专利名称：：基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法
技术领域：
：本发明应用于交通土建工程领域，涉及一种基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法。
背景技术：
：-水泥稳定碎石配合比主要涉及有矿质混合料级配、水泥剂量、最大干密度A皿和最佳含水量W。。目前水泥稳定碎石配合比设计方法的原理和试验步骤如下(1)水泥稳定碎石的矿质混合料级配范围符合表1的要求。根据《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2000)中细集料筛分试验方法(T0327-2000)和粗集料筛分试验方法(T0302-2000)确定各规格集料的级配，根据各规格集料的级配和表1的矿质混合料级配范围，确定组成矿质混合料的各规格集料比例；表l水泥稳定碎石的矿质混合料级配范围<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>(2)水泥剂量取3%、3.5%、4.0%、4.5%和5%分别与矿质混合料混合均匀，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94)》中的重型击实法确定不同水泥剂量水泥稳定碎石的/^^和w。；(3)根据重型击实方法确定的^,皿和w。，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94)》中静力压实成型试件方法制作圆柱体试件4)15cmXhl5cra，在热区25°C、温区和寒区2(TC条件下湿养6天、浸水1天，进行无侧限抗压强度试验确定水泥剂量。确定的水泥剂量一般为3.5-5.5%。上述制备方法特点分析如下(1)矿质混合料级配类型对水泥稳定碎石抗裂性能影响较为显著，其中骨架密实型级配抗裂性能最优。表l中骨架密实型级配19mra通过率偏大，粗集料难以形成强骨架结构；4.75mm通过率偏小，细集料难以对粗集料空隙填充密实；0.075ram通过率偏低，难以对混合料孔隙填充，并容易使水泥稳定碎石混合料施工时产生离析。(2)重型击实法确定/^,和w。存在如下缺点①击实方法落后于生产实际。击实方法是基于12-15吨静力压路机提出的，而生产实际已广泛采用20吨以上可调频调幅振动压路机。②含水量测试方法不科学。烘干法测试的含水量不能反映击实过程中因颗粒靠拢而挤出的部分水和混合料烘干过程中水化反应消耗的部分水，这使得测试含水量比拌和时的含水量要小；③模拟效果差、试验重现性差和操作烦杂。首先，重型击实试验对试样击实分三层进行，这与实际现场施工过程中不吻合；其次，分层装料及分层击实厚度、击实后拉毛处理以及击实后对试样表面整平处理会因试验人员的不同而影响击实效果；最后，从备料过程中测集料风干含水量、试样分三层装入击实筒并分层各击实98次、烘干8-12h测含水量的过程操作烦杂、耗时长。(3)静力压实制备试件的方法存在如下缺点①击实方式与静力压实制备方式不相匹配；②静力压实法制备试件不符合实际振动碾压成型基层的条件，制备的试件组成结构与实际碾压成型的基层结构不符；③试件制备过程中粗集料压碎情况较为严重，制备的试件级配与实际碾压成型的基层级配不符；④试件制备过程中含水量损失情况较为严重，制备的试件含水量与实际碾压成型的基层含水量不符；⑤试件制备过程中粗集料压碎导致级配变化、含水量的损失导致无机结合料实际剂量减小等，导致试件的物理力学性质与实际成型的基层物理力学性质不符。
发明内容本发明或者发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法，该方法按照以下步骤(1)配制骨架密实型级配集料，所述骨架密实型级配集料是由不同粒径规格的集料组成的矿质混合料；所述骨架密实型级配集料中粒径小于37.5mm的集料占级配集料的质量5百分率为95-100%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于31.5mra的集料占级配集料的质量百分率为90-100%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于19ram的集料占级配集料的质量百分率为60-70%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于9.5mm的集料占级配集料的质量百分率为40-50%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于4.75mm的集料占级配集料的质量百分率为28-38%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于2.36mm的集料占级配集料的质量百分率为18-28%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于0.6mm的集料占级配集料的质量百