水泥稳定碎石标准试验制备过程探究

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　　 摘要作为半刚性结构层，近年水泥稳定碎石（以下简称水稳）逐渐代替二灰稳定碎石，用作路面基层施工，部分路段包括高速公路甚至开始采用低剂量水稳来代替二灰土或三灰土用作路面底基层结构施工。尽管从施工工艺方面来说，水稳施工已经很成熟，但查阅各种规范、规程、标准及相关参考资料，却没有一个水稳标准试验整套制备过程及报告整理的完整模式描述。本文试图从试验检测工作角度，对整个水稳标准试验过程予以论述，力图探讨一个公路工程无机结合料稳定材料通用的标准试验制备方法。
　　 关键词标准试验水泥稳定碎石原材料合成级配最佳含水率最大干密度无侧限抗压强度标准曲线报告整理
　　
　　 一、前言
　　 作为公路工程施工的基础和前提，标准试验是路基、路面、桥涵等各相关分项工序施工的关键依据。尽管标准试验力求其能具有典型、代表全面的特性，但其毕竟是在特定受限条件下，经过多项参数检测结果，进行多次运算所得出的结果，存在合理误差多次累加导致较大偏差的可能，具有一定的局限性。通过试验所确定的检测或施工标准，如果偏高，则会导致施工过程中难以达到要求或造成过分超出设计标准所带来的浪费；而偏低，则会直接影响到整个工程建设项目的总体施工质量，带来严重的质量隐患甚至发生不可预见的后果。因此，整个标准试验过程中的每一个检测参数，如何确定其典型性、代表性极为重要。这就要求整个试验过程，从取样开始，到操作过程，到数据处理，直至报告出具，都必须严谨、规范，实事求是，容不得半点失误和虚假。
　　 二、标准试验基础条件
　　 1、检测人员
　　 所有参与标准试验检测过程的检测人员均需具备上岗资格证。就中华人民共和国交通运输部行业检测要求，试验操作人员必须具备在交通运输部工程质量监督局注册的试验检测员或检测工程师证，并具备相关检测专业；复核人员必须具备试验检测工程师证，并具备相关检测专业。
　　 2、仪器设备
　　 所有参与标准试验检测过程的仪器设备均须通过合法有效的检定、校准或测试并经相关判定。
　　 3、检测环境
　　 所有参与标准试验检测过程的检测环境，均须符合相关检测参数项目所要求的温度、湿度范围等条件。
　　 4、具体要求
　　 一般设计会给出强度要求、水泥剂量、级配范围、压实标准等基本参数，例如要求水泥混合料室内试配7d无侧限抗压强度代表值要满足4.0MPa；水泥剂量采用5%，并用20%粉煤灰等量替代水泥，即采用4%水泥、1%的粉煤灰，水泥采用外比；压实标准为98%，并对水泥初、终凝时间、碎石压碎值、集料中小于0.6mm的颗粒做液限和塑性指数、小于3mm细集料的粉尘含量及所采用的级配范围等重要参数提出要求。标准试验开始前应仔细研读施工设计以及相关规范、标准等的具体要求。
　　 三、标准试验过程
　　 水稳标准试验所涉及的原材主要有水泥、碎石、石粉、黄砂、粉煤灰和水等，不同地区施工根据地材情况选用原材不同。尽管目前各地水稳施工考虑设备、成本等，一般不再添加黄砂，但用黄砂部分代替石粉，能更好地控制0.6mm和0.075mm两筛孔通过率，借以降低干缩影响，改善水稳初期养护效果。同时部分地区添加粉煤灰，其优点为改善拌合物工作性能、碾压易密实、养生后不易开裂、具有较高的早期及后期强度等。对涉及原材组合、施工工艺等标准试验以外的其它方面，因文题不再详细说明。下面就掺加黄砂和粉煤灰的最利施工质量的水泥、粉煤灰、碎石、石粉、黄砂和水为组合的水稳标准试验进行论述。
　　 1、原材料样品制备
　　 作为一种风险检测，为将抽样检测的风险降低到最小程度，保证标准试验所抽取的检测样品具有代表性、有效性和完整性，应严格控制检测人员的抽样行为，并依据工程建设项目要求使用的规范等所规定的具体取样方法，进行标准试验所需各类样品制备，从样品代表性方面能最大程度的与现场施工实际情况相符。
