟的快速發展,交通量不斷增大,同時,超載現象始終沒有得到有效控制,這就要求路面結構設計必須首先保證承重基層具有足夠的強度和模量,在此基礎上通過優化材料設計提高材料的抗裂與疲勞性能,不能為減少基層裂縫而一味地強調降低材料設計強度。


            2000年以來,涉及水泥穩定材料配合比及級配設計的行業規范主要有《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)、《公路瀝青路面設計規范》(JTGD50-2006)和《公路路面基層施工技術細則》(JTG/TF20-2015)。上述規范中,在半剛性基層瀝青路面的強基、薄面、穩土基理念的基礎上,始終強調了基層的主要承載作用,配合比設計上要求首先要保證達到設計強度,然后再通過級配優化來適當降低水泥用量,對于礦料級配范圍的規定也逐漸收窄,另外,在2015年版的細則中更加強調了施工過程控制及施工質量均勻性的重要性。


            水泥穩定碎石材料由粗集料、細集料、水泥、水組成,室內擊實或現場碾壓成型后,水泥逐漸發生水化反應,形成水泥石,將粗細集料膠結在一起,達到設計強度,形成水泥穩定碎石材料。要想獲得滿足強度要求、不易產生裂縫、抗疲勞性能好的基層,除了材料技術要求和配合比設計之外,施工的均勻性是非常重要的,現場鋪筑材料級配的均勻性、含水量的均勻性、水泥含量的均勻性、壓實度的均勻性都會影響材料水化反應的速度和程度,影響局部應力的分布,一旦不均勻性達到一定程度,則會造成應力集中超過材料的強度,從而引起開裂,換句話說,施工的不均勻性對水泥穩定材料開裂的影響甚至大于材料的強度。


            本文主要從級配設計以及材料密實性角度分析,對水泥穩定碎石基層材料配合比設計方法進行優化。


            級配與體積特性分析


            表1給出了歷年規范對一級以上公路推薦使用的公稱最大粒徑為26.5mm的水泥穩定碎石基層材料級配范圍的規定。

            水泥穩定碎石基層材料配合比設計優化探討 瀝青網,sinoasphalt.com

            在表1中,1號和3號級配為懸浮密實型級配,2號為骨架密實型級配??梢钥闯?,2015年細則推薦的C-B-1級配范圍窄,要求篩孔數量多,要求公稱最大粒徑篩孔通過率為100%,要求0.075mm篩孔的通過率不小于2%即必須有一定數量的細粉料。C-B-1級配范圍是細則編寫組基于一系列實驗數據得出的,在最大粒徑31.5mm、公稱最大粒徑26.5mm時,材料最大干密度、抗壓回彈模量、抗彎拉強度、干縮系數、溫縮系數在4.75mm篩孔通過率為35-40%時最優,無側限抗壓強度在4.75mm篩孔通過率為40-45%時最優,綜合推薦了4.75mm篩孔通過率為35-45%。需要注意的是,上述實驗使用的6種級配范圍,公稱最大粒徑靠近19mm,而現階段使用的公稱最大粒徑為26.5mm,兩種級配在緊密堆積狀態下合適的4.75mm篩孔通過率是有區別的,這一點可以參考級配顆粒堆積干涉理論推導,還可以借鑒瀝青混合料礦料級配最大密度線的理論得出。因此,結合實際生產中基層混合料會有部分顆粒粒徑超過26.5mm的情況,同時側重抗裂性能考慮,在實際使用C-B-1級配范圍時發現,其級配范圍可以有效保證材料的密實性,同時有利于施工均勻性,但整體偏細,即適當增加粗集料比例同樣可以獲得密實的材料,因此實際設計級配曲線時應落在級配范圍中離下限曲線稍近的位置。


            2015年細則指出在確保密實性的前提下才可以采用骨架型結構,可見密實性對水泥穩定材料來說更為重要。研究表明,水泥穩定碎石材料一味追求骨架結構不可取,密實性不足,反而會降低材料的模量、抗彎拉強度和抗疲勞性能。另一方面,較高的粗集料含量、較低的細集料含量對于降低材料干縮系數和溫縮系數有利,美國機場建設規范中對水泥穩定碎石基層材料的規定采用了大比例細集料,4.75mm篩孔通過率范圍為45-95%,工程中幾乎不使用粗集料,導致常常需要采用預鋸縫的措施才能控制不規則收縮裂縫的產生。綜合而言,對水泥穩定碎石基層材料級配設計,應在保證密實性的前提下,適當減少細集料特別是0.075mm篩孔以下的材料的比例及塑性指數,適當增加粗集料比例,同時控制最粗一級粒徑集料的比例從而減少離析,形成多級嵌擠的連續級配結構,這樣能夠獲得具有足夠強度且收縮系數小、耐久性好的基層材料,同時具有良好的可施工性,有利于提高施工質量均勻性。