分率为10-16%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于0.075ram的集料占级配集料的质量百分率为2-6%;(2)将水泥加入级配集料中，获得水泥稳定碎石混合料，采用振动击实试验方法确定水泥稳定碎石混合料的最大干密度和最佳含水量；其中加入的水泥剂量占级配集料质量百分比的3-5%;(3)采用步骤(2)中水泥稳定碎石混合料，采用振动成型试验方法制备水泥稳定碎石圆柱体试件，水泥稳定碎石圆柱体试件尺寸为直径15craX高度15ciii;(4)对养生6天、浸水1天水泥稳定碎石圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验，根据无侧限抗压强度试验结果设计水泥剂量。所述步骤(2)中振动击实试验方法是指①将级配集料置烘箱中烘干至恒重，温度为105土5t:，时间为4-6小时；②取一份烘干后的级配集料，加入相应水泥剂量的水泥得到混合料；将水加入混合料中拌和均匀，^=4.0-4.5%，其中r,为第一次试验时的拌合含水量(W;③将以上混合料装入直径X高度-150mmX150mm的试模当中，并将试模固定到振动仪上，振动击实100秒-120秒，振动仪参数配置为振动频率30士2Hz、激振力7.6±0.2kN、名义振幅1.4±0.2mrn、工作重量3.0±0.4kN、上车系统1.2±0.2kN、下车系统1.8±0.2kN;⑤用脱模器将试模中的混合料完整推出，即为试验用试样，计算试样的干密度附1A/(,)^"^1'7"7T^~，处"为第i次试验时的试样质量，Kv为第i次试验时的试样体l+0.01.w,积，/=1，2，3，4，5;⑥计算振动成型前后混合料质量差恥w—历抑，其中恥w第i次试验时装入试模当中的混合料质量，当岛w—处w<50g，—w+0.3%，当恥w—处6v》50g，r+1=0.5%，其中K为第i次试验时加入试样的拌和含水量(菊，i=l，2，3，4，5。⑦根据步骤②-⑥方法重复五次试验，得到五组试样的拌和含水量和干密度；绘制干标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度、对应的含水量为最佳含水量。所述步骤(3)中振动成型试验方法是指①将试验所用级配集料置于烘箱中，烘箱温度为105r，时间4-小时；②取一份级配集料，加入相应水泥剂量的水泥并拌合，得到混合料，向混合料中加水，使混合料的含水量达到振动击实法确定的W。；③将加水拌合的混合料装入直径X高度-150mmX150mm的试模当中，装料的质量=,^皿^(1+^。)，#为试件的预定压实度(％)，K为试件的体积(cm3)，A^为振动击实确定的混合料最大干密度(g/cm3)，1为振动击实确定的混合料最佳含水量(%)。将装有混合料的试模固定在振动仪上，振动击实70-90秒。振动仪参数设置为30土2Hz、激振力7.6土0.2kN、名义振幅1.4土0.2腿、工作重量3.0土0.4kN、上车系统1.2±0.2kN、下车系统1.8±0.2kN;④将试模取下，用脱模器小心推出试模内的混合料，即得到制备的圆柱体试件，在热区25'C、温区和寒区2(TC条件下湿养6天、浸水1天。采用本发明设计的水泥稳定碎石能较好地形成骨架密实结构且不易离析、最大干密度大、最佳含水量小、节省水泥用量30%-40%等特点，且具有强度高、抗裂性能和抗冲刷性能好等优点，基本上解决了一直困扰国内外道路工程界关于水泥稳定碎石开裂严重的问题。图1为本发明的组成集料级配曲线和要求合成级配曲线图；图2为本发明的水泥稳定碎石混合料干密度一含水量曲线；具体实施例方式下面结合附图对本发明或者发明做进一步详细描述参见图l、2，基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法，该方法按照以下步骤(1)配制骨架密实型级配集料，所述骨架密实型级配集料是由不同粒径规格的集料组成的矿质混合料；所述骨架密实型级配集料中粒径小于37.5mm的集料占级配集料的质量百分率为95-100%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于31.5mm的集料占级配集料的质量百分率为95-100%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于19mm的集料占级配集料的质量百分率为60-70%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于9.5mra的集料占级配集料的质量百分率为40-50%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于4.75,的集料占级配集料的质量百分率为28-38%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于2.36mm的集料占级配集料的质量百分率为18-28%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