骨架密实二灰碎石混合料配合比设计方法探讨
徐世敏1 沈泉1 徐卫东2
（1 上海远通路桥工程有限公司，上海，201700；2. 沧州市高速公路建设管
理处，沧州，061001）
摘要：本文介绍了骨架密实二灰碎石混合料的设计方法与步骤，试验结果表明：可以看出该配合比的二灰碎石混合料的各项性能均优于《沥青路面设计规范》的推荐配比的混合料的各项性能，具有优良的路用性能。
关键词：骨架密实，二灰碎石，配合比设计
1引言
二灰碎石混合料配合比设计的目的是使得混合料符合路面结构的各种使用性能要求，能够进行准确的生产质量控制，易于铺筑和压实且比较经济。由于原材料性能差异较大，到目前为止还不可能提出纯理论的计算方法，本设计方法为计算与试验相结合的方法。 2设计方法和步骤 2.1设计基本原则
材料的组成结构决定其性能，而性能又是材料内部组成结构的外在反映。一般情况下，采用强度来综合反映材料的性能。作为松散颗粒复合材料，二灰碎石的强度来源于两个方面：集料颗粒的内摩擦阻力和填充料的粘结力。为了使二灰碎石获得优良的性能，其前提就是它必须具有良好的组成结构。根据二灰碎石基层的力学性能、水稳定性能、耐久性能和抗收缩性能的要求，它应该具有这样的理想结构：在经压实成型后的二灰碎石中，粗集料紧密排列，形成良好的骨架结构，密实的二灰砂浆（包括二灰胶结料、细集料）填满骨架空隙，并将骨架粘结成为稳定的整体。
以上面提出的理想结构模式为指导，将二灰碎石分成二个组成结构层次。第一层次由石灰、粉煤灰、水和细集料组成的二灰砂浆，它是二灰碎石中的主要粘结成分，必须具有足够的强度和粘结力，起填充、粘结作用。第二层次，粗集料颗粒紧密排列形成良好的骨架结构，砂浆填充骨架的空隙，并将骨架粘结成一个稳定的整体。既充分发挥了粗集料的骨架作用,又利用了砂浆的粘结力。这样形
成的二灰碎石应具有较好的力学性能、水稳定性能、耐久性和抗收缩性能。 2.2 设计方法
2.2.1 结合料比例的确定
石灰和粉煤灰是二灰碎石混合料的主要粘结力来源。通常情况下，二灰中石灰含量的增加促进了粉煤灰的水化反应，有利于提高二灰的强度。但是，石灰含量过高反而会降低二灰强度。因此在石灰与粉煤灰之间存在一最佳配比，在此配比下二灰混合料强度最高。在进行二灰配比设计时，按石灰：粉煤灰为1：2、1：2.5、1：3、1：4的比例根据重型标准击实确定最佳含水量及最大干密度，并成型标准试件，测定无侧限抗压强度，结合使用要求与经济性选取配合比。 2.2.2 二灰砂浆配合比的确定
影响二灰砂浆路用性能的因素主要有：细集料级配形式、细集料与二灰胶结料重量比及二灰中石灰粉煤灰重量比。因此研究中安排了3因素4水平的正交试验（细集料级配按k法计算，k值分别取0.6、0.65、0.7、0.75；二灰与细集料重量比分别为50：50、60：40、70：30、80：20；二灰中石灰粉煤灰重量比分别为1：2、1：2.6、1：3、1：4。），以二灰砂浆的无侧限抗压强度为判据选择最佳的二灰砂浆配比。 2.2.3粗骨料级配的确定
⑴研究采用的碎石最大粒径D0为31.5mm。以D0（31.5mm～19mm）的用量为100%，下一级粒径D1（19mm～9.5mm）以D0重量的5%为步长，均匀混和后装入容量桶中，置于振动台上振实3min，计算其振实密度，建立填充数量与振实密度的关系曲线。
⑵以振实密度最大为判据取相应的D1掺量作为最佳掺量，计算其比例。 ⑶重复上述方法进行二级（D2、9.5mm～4.75mm）填充，根据结果计算出振实密度最大的粗集料最佳级配形式，作为研究最终采用的粗集料级配。 2.2.4粗骨料与二灰砂浆比例的确定
按照前述设计思想，二灰碎石中，以主骨料形成骨架嵌挤，使其空隙率最小，二灰砂浆以最大密实度填充于粗骨料空隙中，从而形成骨架密实结构的二灰碎石混合料。因此按照体积法进行骨料与砂浆配比的计算。具体计算方法如下：
将粗骨料进行干插捣试验，测定干插捣条件下的空隙率VVdry，则二灰砂浆
用量为：
二灰砂浆用量＝单位体积×粗骨料空隙率×二灰砂浆最大干密度 根据此比例可反算出结合料、细集料及粗集料的用量。 3 设计示例
3.1 结合料比例的确定
研究中测定了不同二灰比例的7天无侧限抗压强度，实验结果见表3-1：
表3-1 二灰强度实验结果
石灰：粉煤灰 抗压强度(MPa)
1：2 1.169
1：2.5 1.222
1：3 1.220
1：3.5 1.211
1：4 1.200
由表3-1，当石灰：粉煤灰＝1：2.5时，二灰胶结料强度最大。由重型击实试验测得此配比下，二灰最大干密度为1.224g/cm3，最佳含水量为27%。 3.2 二灰砂浆配合比的确定
二灰砂浆配合比根据正交试验结果确定，最终确定优选的二灰砂浆为：石灰：粉煤灰＝1：3、二灰：细集料＝70：30、细集料级配形式为k＝0.65。 3.3 粗集料级配的确定
⑴取31.5mm～19mm粒径的集料15kg，以15kg的5%的19mm～9.5mm的集料进行填充振动试验，测定振实密度及计算空隙率，按照上述方法再以15kg的10%的重量进行的二次填充试验，以此类推，直到找出振实密度最大的集料组成，粗集料嵌挤达到最佳状态的计算级配如表3-2：
