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水泥穩(wěn)定碎石土配合比優(yōu)化QC研究報(bào)告一、 QC興趣小組成立的目的為了加強(qiáng)項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新與科技研發(fā)管理,推動(dòng)科技進(jìn)步,根據(jù)局下發(fā)的《技術(shù)創(chuàng)新與科技研發(fā)管理辦法》的相關(guān)規(guī)定及要求,特成立QC興趣小組。二、 研究課題按最小空隙法研究水泥穩(wěn)定碎石配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。三、 QC小組成員組長(zhǎng):胡宇峰副組長(zhǎng):黃鑫,顏超,趙偉組員:張利峰、古旭東、蘇樹(shù)、吳宇、許二歡、肖豐濤、游杰、楊勇王斌、李豪、歐陽(yáng)威、尼博楨、趙帥四、 時(shí)間及計(jì)劃安排本QC小組研究該課題的起止時(shí)間為:2012.4~2012.10計(jì)劃安排:月:完成QC小組成立及各人負(fù)責(zé)部分,收集相關(guān)資料及技術(shù)規(guī)范。月:調(diào)查現(xiàn)狀及確定配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)及理論公式。6~8月:根據(jù)理論依據(jù)初步確定配合比,并進(jìn)行壓縮性試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)配合比是否達(dá)到優(yōu)化效果。9~10月:將優(yōu)化后提出的配合比應(yīng)用到試驗(yàn)段,根據(jù)試驗(yàn)段結(jié)果進(jìn)行總結(jié),進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。五、現(xiàn)狀調(diào)查水泥穩(wěn)定碎石由于其有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、剛度大等優(yōu)點(diǎn),在公路路面結(jié)構(gòu)層中已被廣泛應(yīng)用。但在一些工程中由于水泥穩(wěn)定碎石材料級(jí)配組成比例不當(dāng),造成其密實(shí)性差、強(qiáng)度低,從而使水泥穩(wěn)定碎石很難發(fā)揮其優(yōu)越性能,甚至導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料出現(xiàn)各種早期破壞。為此,必須進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比組成最佳設(shè)計(jì),而最佳組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在規(guī)范要求的級(jí)配曲線范圍內(nèi),選擇集料空隙率最小的曲線。根據(jù)我們小組大量的收集資料及試驗(yàn)研究證明,按最小空隙率法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的配合比設(shè)計(jì).能取得水泥石混合料的最佳組成,很好地發(fā)揮水泥穩(wěn)定碎石的優(yōu)越性能.提高路面的使用壽命。六、課題成立的理論依據(jù)按最小空隙率法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)的基本原理是,當(dāng)半剛性基層材料的粗集料形成骨架時(shí),集料顆粒間所形成的空隙用水泥石填充,形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。若水泥石含量過(guò)多,則不能形成密實(shí)骨架,導(dǎo)致穩(wěn)定性差,而且會(huì)增加因水泥石收縮而造成路面出現(xiàn)裂縫的可能性:若水泥石含量過(guò)少,空隙率大,空隙不能被填滿,則強(qiáng)度低、整體性差。七、組成設(shè)計(jì)基本參數(shù)公式1.集料參數(shù)公式(1)集料的平均堆積密度集料的堆積密度是測(cè)定集料空隙率的重要參數(shù)之一。由于組成水泥穩(wěn)定碎石的集料大多數(shù)是由不同規(guī)格的單集料組合而成,因此.對(duì)
于水泥穩(wěn)定碎石的集料而言,其堆積密度應(yīng)采用平均堆積密度。由大于4.75mm的粗集料的振實(shí)堆積密度和小于4.75mm的細(xì)集料的緊裝堆積密度,按不同含量加權(quán)平均而得。設(shè)組成水泥穩(wěn)定碎石的集料中,大于4.75mm的粗集料含量為a%,振實(shí)堆積密度為p(t/m3),小于1i 1i4.75mm的細(xì)集料的緊裝堆積密度為p(t/m3),那么集料的平均堆積密度p(t/m3)及組合后的集料的平均堆積密度p(t/m3)分別為:iii1)1)2)iiA1—A—Hr+ Hp£藝另-iPpp£藝另-iP2iipii式中,A是各種規(guī)格集料的合成含量(%)i2)集料的平均表觀相對(duì)密度根據(jù)所選的各種原集料,分別測(cè)定其大于4.75mm的粗集料含量B和其表觀密度p(t/m3)及小于4.75mm的細(xì)集料的表觀相對(duì)密TOC\o"1-5"\h\zi4.75 1i度p(t/m3),通過(guò)計(jì)算求出該集料的表觀相對(duì)密度p(t/m3),及組2i ti合后集料的表觀相對(duì)密度p(t/m3)分別為:t3)43)4)pti_~B 1—B——+ 1i p2i工Bpi_藝茁ii式中,B是各種規(guī)格集料的合成含量(%)i3)集料的空隙率
