浅谈水泥稳定碎石的试验检测

所属栏目：建筑设计论文
发布时间：2011-02-26 14:39:21 更新时间：2022-04-18 15:09:57

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　　浅谈水泥稳定碎石的试验检测

　　黎旭华中铁五局二公司试验检测中心

　　摘要试验检测作为对工程质量过程控制重要手段，采用科学合理、切合实际的方法和手段尤为重要。本文通过平临高速公路NO.2合同段水泥稳定碎石基层施工实践，简要阐述了水泥稳定碎石基层配合比设计、延迟时间、工序检验等试验检测要点，并提出自己的经验和看法。

　　关键词水泥稳定碎石路面基层试验检测配合比设计延迟时间工序检验

　　0前言：

　　平临高速公路NO.2合同段为上海至洛阳高速公路国家重点公路的一段,位于近代河流带状冲积平原上，地形平坦开阔，全长6.3km，路面稳定层548905m2，分别采用水泥粉煤灰稳定砂砾底基层、水泥粉煤灰稳定碎石下基层和水泥稳定碎石上基层。其中水泥稳定碎石上基层设计层厚为17cm，工程数量为181479m2。水泥稳定碎石基层为半刚性基层，水泥稳定碎石的初期强度高，并且强度随龄期增长。随着我国公路事业的发展和公路技术等级的不断提高，水泥稳定碎石以其强度刚度高、板体性好、耐久性好、干温缩较小、易于施工、远期成本低等优点，已成为高等级公路基层的常用材料并得到广泛应用。要实现水泥稳定碎石基层的优点，必须通过试验检测手段，从配合比设计和工序质量监控入手，有效控制水泥稳定碎石基层施工质量。

　　1配合比设计

　　近年来的实践表明，水泥稳定碎石作为路面基层应综合考虑其强度、回弹模量、收缩和抗冲刷能力等指标选择集料级配、水泥剂量和含水量等。在施工过程中，要想发挥水泥稳定碎石的优良性能，首先应通过其配合比组成设计予以保证。

　　表—1

　　水泥检测项目规定或要求值检测结果

　　细度(%) 10 0.8

　　标准稠度(%) 28.9

　　凝结时间(min) 初凝 180 315

　　终凝 360 370

　　安定性合格合格

　　抗折强度(MPa) 3d 2.5 3.2

　　28d 5.5 6.5

　　抗压强度(MPa) 3d 11.0 15.5

　　28d 32.5 38.8

　　1.1原材料组成选定及进场控制

　　水泥稳定碎石原材料主要为水泥、碎石和矿粉。为把好原材料质量关，应加强对原材料的料源进行选择，在使用过程中按规定抽样检验，不合格的材料不得用于工程中。

　　1.1.1水泥应选用初凝时间180min以上和终凝时间较长(宜360min以上)的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰硅酸盐水泥，采用水泥时，刚出炉的水泥要存放7天以后使用，以保证其安定性合格，夏季高温作业时水泥入罐温度不能高于50℃。经对当地生产的星峰牌普通硅酸盐P.O32.5水泥做了细度、凝结时间、安定性、抗折强度、抗压强度等水泥常规试验，各项指标均符合规范要求，结果如表—1所示。在施工生产中，散装水泥按每一批次不大于500t进行抽样检验，袋装水泥按每一批次不大于200t进行抽样常规检验。常规检验需做细度、凝结时间、安定性、抗折强度、抗压强度等水泥常规试验。

　　1.1.2在水泥稳定碎石做基层时，对所用的碎石应预先筛分成3~4个不同的粒级，使颗粒组成符合表1-2所列级配范围，单个颗粒的最大粒径不应超过31.5mm，压碎值指标不大于30%。细集料颗粒的塑性越大，基层干缩应变越大，所以要对通过0.6mm筛孔的颗粒进行液限和塑性指数试验，小于0.6mm颗粒液限小于28%，塑性指数小于9。通过颗粒级配分析试验，碎石压碎值指标试验，小于0.6mm颗粒液限及塑性指数试验，选用郏县黄道碎石，结果均符合规范要求。该碎石级配由9.5~26.5mm：4.75~9.5mm：0~4.75mm(石屑)三种不同的粒级组成，其比例为9.5~26.5mm：4.75~9.5mm：0~4.75mm(石屑)=40：20：40，这样级配结果更趋于规定级配范围中值，如表—2所示。控制混合料中细集料的含量：有关资料表明0.6mm及其以下档细集料对水泥稳定基层的干、温缩的负面影响很大，所以在进行混合料配合比设计时应严格控制集料0.6mm和0.075mm档的通过率，使之尽量靠低线。