表3-2 级配表（筛孔通过率）
筛孔尺寸（mm） 优选级配 规范级配中值
31.5 100 100
19 43 82.5
9.5 23 35
4.75 0 0
3.4 粗细集料比例的确定
为便于比较，研究中确定二灰砂浆与主骨料比例时，分别采用粗骨料松装密度、捣实密度及振实密度计算的空隙率，并应用体积法计算结合料含量。计算结
果如表3-3：
表3-3 二灰碎石混合料配比计算表
粗骨料密度ρ1（g/cm） 集料占有体积V1＝ρ1/ρ
合成3
松装密度
3
（g/cm） 1.490
0.538 0.462 0.721 33：67 70：30 23：10：66 1：3 6：17：10：66 3
捣实密度
3
（g/cm） 1.9 0.596 0.404 0.631 28：72 70：30 20：8：72 1：3 5：15：8：72 振实密度
3
（g/cm） 1.805 0.652 0.348 0.543 23：77 70：30 16：7：77 1：3 4：12：7：77 二灰砂浆占有体积V2=1-V1 二灰砂浆质量百分比M1=V2·ρ2 二灰砂浆质量M1：粗集料质量ρ1
二灰：细集料 二灰：细集料：粗集料
石灰：粉煤灰
石灰：粉煤灰：细集料：粗集料 ρ
3
合成
＝2.769 g/cm ρ2＝1.56 g/cm
不同密度下计算的集料级配如表3-4：
表3-4 不同密度下集料级配表
级配 形式 松装A 插捣B 振实C 规范D
31.5 100 100 100 100
19 47 46 44 .5
筛孔通过率（%） 9.5 4.75 2.36 26 24 21 61
13 11 8 40
7 5 4 28
1.18 3 2 2 18.5
0.6 0 0 0 13
3.5 配合比设计结果
综合以上研究成果，认为二灰碎石混合料在以下配比为最优。石灰：粉煤灰：集料＝5：15：80，集料级配为表2-13中根据插捣计算的级配B。 4 性能验证
研究中采用两种配比形式进行路用性能比较，一种是根据研究提出的配合比设计方法优化的二灰碎石混合料配合比，另一种是《沥青路面设计规范》推荐的配比。为比较两种二灰碎石混合料的路用性能，分别进行了无侧限抗压强度试验、劈裂试验及干缩试验进行比较。
4.1 抗压强度
两种不同配比的二灰碎石强度及增长规律见表4-1：
表4-1 不同配比二灰碎石混合料抗压强度（MPa）
混合料类型 优化配比 《规范》配比 7d 1.02 0.7 28d 2.355 2.316 90d 4.6 4.335 由表4-1可以看出，两种不同级配配比的混合料无侧限抗压强度随龄期的增长而增大，且本研究优化的级配其抗压强度在各龄期均大于规范推荐级配配比的抗压强度。 4.2 劈裂强度
为进一步研究两种配比的二灰碎石混合料强度特性，分别用静压法成型试件，标准养生后测试其劈裂强度，试验结果见表4-2：
表4-2 不同配比二灰碎石混合料劈裂强度（MPa）
混合料类型 优化配比 《规范》配比
7d 0.0605 0.0359
28d 0.2215 0.1245
90d 0.5526 0.4721
由表4-2看出，两种级配配比的二灰碎石混合料劈裂强度均随龄期的增长而增加，且本研究优化的二灰碎石混合料劈裂强度在各龄期均大于规范推荐的二灰碎石混合料劈裂强度。 4.3 干缩试验
用螺旋测微计法测得两种级配配比的二灰碎石混合料的干缩应变，结果如表4-3
表4-3 二灰碎石混合料干缩应变测定结果
规范推荐
-6
失水率（%） 干缩应变（×10）
1.11 2.23 3.51 4.48 5.31
104 278 296 355 385
优化配比
-6
失水率（%） 干缩应变（×10）
1.23 2.46 3.70 4.67 5.31
102 183 200 261 282
6.08 504 5.82 385 根据干缩试验结果可以看出，两种不同配比的二灰碎石混合料其干缩应变在相同失水率下差别很大，研究优化的二灰碎石其干缩应变在不同失水率下均小于规范推荐级配的二灰碎石混合料。且随着失水率的增加，规范推荐二灰碎石混合料其干缩应变增加很快，由初始失水率为1.11%时的104增加到失水率为6.08%时的504，干缩应变增加5倍。而本研究优化的配比在失水率增加的情况下增加不多，由初始失水率为1.23%时的102增加到失水率为5.82%时的385，干缩应变增加约3.8倍。因此，如以干缩应变为判据，本研究优化的二灰碎石混合料具有优良的抗裂特性。 5 结论
目前二灰碎石混合料的设计主要是根据规范给定的级配范围确定集料级配，根据规范20：80～15：85的配合比选取胶结料含量。工程实践及研究表明，规范级配细集料偏多，二灰碎石混合料容易开裂，结合料含量的选取随意性太大，致使混合料在满足强度的前提下其他路用性能不尽人意。骨架密实结构二灰碎石细集料少，粗集料形成紧密骨架结构；结合料含量根据空隙率大小计算确定，排除了随意性，确保胶结料既达到最大密实，又不对集料产生撑持作用而破坏骨架结构。具有好的抗裂性和抗冲刷能力，具有更好的路用性能。