于0.6mm的集料占级配集料的质量百分率为10-16%;所述骨架密实型级配集料中粒径小于0.075mm的集料占级配集料的质量百分率为2-6%;(2)将水泥加入骨架密实型级配集料中获得水泥稳定碎石混合料，采用振动击实试验方法确定水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水量；其中加入的水泥剂量占级配集料质量百分比的3-5%;(3)采用步骤(2)中获得水泥稳定碎石混合料，采用振动成型试验方法制备水泥稳定碎石圆柱体试件，水泥稳定碎石圆柱体试件尺寸为4>15cmXhl5cm，其中4)为水泥稳定碎石圆柱体试件直径，h为水泥稳定碎石圆柱体试件高度；(4)对养生6天、浸水1天水泥稳定碎石圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验，根据无侧限抗压强度试验结果计算水泥剂量。所述步骤(2)中振动击实试验方法是指①将级配集料置烘箱中烘干至恒重，温度为105土5'C,时间为4-6小时；②取一份烘干后的级配集料，加入相应水泥剂量的水泥得到混合料；将水加入混合料中拌和均匀，^=4.0-4.5%，其中^为第一次试验时的拌合含水量(%);③将以上混合料装入直径X高度-150ramX150mra的试模当中，并将试模固定到振动仪上，振动击实100秒-120秒，振动仪参数配置为振动频率30土2Hz、激振力7.6±0.2kN、名义振幅l.4±0.2鹏、工作重量3.0±0.4kN、上车系统1.2±0.2kN、下车系统1.8±0.2kN;⑤用脱模器将试模中的混合料完整推出，即为试验用试样，计算试样的干密度附1Aw'7"^~，处w为第J'次试验时的试样质量，K，为第i'次试验时的试样体积，j'=1，2，3,4，5;⑥计算振动成型前后混合料质量差历彻一历加，其中岛w第/次试验时装入试模当中的混合料质量，当岛6v—处w〈50g，w^-ff/H).3%，当历彻一处w》50g，^+1=^.—0.5%，其中w为第i次试验时加入试样的拌和含水量(劝，/=1，2，3，4，5。⑦根据步骤②-⑥方法重复五次试验，得到五组试样的拌和含水量和干密度；绘制干密度一含水量关系曲线，横坐标为拌和含水量，纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度、对应的含水量为最佳含水量。所述步骤(3)中振动成型试验方法是指①将试验所用级配集料置于烘箱中，烘箱温度为105'C，时间4-6小时；②取一份级配集料，加入相应水泥剂量的水泥并拌合，得到混合料，向混合料中加水，使混合料的含水量达到振动击实法确定的W。；③将加水拌合的混合料装入直径X高度二150mmX150mm的试模当中，装料的质量=《Aw"i诗。)，,为试件的预定压实度(％),「为试件的体积(cnO，/^^为振动击实确定的混合料最大干密度(g/cm3)，^为振动击实确定的混合料最佳含水量(%)。将装有混合料的试模固定在振动仪上，振动击实70-卯秒。振动仪参数设置为30士2Hz、激振力7.6士0.2kN、名义振幅1.4土0.2rara、工作重量3.0±0.4kN、上车系统1.2±0.2kN、下车系统1.8±0.2kN;④将试模取下，用脱模器小心推出试模内的混合料，即得到制备的圆柱体试件，在热区25。C、温区和寒区20。C条件下湿养6天、浸水1天。具体做法是(l)将各规格集料进行筛分试验，结果见表3;根据表3集料筛分试验结果及表2级配范围确定各规格集料比例，见表3和图1，按各规格集料比例混合成矿质混合料照简称试料。由表3数据可知，各规格集料比例为19-37.5mro:9.5-19.0mm:4.75-9.5mm:石屑=40:18:12:30。9表3水泥稳定碎石底基层级配设计表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(2)振动击实试验方法确定水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水量:①将比例为19-37.5mm:9.5-19.Omm:4.75-9.5咖:石屑二40:18:12:30的试验所用试料置于烘箱中，烘箱温度为105'C,时间为5小时。从烘干的试料当中取出5份试料，每份质量为5000g。②取一份试料平铺于金属盘中，加入水泥剂量4.0%，即水泥用量为200g，拌合均匀。第1次试验时，将拌合含水量为4.2%的水均匀的喷洒在混合料上并拌合均匀。③将加水拌合均匀的混合料装入直径X高度二150mmX150mm的试模当中，装料前，称得试模质量为15231g。按照四分法将混合料尽量全部装入试模当中，称重为20641g，减去试模质量，算得实际装料质量恥"产5410g。将装有混合料的试模固定在振动仪上，振动击实为100秒，振动仪参数设置为振动频率30Hz、激振力7.6kN、名义振幅1.4咖、工作重量3.0kN、上车系统1.2kN、下车系统1.8kN。④将试模取下，用脱模器小心推出混合料试件，称重得到辺加尸5384g。