　　表—2

　　颗粒分析筛孔(mm) 31.5 26.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075

　　级配范围(%) 规定通过百分率 100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7

　　级配范围中值 100 95 80.5 57 39 24 15 3.5

　　通过百分率(%) 100 97.5 84.2 56.5 36.9 24.6 13.5 3.1

　　压碎值指标≤30% 6.5

　　液限<28%，塑性指数<9 液限=24.3%，塑性指数=5.4

　　碎石在进场时，应按每2000m3进行级配检验，每10000m3进行碎石压碎值指标试验和小于0.6mm颗粒液限及塑性指数试验，在符合要求后方可使用。

　　1.2混合料组成设计

　　通过对水泥和碎石检验合格，碎石级配符合设计要求后，分别按水泥4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%等的剂量确定混合料比例，分别按3%、4%、5%、6%和7%的含水量来进行标准击实试验，来得到每种水泥剂量的混合料的最佳含水量和最大干密度，见表—3。

　　以基层压实度98%计算不同水泥剂量的试件应有的干密度按最佳含水量和计算得的干密度用静压法成型试件，每组试件13个，共五组，在20±2℃下保湿养护6天，泡水24h后，测其无侧限抗压强度，计算试验结果的强度平均值R，标准差S，偏差系数Cv，保证率为95%的强度值，按要求基层设计强度标准值为Rd为3.5Mpa，则试验结果的平均抗压强度R应符合下公式要求:

　　R≥Rd/(1-ZaCv)

　　其中：R——强度平均值(Mpa)，Za——当保证率为95%、取1.645，

　　Cv——偏差系数(以小数计)，Rd——设计抗压强度(Mpa)。

　　计算结果汇总到表—3：

　　表—3

　　水泥:碎石最大干密度最佳含水量无侧限抗压强度

　　平均值R 标准差S 偏差系数Cv 代表值 Rd/(1-ZaCv) 结果

　　(g/cm3) (%) (MPa) (MPa) % (MPa) (MPa)

　　4.0:100 2.367 5.4 3.1 0.19 6.0 2.8 3.9 不符合要求

　　4.5:100 2.373 5.6 3.9 0.31 8.1 3.4 4.0 不符合要求

　　5.0:100 2.386 5.5 4.4 0.24 5.5 4.0 3.8 符合要求

　　5.5:100 2.391 5.5 4.9 0.28 5.7 4.4 3.9 符合要求

　　6.0:100 2.400 5.5 5.5 0.31 5.6 5.0 3.9 符合要求

　　根据以上结果，考虑到设计强度是3.5MPa，施工控制为3~4MPa，在满足设计强度的同时尽量限制水泥的用量，以减少基层的干、温缩的等非荷载裂缝，合理选用既符合要求又经济的配合比。故选取5.0：100为施工用配合比，报监理复核结果一致批复使用。在施工时把理论配合比换算成施工配合比，采用集中厂拌法施工时，实际采用的水泥剂量应比室内试验确定的剂量多0.5%。

　　2延迟时间试验

　　2.1延迟时间试验的必要性

　　所谓延迟时间就是混合料在最长时间内成型达到设计强度要求的时间。这需要对混合料拌制均匀，通过在不同时间内试件成型测定混合料无侧限抗压强度，画出时间与强度关系曲线，从曲线上找出设计强度所对应的时间，该时间即为延迟时间。

　　在基层施工中，时间因素对整个施工过程尤为重要，从混合料开始拌和到碾压结束的时间差一定要控制好。施工中要严密组织、科学控制拌合—运输摊铺—碾压等各道工序，使其持续时间在允许延迟时间之内，确保施工一次成功，可以说“时间控制”是水泥稳定基层施工的生命线。而允许延迟时间是由水泥的初凝时间所决定的。

