无机结合料稳定材料配比优化方案

【项目描述】

无机结合料稳定材料组成设计是路面结构设计的重要组成部分。无机结合料稳定类材料的配合比设计，也称混合料的组成设计，包括目标配合比设计、生产配合比设计和施工参数确定3部分。目标配合比设计是根据公路等级、交通荷载等级、结构形式、材料类型等因素确定的某种稳定材料的技术要求选择的合适原材料及掺合料(需要时)来确定目标级配及各档矿料的掺配比例，确定结合料的剂量及混合料的最佳含水率。生产配合比设计和施工参数的确定结合生产现场的拌和设备来完成，主要目的是完成拌和设备的调试标定、施工中结合料的剂量、施工合理的含水率、水泥稳定材料的容许延迟时间等内容。

本项目学习无机结合料稳定材料的目标配合比设计。学生通过对相关理论知识的学习，通过完成“给定数据确定矿质混合料的掺配比例、最佳含水率及结合料(水泥或石灰)的剂量”工作任务的训练，掌握无机结合料稳定材料目标配合比设计的方法和步骤。

【学习目标】

①熟悉无机结合料稳定材料配合比设计流程。

②熟悉水泥稳定材料、石灰稳定材料的配合比设计步骤。

1.相关知识

（1）设计主要指标

无机结合料稳定材料配合比设计的主要指标为7 d龄期无侧限抗压强度。

（2）无机结合料剂量的表示

①水泥稳定材料的水泥剂量应以水泥质量占全部干燥被稳定材料质量的百分率表示。

②石灰稳定材料的石灰剂量应以石灰占全部干燥被稳定材料质量的百分率表示。

③石灰工业废渣混合料应采用质量配合比计算，以石灰∶工业废渣∶被稳定材料的质量表示。

④水泥工业废渣混合料应采用质量配合比计算，以水泥∶工业废渣∶被稳定材料的质量表示。

（3）被稳定材料的分档要求

《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)规定，被稳定材料的分档应符合表13.1的要求。

表13.1　材料分档要求

注：a.对一般工程可选择不少于3档备料，对极重、特重交通荷载等级且强度要求较高时，为了保证级配的稳定，宜选择不少于4档备料。

（4）混合料配合比设计流程

混合料配合比设计流程如图13.1所示。

图13.1　混合料配合比设计流程图

2.无机结合料稳定材料目标配合比设计步骤

1）原材料试验

原材料试验主要包括被稳定材料和结合料性质试验。参考“教学单元1的项目4无机结合料稳定材料用原材料性能分析与检验”内容对所选择的原材料进行检验。

2）混合料级配的组成设计

（1）确定混合料矿料级配范围

混合料矿料的级配范围根据设计文件确定。《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)给出的推荐级配范围如下：

①水泥稳定材料的推荐级配范围。采用水泥稳定材料，被稳定材料中含有一定量的碎石或砾石，且小于0.6 mm的颗粒含量在30%以下时，塑性指数可大于17，且土的不均匀系数应大于5，其级配可采用表13.2中推荐的级配范围，并应符合下列规定：用于高速公路和一级公路的底基层时，被稳定材料的公称最大粒径应不大于31.5mm，级配宜符合表13.2中C-A-1或者C-A-2的规定，被稳定材料中不宜含有黏性土或粉性土；用于二级公路的基层时，级配宜符合表13.2中C-A-1的规定，被稳定材料中不宜含有黏性土或粉性土；用于二级以下公路的基层时，级配宜符合表13.2中C-A-3的规定，被稳定材料公称最大粒径应不大于37.5mm；用于二级及二级以下公路的底基层时，级配宜符合表13.2中C-A-4的规定，被稳定材料的公称最大粒径不大于37.5mm。

表13.2　水泥稳定材料的推荐级配范围

②水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围。水泥稳定级配碎石或砾石的级配可采用表13.3中推荐的级配范围，并宜符合下列规定：用于高速公路和一级公路时，级配宜符合表13.3中C-B-1、C-B-2的规定；混合料密实时，也可采用C-B-3级配。C-B-1级配宜用于基层和底基层，C-B-2级配宜用于基层；用于二级及二级以下公路时，级配宜符合表13.2中C-C-1、C-C-2、C-C-3的规定。C-C-1级配宜用于基层和底基层，C-C-2、C-C-3级配宜用于基层，C-B-3级配宜用于极重、特重交通荷载等级下的基层；被稳定材料的液限宜不大于28%；用于高速公路和一级公路时，被稳定材料的塑性指数宜不大于5，用于二级及二级以下公路时，宜不大于7。

