水泥- 石灰- 干渣半刚性基层材料路用性能研究

陈松灵

（江苏省科佳工程设计有限公司，江苏 常州 214002）

1 引言

近年来，我国高速公路工程飞速发展。与此同时，公路建设对道路材料需求较大导致资源枯竭，因此，对一些固体废弃材料的开发、研究与利用尤为重要，而干渣作为工业废渣，其物理力学性能与碎石较为相似，具有较好的强度和刚度。我国干渣排放量较大，而利用率较大，本文采用水泥-石灰-干渣作为半刚性基层材料，通过7 d 无侧限抗压强度试验、疲劳强度试验和抗弯拉试验确定最佳水泥、石灰、干渣掺量，并结合水泥-石灰-干渣半刚性基层路段施工工艺，在道路基层中推广应用的水泥-石灰-干渣半刚性基层材料，实现减少土地占用、保护环境、节能减排的可持续发展目标[1]。

2 工程概况

某高速公路为水泥-石灰-干渣半刚性基层，项目路段设计沥青上面层为4cmSBS 改性沥青混凝土，中面层为6cm AC-20 沥青混凝土，下面层为8 cm 沥青稳定碎石，基层为26 cm水泥-石灰-干渣稳定碎石，底基层为28 cm 碎石石灰土。项目路段施工方案见表1。

表1 项目道路各结构层施工方案

3 水泥- 石灰- 干渣半刚性基层最佳方案

3.1 原材料

3.1.1 干渣

半刚性基层力学性能主要由干渣决定。干渣是承受道路行车荷载的重要材料，其基本性能直接影响半刚性基层的力学性能、稳定性能和耐久性能[2]。

3.1.2 水泥

半刚性基层材料采用硅酸盐水泥作为胶凝材料，并对水泥主要矿物水化速度和强度进行检测。水泥的初凝时间、终凝时间、抗压强度和抗折强度关于水泥的基本性能，因此，本文对水泥的初凝时间、终凝时间、抗压强度和抗折强度进行检测，由检测结果可知，水泥初凝时间为169 min，终凝时间343 min，3 d、7 d、28 d 抗压强度分别为18.55 MPa、37 MPa、44.3 MPa，3 d、7 d、28 d 抗折强度分别为3.45 MPa、4.6 MPa、6.45 MPa。检测结果均满足半刚性基层材料对水泥性能的要求。

3.1.3 石灰

石灰水化后可以提高水泥的和易性，且石灰在半刚性基层材料中可以改善其耐水性，增强基层的强度和稳定性。

3.2 水泥- 石灰- 干渣半刚性基层最佳掺量

3.2.1 确定半刚性基层干渣掺量

水泥-石灰-干渣半刚性基层强度的形成由集料组成强度骨架，干渣填充骨架空隙，有利于增强骨料颗粒间的摩擦力，进一步加强集料骨架强度。本文试件采用粒径小于4.75 mm的干渣掺比为0%、20%、40%、60%、80%、100%，并进行7 d 无侧限抗压强度试验、疲劳强度试验和抗弯拉试验，干渣掺比与强度关系如图1 所示。

图1 干渣掺比半刚性基层强度关系图

由图1 可知，半刚性基层抗压强度、疲劳强度和抗弯拉强度随干渣掺比增大呈先增大后减小的趋势，干渣掺比从0%增加到60%，基层抗压强度从3.12 MPa 增加到4.02 MPa，抗压强度增加了28.85%，干渣掺比从60%增加到100%，基层抗压强度从4.02 MPa 减小到3.69 MPa，抗压强度减小了8.21%；干渣掺比从0%增加到80%，基层疲劳强度和抗弯拉强度分别从0.28 MPa、1.21 MPa 增加到0.45 MPa、1.76 MPa，疲劳强度和抗弯拉强度分别增加了60.71%、45.46%，掺比从80%增加到100%，基层疲劳强度和抗弯拉强度分别从0.45 MPa、1.76 MPa 减小到0.43 MPa、1.71 MPa，疲劳强度和抗弯拉强度分别减小了4.44%、2.84%，干渣掺比在60%～80%，基层抗压强度、疲劳强度和抗弯拉强度最优，因此，项目工程高速公路水泥-石灰-干渣半刚性基层干渣掺比选择70%。