用游标卡尺测量试件的高度为11.98cra，经计算得试样的干密度/^,~~^---^——=();rx7.52x11.981+0.01x4.22.441g/cm3。⑤振动击实前后混合料的质量差岛w—"加产26g，小于50g，因此确定第2次试验时的加水量K为4.5%。⑥按照上述②-⑤试验方法重复进行5次试验，结果见表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>⑦以含水量为横坐标，以干密度为纵坐标，绘制干密度一含水量曲线，见图2。如图2所示，曲线峰值所对应的干密度2.444g/cm3为最大干密度、对应的含水量4.3%为最佳含水量。根据上述步骤，依次确定水泥剂量为3.0%和3.5%的水泥稳定碎石最大干密度和最佳含水量，见表5。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>(3)振动成型试验方法成型试件①将比例为19-37.5mm:9.5-19.0mm:4.75-9.5mm:石屑=40:18:12:30的试验所用试料置于烘箱中，烘箱温度为105"C，时间5小时。称取烘干后的试料6500g。②将试料放在长方形铁盘中，加入水泥剂量4%，即260g水泥，拌合均匀。再向其中加入4.3%的含水量，即291g水，拌合均匀得到混合料。③将加水拌合均匀的混合料装入直径X高度二150mmX150mm的试模中，装料的质量=0.98X2.444X(7.5X7.5X;rX15)=6349g。将装有混合料的试模固定在振动仪上，振动击实80秒。振动仪的参数设置为振动频率30Hz、激振力7.6kN、名义振幅1.4mm、工作重量3.0kN、上车系统1.2kN、下车系统1.8kN。④将试模取下，用脱模器小心推出试模内的混合料，即为制备的圆柱体试件，在热区25°C、温区和寒区2(TC条件下湿养6天、浸水1天。根据上述步骤和表5中W。和A,，依次制备水泥剂量为3.0%和3.5%的水泥稳定碎石制备的圆柱体试件。不同水泥剂量水泥稳定碎石试件不少于6个。(4)对养6天、浸水1天试件进行无侧限抗压强度，试验结果见表6。表6不同水泥剂量水泥稳定碎石强度试验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(5)根据表6强度试验结果可知，水泥剂量3.0%的水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度概率保证值R^5〉R^3.0MPa，即满足5(1-Z。CV)2&要求。因此，水泥剂量设计值为3.0%。(6)抗裂型水泥稳定碎石配合比设计结果见表7。表7抗裂型水泥稳定碎石配合比设计结果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在水泥稳定碎石混合料中，所用集料的粒径尺寸范围较大，而天然或人工轧制的一种集料一般粒径尺寸范围比较小，难以满足工程对某一混合料的目标级配范围要求，因此需要将两种或两种以上的集料掺配使用，即矿质混合料，简称矿料。矿质混合料组成设计的目的就是根据目标级配范围要求，确定各种集料在矿质混合料中的合理比例。集料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配，级配通过筛分试验确定，筛分试验根据《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2000)中细集料筛分试验方法(T0327-2000)和粗集料筛分试验方法(T0302-2000)进行，是将集料通过一系列规定筛孔尺寸的标准筛，测定存留在各个筛上的集料质量，根据集料试样的质量与存留在各筛孔上的集料质量，就可求得一系列与集料级配有关的参数，即分计筛余百分率、累计筛余百分率和通过百分率。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。权利要求1、基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法，其特征在于，该方法按照以下步骤(1)配制骨架密实型级配集料，所述骨架密实型级配集料是由不同粒径规格的集料组成的矿质混合料；所述骨架密实型级配集料中粒径小于37.5mm的集料占级配集料的质量百分率为95-100％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于31.5mm的集料占级配集料的质量百分率为90-100％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于19mm的集料占级配集料的质量百分率为60-70％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于9.5mm的集料占级配集料的质量百分率为40-50％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于4.75mm的集料占级配集料的质量百分率为28-38％