表13.3　水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围

续表

③石灰粉煤灰稳定材料的推荐级配范围。石灰粉煤灰稳定材料可采用表13.4中推荐的级配范围，并应符合下列规定：用于高速公路和一级公路基层时，石灰粉煤灰总质量宜占15%，应不大于20%，被稳定材料公称最大粒径应不大于26.5mm，级配宜符合表13.4中LF-A-2L和LFA-2S的规定；用于高速公路和一级公路底基层时，各档被稳定材料总质量不宜小于80%，级配宜符合表13.4中LF-A-1L和LF-A-1S的规定。对极重、特重交通荷载等级，级配宜符合表13.4中LF-A-2L和LF-A-2S的规定；用于二级及二级以下公路基层时，被稳定材料的公称最大粒径应不大于31.5 mm，其总质量宜不小于80%，并符合表13.4中LF-B-2L和LF-B-2S的规定；用于二级及二级以下公路底基层时，各档被稳定材料总质量宜不小于70%，并符合表13.4中LF-B-1L和LF-B-1S的规定。对极重、特重交通荷载等级，可选择符合表13.4中LF-B-2L和LF-B-2S的规定。

表13.4　石灰粉煤灰稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围

续表

④水泥粉煤灰稳定材料的推荐级配范围。水泥粉煤灰稳定材料可采用表13.5中推荐的级配范围，并应符合下列规定：用于高速公路和一级公路基层时，水泥粉煤灰总质量宜为12%，应不大于18%，各档被稳定材料总质量宜不小于85%，其公称最大粒径应不大于26.5 mm，级配宜符合表13.5中CF-A-2L和CF-A-2S的规定；用于高速公路和一级公路底基层时，各档被稳定材料总质量不宜小于80%，级配宜符合表13.5中CF-A-1L和CF-A-1S的规定。对极重、特重交通荷载等级，级配宜符合表13.5中CF-A-2L和CF-A-2S的规定；用于二级及二级以下公路基层时，被稳定材料的公称最大粒径应不大于31.5mm，其总质量宜不小于80%，级配宜符合表13.5中CF-B-2L和CF-B-2S的规定；用于二级及二级以下公路底基层时，各档被稳定材料总质量宜不小于75%，级配宜符合表13.5中CF-B-1L和CF-B-1S的规定。对极重、特重交通荷载等级，级配宜符合表13.5中CF-B-2L和CF-B-2S的规定。

表13.5　水泥粉煤灰稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围

（2）计算组成材料的掺配比例

根据各组成材料的筛分试验资料，采用图解法或试算法，确定各组成材料用量比例。

3）结合料剂量的设计

（1）拟定结合料的剂量

按无机结合料稳定材料类型，拟定5个结合料剂量。

①水泥稳定材料配合比试验拟定剂量可采用表13.6中的推荐值，最小剂量应符合表13.7的最小剂量。根据拌和均匀性要求，材料组成设计所得水泥剂量少于表13.7中最小剂量时，应按表13.7采用最小剂量。

表13.6　水泥稳定材料配合比试验推荐水泥试验剂量表

表13.7　水泥的最小剂量

②对石灰粉煤灰稳定材料和水泥粉煤灰稳定材料，结合料拟定剂量采用表13.8和表13.9中的推荐值，必要时可采用正交设计或均匀设计方法。

表13.8　石灰粉煤灰稳定材料和石灰煤渣稳定材料推荐比例

续表

注：a.CaO含量为2%～6%的硅铝粉煤灰。
b.粉土以1∶2为宜。
c.采用此比例时，石灰与粉煤灰之比宜为(1∶2)～(1∶3)。
d.石灰粉煤灰与粒料之比为(15∶85)～(20∶80)时，在混合料中，粒料形成骨架，石灰粉煤灰起填充孔隙和胶结作用。这种混合料称骨架密实式石灰粉煤灰粒料。
e.混合料中石灰应不少于10%，可通过试验选取强度较高的配合比。

表13.9　水泥粉煤灰稳定材料和水泥煤渣稳定材料推荐比例

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注：a.CaO含量为2%～6%的硅铝粉煤灰。
b.采用此比例时，水泥与粉煤灰之比宜为(1∶2)～(1∶3)。
c.水泥粉煤灰与粒料之比为(15∶85)～(20∶80)时，在混合料中，粒料形成骨架，水泥粉煤灰起填充孔隙和胶结作用。
d.混合料中水泥应不少于4%，可通过试验选取强度较高的配合比。