3.2.2 确定半刚性基层水泥掺量

本文试件采用水泥掺比为3%、4%、5%，并进行7 d 无侧限抗压强度试验、疲劳强度试验和抗弯拉试验，水泥掺比与强度关系如图2 所示。

图2 水泥掺比半刚性基层强度关系图

由图2 可知，半刚性基层抗压强度、疲劳强度和抗弯拉强度随水泥掺比增大呈增大的趋势，当水泥掺比从3%增加到4%，基层抗压强度、 疲劳强度和抗弯拉强度分别增加了34.01%、62.5%、34.54%；当水泥掺比从4%增加到5%，基层抗压强度、 疲劳强度和抗弯拉强度分别增加了8.68%、7.69%、8.81%。对比水泥掺比3%～4%和4%～5%，基层强度增强幅度较前者大幅度降低，因此在保证基层力学性能的前提下，应选择水泥掺比较小的施工方案，不仅可以提高经济效益，还可以减少路面出现脆性破坏[3]。因此，项目工程高速公路水泥-石灰-干渣半刚性基层水泥掺比选择4%。

3.2.3 确定半刚性基层石灰掺量

本文试件采用石灰掺比为2%、3%、4%，并进行7 d 无侧限抗压强度试验、疲劳强度试验和抗弯拉试验，石灰掺比与强度关系如图3 所示。

图3 石灰掺比半刚性基层强度关系图

由图3 所示，半刚性基层抗压强度、疲劳强度和抗弯拉强度随石灰掺比增大呈先增大后减小的趋势，当石灰掺比从2%增加到3%，基层抗压强度、疲劳强度和抗弯拉强度分别增加了29.93%、15.39%、44.44%； 当石灰掺比从3%增加到4%，基层抗压强度、 疲劳强度和抗弯拉强度分别减小了6.14%、8.89%、7.34%。因此，项目工程高速公路水泥-石灰-干渣半刚性基层石灰掺比选择3%。

4 水泥- 石灰- 干渣半刚性基层路用性能

4.1 施工工艺

为检测水泥-石灰-干渣半刚性基层路用性能，本文选取试验路段K155+000～K160+000，试验路段全程5 km，其中，半刚性基层级配类型选用骨架密实型级配设计，水泥-石灰-干渣半刚性基层材料干渣掺比为70%、水泥掺比为4%、石灰掺比为3%，对基层混合料进行拌和、运输、摊铺、碾压处理，施工完成后对试验路段平整度和压实度进行检测。

4.2 平整度检测

项目工程水泥-石灰-干渣半刚性基层试验路段施工完成后，根据规范要求采用3 m 直尺测得路面平整度，本文在项目路段K156+330～K157+330 和K158+880～K159+880 分别选取2 处检测点进行检测。由检测结果可知，K156+330～K157+330 国际平整度IRI 平均值为0.63m/km；K158+880～K159+880 国际平整度IRI 平均值为0.44 m/km，依据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，国际平整度IRI 应当小于2 m/km，水泥-石灰-干渣半刚性基层路段IRI 值为0.63 m/km 和0.44 m/km，均远远小于2 m/km，满足规范要求，说明水泥-石灰-干渣半刚性基层路段路面具有较好的行车舒适性能。

4.3 压实度检测

水泥-石灰-干渣半刚性基层试验路段施工完成后，根据规范要求采用核子密度仪法对水泥-石灰-干渣半刚性基层路段压实度进行检测，本文在项目路段选取4 处检测点，对检测点A、B、C、D 压实度进行检测，检测结果见表3。

表3 试验路段压实度检测结果表

由表3 可知，K156+330 ～K157+330 压实度平均值为96.5%，K158+880～K159+880 压实度平均值为97.3%，说明水泥-石灰-干渣半刚性基层路段路面具有较好的压实性能，满足施工规范的压实度要求。

5 结语

本项目工程采用水泥-石灰-干渣半刚性基层路段，通过7 d 无侧限抗压强度试验、疲劳强度试验和抗弯拉试验确定最佳水泥、石灰、干渣掺量，并结合实际水泥-石灰-干渣半刚性基层路段施工工艺，得到如下结论：

1）通过抗压强度、疲劳强度和抗弯拉强度确定最佳水泥、石灰、干渣掺量分别为4%、3%、70%；

2）水泥-石灰-干渣半刚性基层路段具有较好的行车舒适性能；

3）水泥-石灰-干渣半刚性基层路段的压实度满足规范的要求。