　　延迟时间对混合料密实度和抗压强度有很大的影响，应做水泥稳定碎石的延迟时间对其影响的试验，以确定合适的延迟时间。但在实际施工过程中，施工单位和监理单位都没有重视该项试验，将之忽视。认为正常情况下混合料肯定能在初凝时间内运至工地或碾压完成时间不超过2h，实际上如果运输车中途出现故障或摊铺机在施工过程中出现故障，运输车内的混合料时间超过以上二种规定时间，而又没有延迟时间试验能证明在超过以上二种时间而又能在延迟时间内完成碾压的情况下混合料强度能达到设计要求，所以只能作废料处理，这对于施工单位来讲是极不情愿的。

　　2.2延迟时间试验方法

　　表—4

　　成型时间(h) 击实结果无侧限强度试验结果

　　最大干密度P(g/cm3) 最佳含水量(%) 平均值R(MPa) 标准差S(MPa) 偏差系数Cv(%) 代表值Ra(MPa) Rd/(1-ZaCv)(MPa) 强度是否

　　符合要求

　　0 2.229 8.2 4.4 0.24 5.5 4.0 3.8 符合

　　3 2.227 8.2 4.3 0.28 6.5 3.8 3.9 符合

　　4 2.222 8.0 4.1 0.24 5.9 3.7 3.9 符合

　　5 2.216 8.2 3.9 0.27 6.9 3.5 3.9 符合

　　6 2.208 8.4 3.7 0.23 6.2 3.3 3.9 不符合

　　根据设计要求7d无侧限抗强度≥3.5Mpa,初凝时间为315min，终凝时间为370min，试验室试配强度为4.4Mpa，对标准配合比为水泥：碎石=5：100做水泥延迟时间试验，从混合料拌合开始，共做了0h、3h、4h、5h，6h等的标准击实试验和无侧限强度试验，无侧限强度试件分别按标准配合比室内拌制好的混合料延迟按照规范要求成型13个，7天无侧限强度检测结果见表—4。

　　以成型时间H为横坐标，强度代表值Ra和最大干密度为纵坐标，分别绘出成型时间H与强度代表值曲线和成型时间H与最大干密度P曲线，如图-1。

　　从图中可以找出强度为3.5Mpa所对应的时间为5.0h，因此该水稳混合料的延迟时间为5.0h，这说明，从混合料拌合开始，到摊铺碾压结束，时间最长不能超过5h。延迟时间试验应同标准一样，经监理工程师签证并认可才能实施。在施工过程中同时还应考虑水泥凝结时间和天气气温的变化对延迟时间的影响，如水泥凝结时间变化较大，或天气气温与标准延迟时间气温变化较大，则应重新确定延迟时间。

　　3工序检验控制

　　工序检验包括级配检验、水量检测、水泥剂量滴定、无侧限抗压强度试验、压实度检测等。

　　3.1级配检验

　　水泥稳定碎石拌合设备的称量系统应经计量部门定期计量检定，符合要求方可使用。在正式拌制混合料前，必须先调试所用的拌合设备，使混合料的颗粒组成和含水量都达到规定的要求。这样应对各粒级集料进行颗粒分析。试验人员对各种集料取代表样品测定含水量折算成施工配合比后以书面形式提供给拌合机操作员。在不加水和水泥的情况下，将拌和过程中将每种集料单放至正常，然后停机，在输出斜皮带上各取长0.5m的集料，分别测定3种集料的重量，计算出3种集料的总重;将各粒级集料重量分别与总重量的百分比分别与原各粒级集料的百分比含量作比较，如果在规定范围内，则说明计量和配比均准确。如各种集料实际配比与施工配比超出±0.5%范围，则应重新调试或检定拌合设备。

　　仅检验各集料间的配比是否符合要求是不够的，因为原材料进场时各种集料的级配与配合比设计时的级配肯定有一定区别，所以必须对混合料集料的颗粒组成进行分析。在该基层的水泥稳定碎石混合料生产前，不加水和水泥的情况下，其它各粒级集料按施工配合比控制拌合，停机在输料皮带上取长1m的混合集料，按四分法取样秤重烘干后进行水洗筛分，这样可以准确反映混合集料的级配和≤0.075mm颗粒含量，然后将检测结果与规范规定允许偏差比较是否符合要求。但在实际施工生产中，我们发现其它标段取成品混合料(即加水、水泥和集料后拌和)进行级配分析，烘干筛分后将0.075mm通过率减去设计水泥剂量得出0.075mm以下的颗粒含量，这样容易产生误判，因为实际水泥剂量与设计相比总有误差，不能真正反映出0.075mm以下颗粒含量。