（2）确定各种混合料的最佳含水量、最大干密度和工地预期达到的干密度

①按拟定的水泥或石灰剂量拌制混合料。

②做不同结合料剂量混合料的重型击实试验，得出最佳含水率和最大干密度。

③按规定压实度分别计算不同结合料剂量试件应有的干密度，也就是工地预期达到的干密度。

（3）制备无侧限抗压强度试件

①按最佳含水率和工地预期达到的干密度制备试件。

②试件的尺寸及最少试件数量，根据被稳定材料的粒径大小按表9.1确定。如试验结果的偏差系数大于表中规定的值，则应重做试验，并找出原因，加以解决，如不能降低偏差系数，则应增加试件数量。

4）强度检验

试件在规定温度下保温养生6 d，浸水24 h后，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行无侧限抗压强度试验，计算试验结果的平均值和偏差系数，并按式(13.1)得出强度代表值。强度数据处理时，宜按3倍标准差的标准剔除异常数值，且同一组试验样本异常值剔除应不多于2个。

式中　——一组试验的强度平均值，MPa；

Cv——一组试验的强度变异系数；

Za——标准正态分布表中随保证率或置信度α而变的系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，即Za＝1.645；二级及二级以下公路应取保证率90%，即Za＝1.282。

5）选定结合料的剂量

①根据试验结果和设计的强度标准，选定满足设计要求的最佳结合料剂量。

②此剂量试件室内试验结果的强度代表值应不小于设计的强度标准值Rd，式(13.2)所示。

③高速公路和一级公路还应验证90 d或180 d龄期的弯拉强度和抗压回弹模量。

【案例13.1】水泥稳定级配碎石配合比设计。某新建二级公路，选用水泥稳定级配碎石作为基层。设计强度要求7 d龄期的饱水强度为4.0 MPa，施工时混合料采用集中厂拌法，现场碾压时压实度按97%控制。试设计水泥剂量。

材料品种规格：

①水泥：选用P·S·A 32.5矿渣水泥。

②矿质材料：选用G6（10～30 mm碎石）、G11（5～10 mm碎）、XG3（0～5 mm石屑）。

工程设计文件要求级配范围见表13.10。

表13.10　水泥稳定级配碎石（C-B-3）级配范围

【设计步骤】1）原材料的检验

①P·S·A 32.5矿渣水泥检验结果见表13.11。

表13.11　水泥检验结果

②10～30 mm碎石：压碎值为25.6%，符合要求（≤35%）。

③各种材料的筛分结果见表13.12。

表13.12　各种材料筛分结果

2）矿质混合料的配合比设计

利用Excel表格试配法完成矿料配合比，合成级配计算见表13.13，合成级配图如图13.2所示。

表13.13　矿质混合料的合成级配计算表

图13.2　矿质混合料合成级配图

3）水泥剂量的设计

（1）拟定水泥剂量

根据规范推荐及要求，结合经验拟定5个水泥剂量为3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5%。

（2）确定混合料的最佳含水率、最大干密度

做5个剂量的击实试验。最大干密度、最佳含水率见表13.14。

表13.14　不同水泥剂量的最佳含水率和最大干密度

（3）确定工地预期达到的干密度

现场碾压时，压实度要求97%，则各种水泥剂量下工地预期达到的干密度见表13.15。

表13.15　不同水泥剂量下工地预期达到的干密度

（4）成型试件、养护、检验强度

按工地预期达到的干密度和最佳含水率成型试件，并按规范要求进行保湿养生6 d，浸水1 d，然后进行抗压试验，计算结果见表13.16。

表13.16　不同水泥剂量的7 d无侧限抗压强度单位：MPa

（5）强度验算

由表13.11计算结果可知：当水泥剂量为4.0%，4.5%，5.0%，5.5%时的平均抗压强度都达到设计强度4.0MPa，故验算这4组试件的相关情况见表13.17，因为是二级公路，应取保证率为90%，Za＝1.282。

表13.17　不同水泥剂量强度验算结果

由验算得知，水泥剂量为4.5%，5.0%，5.5%时满足设计强度要求，选择满足强度要求的最小水泥剂量为4.5%。

4）结论

该水泥稳定碎石的矿质混合料试验室配合比为：10～30 mm碎石∶5～10 mm碎石∶0～5 mm石屑＝50%∶25%∶25%；水泥剂量为4.5%。