            施工技術細則要求集料嚴格分檔,甚至對4.75mm以上的粗集料提出采用單一粒徑規格料,這符合提高基層工程質量的要求,但出于工程造價、實際生產水平等多種原因,粗集料實現單一粒徑備料暫時在國內多數項目還做不到,多數項目還是采用四檔備料,這對于級配合成計算時控制各分檔關鍵篩孔的通過率進入C-B-1的范圍基本沒有問題,但可能出現非分檔關鍵篩孔的通過率不能進入C-B-1范圍的情況,這也符合當前路面基層材料生產的實際狀況。因此,在進行配合比設計時,應重點控制關鍵篩孔的的通過率在級配范圍之內,其他篩孔可以出現通過率稍有超出范圍的情況,但應保證級配曲線的平順??紤]到基層施工長久以來一般按照一個給定的工程級配范圍進行級配設計,結合工程實際實施的可操作性,根據上述理論分析,采用冪函數模型分粗細兩級計算,推導得到一個級配范圍,可以用作工程級配范圍,如表2所示??梢钥闯鲈摷壟浞秶舷夼cC-B-1一致,級配下限有所下移,取消了16mm、13.2mm等非關鍵篩孔,實際工程可參考中線進行級配設計,在保證密實的前提下盡量提高粗集料比例,降低4.75mm篩孔的通過率。

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            理論上,在給定水泥含量下,配合比設計試驗所獲得的最大干密度和最佳含水率狀態,是指礦料和結合料的表面水在最合適數量時,在一定的擊實功作用下,材料可以達到的最緊密狀態,最佳含水量與礦料和結合料飽水面濕狀態的含水量有關。此狀態下,混合料體積由礦料體積、結合料體積、水和空隙組成,且剩余空隙相對最低。因此,過多強調骨架而缺少足夠填充時,很容易造成材料不密實,過多強調密實性而少用粗集料,又會造成材料力學性能、收縮性能變差,綜合來說,前面提出的多級嵌擠的連續級配結構是一種相對平衡的級配結構。


            工程實踐


            在某工程中,技術人員參考表2級配范圍中值進行了級配設計,合成級配曲線相對C-B-1的范圍來說靠近下限,重點控制19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm、0.075mm這些關鍵篩孔的的通過率在級配范圍之內,31.5mm通過率100%,26.5mm篩上允許有不超過3%的顆粒含量,保證級配曲線的平順。由于項目細集料采用機制砂,除塵效果好,細集料的0.6mm以下篩孔通過率很低。與瀝青混合料可以用礦粉來補充0.6mm以下粉料不同,當水泥穩定碎石原材料細粉料不足時會造成合成級配0.6mm篩孔以下通過率偏低,缺少填充料,造成材料不密實。因此,本項目結合當地粉煤灰供應充足的情況,使用了5%的粉煤灰作為填充料來替代部分細集料,合成級配對比如圖1所示,可以看出,適當比例粉煤灰的摻入有效的補充了0.6mm篩孔以下部分的填充料,解決了原級配缺乏細粉填充料的問題。

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            粉煤灰中含有大量活性二氧化硅和三氧化二鋁,能和水泥水化產物中的氫氧化鈣發生類似于火山灰反應的二次水化反應,生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,從而促進水泥進一步水化,可以提高材料后期強度。未水化的粉煤灰顆粒,作為填料填充在混合料空隙中,使混合料空隙變小,提高材料密實度,增加力學性能和耐久性。


            按水泥劑量4.5%,對上述級配進行不同含水率下的擊實試驗,得到最大干密度和最佳含水率,根據集料合成表觀密度、粉煤灰密度和水泥密度,可以推算出材料理論最大干密度,結合最佳含水率,可以計算出最大干密度狀態下混合料的空隙率,如表3所示??梢钥闯?,使用5%粉煤灰替代部分細集料之后,混合料的含水空隙率明顯下降,空隙率從6.5%下降到了2.4%,說明當細集料缺少0.6mm篩孔以下細粉料時,采用一定比例的粉煤灰進行替代,可以有效填充空隙,從而保證了最大干密度狀態下混合料的密實性,有利于提高材料的力學性能和耐久性。

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            結語

            半剛性基層瀝青路面在一個很長的時期內仍然是我國的主要路面結構,作為主承重層的基層材料性能對于路面質量至關重要。本文基于歷年規范對水泥穩定碎石基層材料配合比設計及級配范圍的相關規定與理念,對混合料配合比設計優化進行了探討。

            (1)結合我國材料生產現狀,分析了現有規定的不足,提出了改進的基層材料級配范圍,分析了材料密實性與施工均勻性的重要作用。

            (2)結合工程實際應用,研究了摻入適當比例粉煤灰可以解決級配中缺乏細粉料填充的問題,并通過體積特性計算分析了最大干密度狀態下材料密實性的改善狀況,結果表明通過級配的改善可以有效降低混合料最大干密度狀態下的空隙率,從而提高材料密實性。

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            標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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