水稳配合比优化QC小组1

水泥稳定碎石土配合比优化QC研究报告一、 QC兴趣小组成立的目的为了加强项目技术创新与科技研发管理，推动科技进步，根据局下发的《技术创新与科技研发管理办法》的相关规定及要求，特成立QC兴趣小组。二、 研究课题按最小空隙法研究水泥稳定碎石配合比优化设计。三、 QC小组成员组长：胡宇峰副组长：黄鑫，颜超，赵伟组员：张利峰、古旭东、苏树、吴宇、许二欢、肖丰涛、游杰、杨勇王斌、李豪、欧阳威、尼博桢、赵帅四、 时间及计划安排本QC小组研究该课题的起止时间为：2012.4~2012.10计划安排：月：完成QC小组成立及各人负责部分，收集相关资料及技术规范。月：调查现状及确定配合比优化设计的理论依据及理论公式。6~8月：根据理论依据初步确定配合比，并进行压缩性试验验证设计配合比是否达到优化效果。9~10月：将优化后提出的配合比应用到试验段，根据试验段结果进行总结，进一步优化设计。五、现状调查水泥稳定碎石由于其有强度高、稳定性好、刚度大等优点，在公路路面结构层中已被广泛应用。但在一些工程中由于水泥稳定碎石材料级配组成比例不当，造成其密实性差、强度低，从而使水泥稳定碎石很难发挥其优越性能，甚至导致水泥稳定碎石半刚性基层材料出现各种早期破坏。为此，必须进行水泥稳定碎石配合比组成最佳设计，而最佳组成设计的关键是在规范要求的级配曲线范围内，选择集料空隙率最小的曲线。根据我们小组大量的收集资料及试验研究证明，按最小空隙率法进行水泥稳定碎石半刚性基层材料的配合比设计．能取得水泥石混合料的最佳组成，很好地发挥水泥稳定碎石的优越性能．提高路面的使用寿命。六、课题成立的理论依据按最小空隙率法进行水泥稳定碎石配合比设计的基本原理是，当半刚性基层材料的粗集料形成骨架时，集料颗粒间所形成的空隙用水泥石填充，形成骨架密实结构。若水泥石含量过多，则不能形成密实骨架，导致稳定性差，而且会增加因水泥石收缩而造成路面出现裂缝的可能性：若水泥石含量过少，空隙率大，空隙不能被填满，则强度低、整体性差。七、组成设计基本参数公式1.集料参数公式（1）集料的平均堆积密度集料的堆积密度是测定集料空隙率的重要参数之一。由于组成水泥稳定碎石的集料大多数是由不同规格的单集料组合而成，因此．对

于水泥稳定碎石的集料而言，其堆积密度应采用平均堆积密度。由大于4.75mm的粗集料的振实堆积密度和小于4.75mm的细集料的紧装堆积密度，按不同含量加权平均而得。设组成水泥稳定碎石的集料中，大于4.75mm的粗集料含量为a%，振实堆积密度为p(t/m3),小于1i 1i4.75mm的细集料的紧装堆积密度为p(t/m3),那么集料的平均堆积密度p(t/m3)及组合后的集料的平均堆积密度p(t/m3)分别为:iii1)1)2)iiA1—A—Hr+ Hp£艺另-iPpp£艺另-iP2iipii式中，A是各种规格集料的合成含量(％)i2)集料的平均表观相对密度根据所选的各种原集料，分别测定其大于4.75mm的粗集料含量B和其表观密度p(t/m3)及小于4.75mm的细集料的表观相对密TOC\o"1-5"\h\zi4.75 1i度p(t/m3)，通过计算求出该集料的表观相对密度p(t/m3)，及组2i ti合后集料的表观相对密度p(t/m3)分别为：t3)43)4)pti_~B 1—B——+ 1i p2i工Bpi_艺茁ii式中，B是各种规格集料的合成含量(％)i3)集料的空隙率