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于2.36mm的集料占级配集料的质量百分率为18-28％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于0.6mm的集料占级配集料的质量百分率为10-16％；所述骨架密实型级配集料中粒径小于0.075mm的集料占级配集料的质量百分率为2-6％；(2)将水泥加入骨架密实型级配集料中，获得水泥稳定碎石混合料，采用振动击实试验方法确定水泥稳定碎石混合料的最大干密度和最佳含水量；其中加入的水泥剂量占骨架密实型级配集料质量百分比的3-5％；(3)采用步骤(2)中水泥稳定碎石混合料，采用振动成型试验方法制备水泥稳定碎石圆柱体试件，水泥稳定碎石圆柱体试件尺寸为直径15cm×高度15cm；(4)对养生6天、浸水1天水泥稳定碎石圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验，根据无侧限抗压强度试验结果设计水泥剂量。2、如权利要求1所述基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中振动击实试验方法是指①将级配集料置烘箱中烘干至恒重，温度为105土5"，时间为4-6小时；②取一份烘干后的级配集料，加入相应水泥剂量的水泥得到混合料；将水加入混合料中拌和均匀，^=4.0-4.5%,其中^为第一次试验时的拌合含水量(y。)；③将以上混合料装入直径X高度-150mmX150mm的试模当中，并将试模固定到振动仪上，振动击实100秒-120秒，振动仪参数配置为振动频率30土2Hz、激振力7.6±0.2kN、名义振幅1.4±0.2咖、工作重量3.0±0.4kN、上车系统1,2±0.2kN、下车系统1.8±0.2kN;⑤用脱模器将试模中的混合料完整推出，即为试验用试样，计算试样的干密度附"、1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>，火^-验日寸^i式肖质量'K"力第i次i式验日寸的i式样体积，j'=l，2，3,4，5;⑥计算振动成型前后混合料质量差历柳一历抑，其中岛w第J'次试验时装入试模当中的混合料质量，当恥w—处w<50g，ww=3%，当历,w—处似》50g，m刊=r—0.5%，其中w为第i次试验时加入试样的拌和含水量(韵，2，3，4，5;⑦根据步骤②-⑥方法重复五次试验，得到五组试样的拌和含水量和干密度；绘制干密度一含水量关系曲线，横坐标为拌和含水量，纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度、对应的含水量为最佳含水量。3、如权利要求1所述基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中振动成型试验方法是指①将试验所用级配集料置于烘箱中，烘箱温度为105'C，时间4-6小时；②取一份级配集料，加入相应水泥剂量的水泥并拌合，得到混合料，向混合料中加水，使混合料的含水量达到振动击实法确定的W。；③将加水拌合的混合料装入直径X高度二150mmX150mm的试模当中，装料的质量=^V^nax「(1+,。)，^为试件的预定压实度(％)，K为试件的体积(cm3)，^^为振动击实确定的混合料最大干密度(g/cm3)，1为振动击实确定的混合料最佳含水量(%)。将装有混合料的试模固定在振动仪上，振动击实70-90秒。振动仪参数设置为30士2Hz、激振力7.6士0.2kN、名义振幅1.4土0.2ram、工作重量3.0±0.4kN、上车系统1.2±0.2kN、下车系统1,8士0.2kN;④将试模取下，用脱模器小心推出试模内的混合料，即得到制备的圆柱体试件，在热区25°C、温区和寒区20'C条件下湿养6天、浸水1天。全文摘要本发明公开了一种基于振动试验法的抗裂型水泥稳定碎石配合比设计方法，该方法按照以下步骤(1)配制骨架密实型级配集料；(2)将水泥加入级配集料中获得水泥稳定碎石混合料，采用振动击实试验方法确定水泥稳定碎石混合料的最大干密度和最佳含水量；其中加入的水泥剂量占级配集料质量百分比的3-5％；(3)采用步骤(2)中水泥稳定碎石混合料，采用振动击实试验方法制备水泥稳定碎石圆柱体试件，水泥稳定碎石圆柱体试件尺寸为直径15cm×高15cm；(4)对养生6天、浸水1天水泥稳定碎石圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验，根据无侧限抗压强度试验结果设计水泥剂量。采用本发明设计的水泥稳定碎石能较好地形成骨架密实结构且不易离析、最大干密度大、最佳含水量小、节省水泥用量30％-40％等特点，且具有强度高、抗裂性能和抗冲刷性能好等优点，基本上解决了一直困扰国内外道路工程界关于水泥稳定碎石开裂严重的问题。文档编号B28C7/00GK101653967SQ200910023939公开日2010年2月24日申请日期2009年9月17日优先权日2009年9月17日发明者毅张,蒋应军申请人:长安大学