　　工序检验包括级配检验、含水量检测、水泥剂量滴定、无侧限抗压强度试验、压实度检测等。

　　3.2含水量检测

　　3.2.1含水量对基层的质量影响

　　混合料的含水量对水泥稳定碎石基层的质量影响主要包括强度、压实度等。击实试验表明，含水量对压实度有较大影响。含水量不同时，相同的混合料在相同的压实功作用下，会产生不同的压实度。当实际含水量接近最佳含水量时，压实度才能保证，当水分过大碾压时容易“弹簧”，且在振动碾压时，容易将水泥浆集聚在表面，这样在取芯检查时，试件下部易出现松散或强度不够。当含水量偏小时，也就是水份偏小时，压实度就会达不到要求，混合料不但难以碾压成型，而且因水泥的物理、化学反应不全面而造成结构层强度难以形成，造成板体松散。所以在施工中除了对拌合时水分控制外还应注意气温，天气的影响。

　　3.2.2混合料的含水量控制

　　厂拌混合料现场,每天由后场专职试验人员在早上、中午、下午分别测定各种集料的含水量,根据施工配合比设计的最佳含水量指标,结合当天的气温、湿度、运距情况确定混合料拌和时的用水量。施工含水量一般较最佳含水量增加0.5%～1%左右(凭施工经验观察而定)。

　　在前场负责检测压实度的专职试验人员,在混合料摊铺整型过程中亦及时测定混合料的含水量,及时指挥压路机碾压,力求在最佳含水量条件下碾压,尽量避免由于含水量过大出现“弹软”、“波浪”等现象,影响混合料可能达到密度和强度,增大混合料的干缩性,使结构层容易产生干缩裂缝;或由于含水量偏小使混合料容易松散,不易碾压成型,也会影响混合料可能达到的密度和强度。所以只有严格按规范施工,加强每一施工环节的质量控制,才能保证施工质量。

　　3.3水泥剂量滴定

　　在施工过程中，要严格控制好水泥稳定碎石的水泥剂量。水泥剂量太小，水泥稳定碎石强度则达不到设计要求;水泥剂量太大，既不经济，又会使基层产生裂缝，对面层构成局部破坏，从而引起沥青面层的相对应的反射裂缝。所以在施工过程中，,必须严格控制水泥用量,做到经济合理，以确保工程质量。

　　采用EDTA滴定法检测水泥剂量。在公路试验规程中，采用将混合料过2.36mm方孔筛后取300克2.36mm以下混合料进行并行二次滴定，取平均值作为实际水泥剂量。但在EDTA滴定法测定水泥剂量的过程中，发现该种方法在实际中含水量和2.36mm以下混合料的含量的变化对其影响很大。混合料含水量在允许偏差范围内，即使实际水泥剂量在偏差范围内，由于含水量的不同，会导致测出的水泥剂量不能满足要求;4.75mm通过率在允许范围内，即使实际水泥剂量在偏差范围内，由于4.75mm通过率不同，也会导致测出的水泥剂量不能满足要求;

　　在本工程中，首先确定标准灰剂量曲线，按3%、4%、5%、6%、7%的灰剂量，集料不过2.36mm筛，把集料、水泥和水直接按标准配合比比例配成两份，每份重量为300g，其他不同的水泥剂量也照此，然后分别用EDTA滴定。以同一水泥剂量的EDTA耗量的平均值为纵坐标，以水泥剂量为横坐标，绘制标准曲线，如右图—2所示。标准灰剂量曲线要报请监理批示后方可使用。在施工开始和施工过程中，从拌和机取混合料样后，不过4.75mm方孔筛，直接取300克混合料用EDTA溶液滴定，平行4次测定水泥剂量，取平均值作为试验结果，这样测出的结果具有代表性，因为不管混合料含水量高低，4.75mm以下颗粒含量多少，理论上讲，设定剂量的水泥拌和后应全部在混合料中，滴定时样品中所有水泥将全部参与化学反应，测出的水泥剂量就是混合料的实际水泥剂量。要求在施工过程中每2小时至少测一次灰剂量，确保水泥剂量的准确。

