二灰碎石抗裂性的改进

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[摘 要]通过对二灰碎石缩裂的机理分析，研究了“富余”二灰导致二灰碎石产生缩裂的原因及其作用模式，提出了二灰碎石中二灰含量与集料空隙率相当，采用断级配集料是解决缩裂问题的有效手段，探讨了满足强度和抗裂性综合要求的二灰碎石配合比设计方法。

[关键词]二灰碎石缩裂机理 断级配 振实空隙率配合比设计

中图分类号：TU521.2+5 文献标识码：A

1概述

目前国内绝大部分的二级以上公路沥青路面基层和底基层都采用半刚性基层材料，而石灰、粉煤灰稳定碎石(以下简称二灰碎石)以其具有强度高、水稳定性好、抗冲刷能力强、施工工艺相对简单等优点，得到了广泛的采用。随着二灰碎石的普遍使用和不断深入的研究，在工程实践中已取得了许多成熟的经验和可喜的成果，但也存在一些急待解决的问题，尤为突出的是二灰碎石基层的缩裂问题。作为半刚性材料，二灰碎石要有足够的强度，满足承载要求，少量缩裂的产生往往难以避免，但过多的裂缝将对路面尤其是沥青路面造成较大的破坏。随着由二灰碎石基层收缩裂缝引起的沥青面层的反射裂缝的产生，雨水不断浸入路基、路面结构，在行车荷载的反复作用下，产生冲刷和卿浆现象，使路面很快产生结构性破坏，严重地影响了道路的使用性能和耐久性。

目前国内对于如何有效地减轻和控制二灰碎石基层的研究大都局限于调整集料级配、加大主骨料含量的方法。而笔者通过对二灰碎石基层缩裂机理的深入分析，认为：要保证二灰碎石基层具有足够的强度，满足承载要求，同时又能具有较好的抗裂性，必须采取两个方面的措施，一是二灰含量与集料空隙率相对应，二是采用断级配集料，在二灰碎石内形成稳定的框架。

2 缩裂机理分析

由于二灰碎石混合料中的石灰和粉煤灰(以下简称二灰)具有较集料大得多的温缩和干缩系数，因而二灰碎石基层的收缩可以认为是由二灰的收缩导致的。二灰的自身收缩以及引起二灰碎石基层的收缩过程可用下列模式表述：

图1模式为集料处于压实状态，此时集料颗粒之间相互嵌挤，形成稳定的框

架，而分布于其空隙间的二灰则以独立的形式存在，相互间互不接触。当二灰 发生收缩时，仅限于在集料空隙间产生收缩应力，而其变形受集料框架的限制，集料稳定的框架承担二灰产生的收缩应力，框架结构不受影响，各自独立的框架内的二灰收缩变形也不会发生连续叠加。而以原生矿物为主的集料与次生矿物含量多的二灰相比，具有较小的线膨胀系数。因而在这种情况下，二灰碎石不会因二灰的收缩而发生收缩变形。

但图1仅是理想状态的模型，而在实际中混合料即使在最密实的状态下，由于二灰以固态存在于混合料中，不具有较好的流动性，因而集料颗粒之间不会相互紧密接触以至使二灰全部隔断，而是如图2所示的状态。

在图2中集料之间不是相互接触，由于b部分二灰体积的存在，使集料之间产生一定的隔离层。这时二灰在混合料中可以认为分布于两个区域内，一部分是在被集料所包围的空隙内，如图2中a2部分；一部分在集料与集料之间距离最短部分的隔离层内，如图2中b部分

当二灰发生收缩变形时，a2部分与b部分二灰均发生体积收缩，收缩量分别为Δa2和Δb，且Δa2和Δb，此时a2部分的二灰虽不像图1中a1部分二灰那样受到稳定的框架限制，但也受集料与b部分二灰组成类似框架型结构的制约和影响，该类似框架型结构在二灰收缩下可产生一定的变形，其变形量等于Δb，此时虽然Δa2>Δb，但变形后的b部分二灰与集料组成的类似框架已处于稳定状态，不再产生收缩变形。集料I和Ⅱ之间的相对位移量等于Δb ,因受b部分二灰的抗变形能力的制约，集料I、Ⅱ之间的位移不受Δa2部分二灰的影响，也就是说，二灰碎石的体积变化是由b部分二灰引起的，各集料之间的隔离层二灰的收缩量叠加值就是二灰碎石体积变化量。当一定长度的叠加值超过二灰碎石的极限拉应变时，便产生收缩裂缝。