已知p(t/m3)、p(t/m3)后，根据下式可以计算得集料的空隙it5)率5)1pn二1ipt(4)1m实体中水泥石的含量已知空隙率n、水泥石的最大干密度P,可以根据下式计算1m实体中水泥石的重量为：Q=n•P (6)由公式(5)可知,组合后的集料空隙率大小不仅与组成集料各单集料本身的物理性质有关,也与各单集料在组合后集料中的含量有关,因此,要调整组合集料的空隙率,对于本身物理性能确定的单集料来说,只有调整其在组合集料中的含量才能改变组合后集料的空隙率。故若要实现组合后集料的空隙率最小,就必须使得各组成单集料在组合集料中的含量合理。对于指定水泥剂量的水泥稳定碎石材料来说．公式(6)中的P值可通过击实试验得到一个定值,其中的Q值等于所用各单集料中细集料的量与水泥量之和,这样公式(6)可变为n=Q/P，即为公式(5)的验证式，这说明只有当通过试验得到的水泥石的最大干密度与空隙率之积与1m实体中实际干水泥石的重量近似相等时，说明所得到的最小空隙率才是合理的。七、试验段试用结果1.集料级配组合调整由于单一集料的级配不能满足规范的要求，必须对其进行组合调配，调配结果如级配曲线图1所示。经过反复调配发现，当碎石(2-4)：碎石（1-2）：石屑=25：35：40和碎石（2-4）：碎石（1-2）：石屑=50：0：50时（图1中的长虚线），碎石（2-4）与碎石（1-2）间的空隙率分别为0.43和0.40,但前者曲线形状比后者的更为合理，因此可以认为0.43是所要求的最小空隙率。根据图1可知，按碎石（2-4）：碎石（1-2）：石屑=25：35：40组合后，集料小于4.75mm的细集料占41.7%。级和曲线禺loo级和曲线禺loo直盹祀Eso.gg扯览a（2）配合比的初步确定根据级配调整结果，将组合后的集料中小于4.75mm的细集料按其在集料中所占比例与不同剂量的水泥混合进行击实试验。根据击实试验结果，选择水泥剂量为5.0%,最大干密度为2.42g/cm3 ，那么，由前述公式可得所需水泥石的量为1.04t/m3；又由于水泥稳定碎石混合料最大干密度为2.48g/cm3，那么实际组合后的集料中小于4.75mm的细集料含量已达0.99t/m3，而选择空隙率为0.43时，实际需要小于4.75mm的细集料量为0.92t/m3。这样，需对集料中对细集料含量影响较大的石屑含量进行调整，调整原则是保证空隙率不变.细集料含量接近0.92t/m3，经过调整和验证，集料级配最终组合结果为碎石（2-4）：碎石（1-2）：石屑=25：40：35。根据强度试验结果，配合比确定为A碎石（2-4）：碎石（1-2）：石屑=25：40：35；水泥剂量为5.0%；混合料最大干密度为2.49g/cm3,最佳含水量为4.5%。为便于比较研究，根据试验选择B碎石（2-4）：碎石（1-2）：石屑=50：0：50和C碎石（2-4）：碎石（1-2）：石屑=0：70：30作比较试验，其水泥用量均为5.0%。混合料最大干密度分别为2.51g/cm3和2.48g/cm3。最佳含水量分别为4.4%和4.5%。（3）收缩性试验这里所说的水泥稳定碎石基层材料的变形是指非荷载作用下的变形，即干缩变形和温缩变形。虽然水泥稳定碎石基层具有强度高、稳定性好和刚度大等特点，但如果其材料组成不当，就很容易在温度和湿度发生变化时产生干缩和温缩裂缝，从而导致基层的抗冲刷和抗荷载能力下降，甚至导致路面出现早期破坏。本课题在总结这方面研究经验的基础上，利用初步选用的设计配合比A和参考配合比B、C进行比较研究。干缩性能水泥稳定碎石的干缩裂缝的发生，主要是由于混合料中水分的散失导致材料的收缩而引起的。根据上述两种不同的配合比，分别在其最佳含水量和最大干密度下制作5cmx5cmx24cm的梁式试件，在同一自然温度和自然湿度的条件下养护28d，进行干缩试验。试验结果如图2所示。

OAflLftKSd•-I--■E配倉OAflLftKSd•-I--■E配倉比甜一♦—車昔比7■也配合比詔一•一匚紀豊比誠誉镒昨W卜需604020先水芋莎（吒）^2干網蛙隆仙筑阳根据试验结果分析。配合比为A的试件的最大失水率为2.7%,对应的最大干缩应变为102x10-6，最大干缩系数为32x10-6；配合比为B的试件的最大失水率为3.1%,对应的最大干缩应变为125x10-6,最大干缩系数为61x10-6；配合比为C的试件的最大失水率为3.3%,对应的最大干缩应变为142x10-6，最大干缩系数为87x10-6:这说明配合比为B、C的试件比配合比为A的试件结构容易产生裂缝，C的干缩性能最差。温缩性能水泥稳定碎石材料由三个相组成，即不同矿物颗粒组成的固相、液相（水）和气相，这三个相在降温过程中相互作用，使半刚性材料产生体积收缩，从而产生常说的温缩裂缝。据有关资料表明，就组成水泥稳定碎石固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小，而粉粒以下颗粒温度收缩系数较大；存在于水泥稳定碎石半刚性材料内部的较大空隙、毛细孔和孔中的水通过“扩散作用”“表面张力作用”和“冰冻作用”三个作用过程，对半刚性材料的温度收缩特性产生极大影响。因而影响水泥稳定碎石基层材料温度收缩

特性的主要因素是含水量、集料中的矿物成份、环境温度和龄期。本课题就环境温度的变化对上述两种配比的混合料的温度收缩影响进行比较试验研究。根据上述两种不同的配合比，分别在其最佳含水量和最大干密度下制作5cmx5cmx24cm的梁式试件，在同一自然温度和自然湿度的条件下养护28d，进行温缩试验。试验结果如图3所示。■' -AfK&Hy■' -AfK&Hy-••A/E合tt记PT3爲埔性储曲缕图根据上述结果可知，配合比B、C的混合料的温缩系数与温缩应变在-20°C〜20°C内都比配合比A的混合料大，而且不难看出，混合料的温缩性能一般在高于-5°C时较小且三者相差不大，低于-5°C后，混合料的温缩加快，且三者相差较大。因此，从温缩性能来看，配合比为A的混合料优于配合比为B的，C的温缩性能最差。综上所述，无论从干缩性还是温缩性方面考虑，配合比为A的混合料都比参考配合比为B、C的优越。八、结论实践证明，按最小空隙率法进行配合比设计的水泥稳定碎石半刚性基层，不仅7d内能取出完整的芯样，提高了基层的强度、抗冲刷能力、耐久性，而且大大降低了水泥稳定碎石半刚性基层材料的干缩、温缩裂缝，从整体上充分发挥了水泥稳定碎石半刚性材料的优越性能，提高了