　　3.4无侧限抗压强度试验

　　每天的无侧限抗压强度是否合格是判定该日施工的水稳是否合格的决定因素，如不能达到设计或规范要求值，则要求必须返工，因此强度试验看似简单，实质应引起试验人员的高度重视。

　　3.4.1混合料取样一定要有代表性

　　水稳碎石基层无侧限抗压强度试件应该在摊铺现场随机单点取样，单独成型。但是由于有延时时间的控制，有些施工单位贪图方便往往就在现场集中取样，统一制件。集中取样的方法虽然很容易控制制件的时间，但由于试样没有代表性，往往不能真实地反映现场的实际情况，容易掩盖混合料拌和不均匀的问题，导致基层存在较多的薄弱点，留下质量隐患。同时样品在成型前必须密封，防止含水量损失。

　　3.4.2室内试件的成型

　　制作称量前对混合料再次人工拌和，每个试件制作时宜分三层装料，每层尽可能捣实，以减少成型前试件高度。用质量较好的不易变形的试模，装料时在试模周围应放些细集料，防止试件周围不密实或有孔洞。用压力机成型试件时一定要对中均匀加压，待上下压柱都压入试模后，维持压力1~2mim。由于试件反弹，制成的试件其高度基本上都在152mm以上，使强度偏低，由于制备试件时采用的是98%的压实标准制成高度和直径均为150mm的试件，由此可以推断出试件实际的压实度仅有150×98%÷152=96.7%。因此一般在上压柱上加一2mm厚、圆149mm左右的金属垫片，则制成的试件其高度就比较接近150mm的标准值。从加水拌和到碾压终了的延时时间对水泥稳定类混合料的强度和所能达到的干密度都有明显的影响，延时时间愈长，混合料的强度和干密度的损失就愈大。而在室内进行制件时，成型的时间应该和对应施工段落的碾压终了时间相同，这样试件的强度值将更能反映现场的实际情况。

　　3.4.3试件养生

　　试件脱模并称量后，应立即进行保温保湿养生，最后一天浸水养护，水温必须与保温保湿养生温度相同。在养生期间，试件质量损失不得超过10g。压试件前必须用抹布吸去可见自由水，清除干净试件上下表面的浮粒后，按规范要求进行抗压试验。计算强度平均值、偏差系数和代表值，并判定是否合格。

　　3.5压实度检测

　　水泥稳定碎石与二灰碎石不同，压实后水泥在水化作用下很快与集料发生胶结凝固，一般灌砂法压实度检测安排在终压结束后立即进行，否则时间一长难以操作，现场配备试验人员和试验工具。若发现压实度不足的现象，要及时补压(碾压取样必须在初凝前结束)或采取其它补救措施，消除质量隐患。压实度试验中应经常检验标准砂的密度。有时压实度达不到要求，主要是碾压不到位，或混合料级配发生变化。故在混合料合格的条件下，碾压遍数一定要足够，因为压实度检测要一定的时间，如经压实度检测发现压实度不够，此时延迟时间已过而不能再补压时，要求返工处理时，损失是相当大的，这是施工单位最不愿意的，所以要控制好压实遍数，宁可多一遍也不要少一遍。不过含水量的变化，也会造成基层压实度不够，在同等碾压条件下，以一段混合料含水量低于最低含水量1%，对比另一段混合料含水量高于最佳含水量1%，混合料含水量低的一段基层的压实度为97%，而另一段能达到99%。

　　4结束语

　　通过在平临高速公路水泥稳定碎石基层的施工中，我们用数据指导生产的观念，搞好试验检测质量控制，有效的控制了工程的施工质量，加快了施工进度。

　　因此我们在以后水泥稳定碎石基层的施工中，要从原材料的控制入手，严格按频率对原材料抽样检验;优化水泥稳定碎石配合比设计，严格控制好碎石合成级配，减少基层干缩应变;在满足设计强度的同时尽量限制水泥的用量，以减少基层的干、温缩的等非荷载裂缝;确定水泥稳定碎石的延迟时间，以延迟时间为限度控制好施工最长时间，指导现场施工生产;严格按检测频率加强和规范工序检验，使级配、含水量、水泥剂量符合设计要求;在无侧限抗压强度试验中，混合料取样一定要有代表性，按规范对试件成型及养生;在终压结束后立即进行压实度检测，以免在压实度不合格时，能及时在初凝前补压。

　　参考文献

　　《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)

　　《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)