由此可见减少二灰碎石基层的收缩裂缝可通过减少各集料隔离层间二灰体积的措施来实现，即减少集料间隔离层的厚度。由于隔离层在现实中不可消除，所以要使二灰碎石具有较好的抗裂性，就必须使隔离层厚度处于最小值。

对于图 1理想状态而言，隔离层厚度为零，所以二灰碎石收缩变形很小，二灰在混合料中仅以一种形式存在于集料间的框架内，即图中阴影a1部分。相对于理想状态而言，超出集料框架空隙以外的二灰称为“富余”二灰，而正由于“富余”二灰的存在，在实际状态下，二灰以两种形式分布于集料间(图2),一部分存在于集料围成的空隙a2内，另一部分则以b形式存在于集料的隔离层内(b部分)。

“富余”二灰的多少是影响二灰碎石收缩变形大小的重要因素。“富余”二灰增加，则集料间的隔离层厚度增加，收缩变形增大，二灰碎石的收缩变形就加剧。

由以上“富余”二灰导致二灰碎石基层缩裂的过程可知，减少二灰碎石的收缩裂缝，就应尽量减少“富余”二灰的存在，使分布于二灰碎石混合料中的二灰尽可能地存在于被集料围成的空隙内(图2中a2部分)，此时混合料中集形的空隙率就成为确定二灰含量的依据。当二灰数量超过集料空隙的量增加时，“富余”二灰增加，收缩裂缝产生的可能性也增大；当二灰数量不足以填充集料空隙时，集料的空隙不被充满或充满的二灰不够密实，导致二灰碎石的半刚性性能差，不能满足荷载要求。而只有当二灰含量与集料空隙相当时，可使二灰以压实状态充满集料空隙，并使“富余”二灰处于最低值，满足强度与抗裂性的综合要求。

3减轻二灰碎石缩裂的对策

3. 1 采用断级配集料

由上述对二灰碎石缩裂的机理分析可知，要使二灰碎石的收缩变形量减小，就必须尽可能地使二灰存在于集料框架内，而集料是否能较好地形成框架，框架是否稳定，是否具有足够的抵抗二灰收缩变形的能力，则成为减少二灰碎石收缩变形的先决条件。在现行的二灰碎石组成设计中，集料多采用连续级配。在连续级配的集料中，由于集料之间粒径连续，相互干涉，主骨料被细集料分离，主骨料之间形成不了框架，而主骨料与细集料之间所组成的框架，由于集料之间接触的结点较多，框架稳定性较差，在受到二灰的收缩应力作用时，容易产生变形。在这情况下，二灰的收缩受集料的约束较小，而收缩变形势必相互累积、叠加，容易导致二灰碎石基层收缩裂缝的产生。

当集料的级配形式采用断级配时，有利于主骨料形成紧密、稳定的框架，而细集料以及二灰则用以填充主骨料空隙。此时二灰碎石混合料中的二灰发生收缩变形时，将受到骨料框架的制约，减少收缩变形的累积和叠加量，从而减轻二灰碎石的缩裂程度。

根据上述对集料的要求，建议断开5~10 mm粒径间集料，增加粒径10 mm以上集料形成混合料主框架，控制5mm以下集料，仅用于填充框架空隙。

在试验室对二灰碎石的温缩、干缩变形测定中，也可看出采用断级配集料有利于抗裂性的提高，见下表。

表1不同级配类型二灰碎石温缩、干缩系数对比

集料级配类型 二灰含量% 温缩系数a1/10-6C

（-10~10C） 干缩系数a/10-5（最大含水量7%）

连续级配 20 34．17 24．68

18 27．93 18．64

15 22．13 13．97

断级配 20 20．58 11．38

18 11．54 7．68

15 10．26 6．64

3.2 依据集料振实空隙率确定二灰含量

采用断级配集料，有利于集料形成框架结构，而如何保证框架不因二灰的加入而被破坏，如何使框架内的二灰以密实的状态充满空隙来保证半刚性基层的强度，则使二灰含量的确定成为关键。二灰含量过多，则骨料框架被破坏，导致“富余”二灰增加，二灰碎石抗裂性下降；二灰含量过少，则集料空隙不被充满，或二灰在混合料中不能达到一定的压实状态，导致二灰碎石的强度不能满足要求。