已知p(t/m3)、p(t/m3)后,根據(jù)下式可以計(jì)算得集料的空隙it5)率5)1pn二1ipt(4)1m實(shí)體中水泥石的含量已知空隙率n、水泥石的最大干密度P,可以根據(jù)下式計(jì)算1m實(shí)體中水泥石的重量為:Q=n?P (6)由公式(5)可知,組合后的集料空隙率大小不僅與組成集料各單集料本身的物理性質(zhì)有關(guān),也與各單集料在組合后集料中的含量有關(guān),因此,要調(diào)整組合集料的空隙率,對(duì)于本身物理性能確定的單集料來(lái)說(shuō),只有調(diào)整其在組合集料中的含量才能改變組合后集料的空隙率。故若要實(shí)現(xiàn)組合后集料的空隙率最小,就必須使得各組成單集料在組合集料中的含量合理。對(duì)于指定水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石材料來(lái)說(shuō).公式(6)中的P值可通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到一個(gè)定值,其中的Q值等于所用各單集料中細(xì)集料的量與水泥量之和,這樣公式(6)可變?yōu)閚=Q/P,即為公式(5)的驗(yàn)證式,這說(shuō)明只有當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)得到的水泥石的最大干密度與空隙率之積與1m實(shí)體中實(shí)際干水泥石的重量近似相等時(shí),說(shuō)明所得到的最小空隙率才是合理的。七、試驗(yàn)段試用結(jié)果1.集料級(jí)配組合調(diào)整由于單一集料的級(jí)配不能滿足規(guī)范的要求,必須對(duì)其進(jìn)行組合調(diào)配,調(diào)配結(jié)果如級(jí)配曲線圖1所示。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)配發(fā)現(xiàn),當(dāng)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時(shí)(圖1中的長(zhǎng)虛線),碎石(2-4)與碎石(1-2)間的空隙率分別為0.43和0.40,但前者曲線形狀比后者的更為合理,因此可以認(rèn)為0.43是所要求的最小空隙率。根據(jù)圖1可知,按碎石(2-4):碎石(1-2):石屑=25:35:40組合后,集料小于4.75mm的細(xì)集料占41.7%。級(jí)和曲線禺loo級(jí)和曲線禺loo直盹祀Eso.gg扯覽a(2)配合比的初步確定根據(jù)級(jí)配調(diào)整結(jié)果,將組合后的集料中小于4.75mm的細(xì)集料按其在集料中所占比例與不同劑量的水泥混合進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,選擇水泥劑量為5.0%,最大干密度為2.42g/cm3 ,那么,由前述公式可得所需水泥石的量為1.04t/m3;又由于水泥穩(wěn)定碎石混合料最大干密度為2.48g/cm3,那么實(shí)際組合后的集料中小于4.75mm的細(xì)集料含量已達(dá)0.99t/m3,而選擇空隙率為0.43時(shí),實(shí)際需要小于4.75mm的細(xì)集料量為0.92t/m3。這樣,需對(duì)集料中對(duì)細(xì)集料含量影響較大的石屑含量進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整原則是保證空隙率不變.細(xì)集料含量接近0.92t/m3,經(jīng)過(guò)調(diào)整和驗(yàn)證,集料級(jí)配最終組合結(jié)果為碎石(2-4):碎石(1-2):石屑=25:40:35。根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,配合比確定為A碎石(2-4):碎石(1-2):石屑=25:40:35;水泥劑量為5.0%;混合料最大干密度為2.49g/cm3,最佳含水量為4.5%。為便于比較研究,根據(jù)試驗(yàn)選擇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作比較試驗(yàn),其水泥用量均為5.0%。混合料最大干密度分別為2.51g/cm3和2.48g/cm3。最佳含水量分別為4.4%和4.5%。