二灰碎石混合料经压实机械压实后，既要使集料以紧密的框架存在于混合料中，又能将二灰充分压实并充满集料空间，此时集料的排列应是紧密的，集料所处的状态应是振实状态。也就是说，此时集料的空隙率应是振实空隙率。当二灰含量与集料振实空隙率相当时，二灰碎石具有良好的抗裂性，并且能够满足强度要求。

表 2不同二灰含量的二灰碎石温缩、干缩系数对比

集料

级配

类型 二灰

含量

/% 集料振实空隙率/% 温缩系数a1/10-6C

（-10~10C） 干缩系数a/10-5 最大含水量%

断

级

配

20 31．3 23．26 15．29 9．0

18 31．7 13．79 10．11 8．5

16 31．5 5．78 3．19 7．0

14 31．1 4．32 2．38 6．6

所以，要使二灰碎石在满足强度的基础上具有良好的抗裂性，应从两个方面加以控制，一是集料采用断级配形式，保证骨料框架的形成；二是控制二灰含量，使其与集料的振实空隙率相当。

4二灰碎石配合比设计方法

4·1集料级配设计

4.1.1 控制集料最火粒径

为了防止混合料运输、摊铺过程中产生离析现象，必须控制集料的最大粒径。集料最大粒径以31.5mm为宜。

4.1.2 断开5~10 mm粒径间的集料

以粒径10mm以上集料为骨料，形成混合料框架，5mm以下集料含量应控制在不超过骨料空隙的范围内，建议用表4级配范围取用集料

表 3二灰碎石集料级配范围

筛孔尺寸/mm（方孔筛） 31.5 19.000 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.075

通过百分率% 100 57~67 20~30 20~30 16~22 10~16 5~10 0~4

4·2测定集料振实空隙率

完成集料级配设计后，应对集料的振实空隙率按规范规定方法进行测定。

4·3计算所需二灰含量.

根据二灰含量应与集料振实空隙率相当的原则，测定集料振实空隙率后，即可按下式计算所需二灰含量。

X= 100 %

式中：X为二灰含量（%）；ρt为二灰最大干密度（g/cm3），由重型击实试验测得；ρ2（加权平均值）为集料表观密度（g/cm3），n为集料振实空隙率。

4·4 进行强度校核

计算得出二灰含量X 后，应以X一2%、X一1%、X、X+1%、X十2%五个不同含量的二灰按规范规定方法制件，测7d无侧限抗压强度，看是否满足设计要求。

4·5 确定施工配合比

强度评定合格后，即可根据计算二灰含量，确定施工配合比。强度以能满足设计要求为宜，不应追求强度的高值。随着二灰含量的增加，二灰在二灰碎石中的被压实程度也随之增加，因而二灰自身强度提高，从而二灰碎石的整体强度也随之增加。但同时，二灰含量超出集料空隙过多时，二灰碎石中集料框架随之被破坏，“富余”二灰增加，抗裂性也随之下降。故强度评定不能满足设计要求时，从抗裂性角度出发，二灰含量也不应超过计算二灰含量的2%，而应对原材料进

图3配合比设计流程图

行分析或增加一定数量的水泥等外加剂，来提高二灰碎石的强度。

因此，施工配合比应取用能满足强度要求的二灰含量的低值，使二灰碎石具有足够的强度、适宜的刚度和良好的抗裂性。

根据以上设计思想，建议用如图3所示的设计进行二灰碎石配合比设计。

5 结语

(1 )“ 富余”二灰是导致二灰碎石基层缩裂的根本原因，解决缩裂问题，就必须减少“富余”二灰，使二灰尽可能地存在于集料框架内。

(2) 为使集料能够较好地形成稳定的框架，应该使用断级配集料，以断开5--10 mm粒径为宜，5mm以下细集料填充主骨料空隙。

(3) 二灰含量应与集料振实空隙率相对应.才能减少“富余”二灰的存在，同时保证二灰充满集料空隙。

(4) 配合比设计中，按计算所取的五种二灰含量，取值时应尽量采用符合强度要求的二灰含量的低值，以保证二灰碎石具有足够的强度和较好的抗裂性。

参考文献：1、《半刚性路面材料结构与性能》（沙爱民）

2、《高等级公路半刚性基层及沥青路面》（沙庆林）