(3)收縮性試驗(yàn)這里所說(shuō)的水泥穩(wěn)定碎石基層材料的變形是指非荷載作用下的變形,即干縮變形和溫縮變形。雖然水泥穩(wěn)定碎石基層具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好和剛度大等特點(diǎn),但如果其材料組成不當(dāng),就很容易在溫度和濕度發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生干縮和溫縮裂縫,從而導(dǎo)致基層的抗沖刷和抗荷載能力下降,甚至導(dǎo)致路面出現(xiàn)早期破壞。本課題在總結(jié)這方面研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用初步選用的設(shè)計(jì)配合比A和參考配合比B、C進(jìn)行比較研究。干縮性能水泥穩(wěn)定碎石的干縮裂縫的發(fā)生,主要是由于混合料中水分的散失導(dǎo)致材料的收縮而引起的。根據(jù)上述兩種不同的配合比,分別在其最佳含水量和最大干密度下制作5cmx5cmx24cm的梁式試件,在同一自然溫度和自然濕度的條件下養(yǎng)護(hù)28d,進(jìn)行干縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
OAflLftKSd?-I--■E配倉(cāng)OAflLftKSd?-I--■E配倉(cāng)比甜一?—車昔比7■也配合比詔一?一匚紀(jì)豊比誠(chéng)譽(yù)鎰昨W卜需604020先水芋莎(吒)^2干網(wǎng)蛙隆仙筑陽(yáng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析。配合比為A的試件的最大失水率為2.7%,對(duì)應(yīng)的最大干縮應(yīng)變?yōu)?02x10-6,最大干縮系數(shù)為32x10-6;配合比為B的試件的最大失水率為3.1%,對(duì)應(yīng)的最大干縮應(yīng)變?yōu)?25x10-6,最大干縮系數(shù)為61x10-6;配合比為C的試件的最大失水率為3.3%,對(duì)應(yīng)的最大干縮應(yīng)變?yōu)?42x10-6,最大干縮系數(shù)為87x10-6:這說(shuō)明配合比為B、C的試件比配合比為A的試件結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂縫,C的干縮性能最差。溫縮性能水泥穩(wěn)定碎石材料由三個(gè)相組成,即不同礦物顆粒組成的固相、液相(水)和氣相,這三個(gè)相在降溫過(guò)程中相互作用,使半剛性材料產(chǎn)生體積收縮,從而產(chǎn)生常說(shuō)的溫縮裂縫。據(jù)有關(guān)資料表明,就組成水泥穩(wěn)定碎石固相的礦物顆粒而言,原材料中砂粒以上顆粒的溫度收縮系數(shù)較小,而粉粒以下顆粒溫度收縮系數(shù)較大;存在于水泥穩(wěn)定碎石半剛性材料內(nèi)部的較大空隙、毛細(xì)孔和孔中的水通過(guò)“擴(kuò)散作用”“表面張力作用”和“冰凍作用”三個(gè)作用過(guò)程,對(duì)半剛性材料的溫度收縮特性產(chǎn)生極大影響。因而影響水泥穩(wěn)定碎石基層材料溫度收縮
特性的主要因素是含水量、集料中的礦物成份、環(huán)境溫度和齡期。本課題就環(huán)境溫度的變化對(duì)上述兩種配比的混合料的溫度收縮影響進(jìn)行比較試驗(yàn)研究。根據(jù)上述兩種不同的配合比,分別在其最佳含水量和最大干密度下制作5cmx5cmx24cm的梁式試件,在同一自然溫度和自然濕度的條件下養(yǎng)護(hù)28d,進(jìn)行溫縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?!? -AfK&Hy■' -AfK&Hy-??A/E合tt記PT3爲(wèi)埔性儲(chǔ)曲縷圖根據(jù)上述結(jié)果可知,配合比B、C的混合料的溫縮系數(shù)與溫縮應(yīng)變?cè)?20°C?20°C內(nèi)都比配合比A的混合料大,而且不難看出,混合料的溫縮性能一般在高于-5°C時(shí)較小且三者相差不大,低于-5°C后,混合料的溫縮加快,且三者相差較大。因此,從溫縮性能來(lái)看,配合比為A的混合料優(yōu)于配合比為B的,C的溫縮性能最差。綜上所述,無(wú)論從干縮性還是溫縮性方面考慮,配合比為A的混合料都比參考配合比為B、C的優(yōu)越。八、結(jié)論實(shí)踐證明,按最小空隙率法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層,不僅7d內(nèi)能取出完整的芯樣,提高了基層的強(qiáng)度、抗沖刷能力、耐久性,而且大大降低了水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的干縮、溫縮裂縫,從整體上充分發(fā)揮了水泥穩(wěn)定碎石半剛性材料的優(yōu)越性能,提高了
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