　　 2、原材料检测
　　 1）水泥
　　 本次标准试验系采用＊＊＊＊水泥厂生产的＊＊牌P.O 42.5水泥（具体水泥标号及以下时间、原材料检测数据，包括部分运算数据等，均为举例假设，仅为便于过程论述说明），水泥生产日期为＊＊＊＊年＊＊月＊＊日。对该水泥样品的细度、标准稠度用水量、凝结时间、安定性及胶砂试件三天抗折、抗压强度进行了检测，检测数据如下（检测报告见******（试表编号），具体几页/份视情而定，下同）：
　　 （1）细度：2.7 %；
　　 （2）标准稠度用水量：26.80 %；
　　 （3）初凝时间：3时13分；
　　 （4）终凝时间：4时17分；
　　 （5）安定性：合格；
　　 （6）抗折强度：5.4 MPa（3d)；
　　 （7）抗压强度：29.8 MPa（3d）；
　　 凡规范规定需进行平行试验的检测项目参数，均须按照相关要求进行，下同。
　　 2）粉煤灰
　　 系采用＊＊＊＊电厂生产的粉煤灰，实际施工中所用粉煤灰含水率不宜超过35%。本次标准试验采用105℃烘干24小时后的干料。粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量应大于70%，粉煤灰的烧失量不应超过20%；粉煤灰的比表面积宜大于2500cm2/g（或90%通过0.3mm筛孔，70%通过0.075mm筛孔）（检测报告见******）。
　　 3）碎石
　　 各地区碎石地材因石料破碎机筛孔不同等，各粒径规格有所区别，但无论何种规格，筛配原理是一样的 。本标准试验采用＊＊＊＊采石厂生产的碎石（9.5～31.5mm）、碎石（4.75～9.5mm）、碎石（2.36～4.75mm）及石粉（0～2.36mm），为石灰岩。对该批试验材料样品进行了单集料筛分以及集料压碎值试验。尽管相关规范未对水稳所用粗集料针片状颗粒含量作出规定，考虑针片状对强度的影响，本标准试验亦对其进行了检测，结果可不做判定，但应识别其是否在正常经验范围内。如有异常，应采取相应措施。具体数据如下：
　　 （1）单集料筛分：
　　 ①碎石（9.5～31.5mm）：（检测报告见******）；
　　 ②碎石（4.75～9.5mm）：（检测报告见******）；
　　 ③碎石（2.36～4.75mm）：（检测报告见******）；
　　 ④石粉（0～2.36mm）：（检测报告见******）。
　　 （2）压碎值：18.0%（检测报告见******）。
　　 （3）针片状颗粒含量：
　　 ①碎石（9.5～31.5mm）：5.8%（检测报告见******）；
　　 ②碎石（4.75～9.5mm）：12.3%（检测报告见******）。
　　 4）黄砂
　　 黄砂系采用＊＊＊＊河砂，对其进行筛分检测，细度模数Mx为2.8，属中砂(检测报告见******)。
　　 5）水
　　 本次试验用水采用饮用自来水。
　　 考虑施工工期、各原材料检测与标准试验的周期长短以及目前各工程项目招标入围厂家生产的水泥基本均能符合要求等因素，水泥使用可与标准试验安排同步进行，粉煤灰、碎石和黄砂等应待检测结果合格后方可开始使用。水泥28d强度可待结果出来后再行补附。如水泥强度不合格，不管本标准试验结果是否符合要求，均应作废重做。
　　 经检测，以上原材料各种检测数据参数（水泥28d强度除外）均满足水泥稳定碎石施工及有关规范要求（结论见相应检测报告）。
　　 3、集料合成级配
　　 对单集料筛分进行级配合成，采用3号颗粒组成范围（不同行业规定范围可能有所不同，本文论述均以参考文献中相关规定为准），并对符合要求的合成级配集料进行筛分，检测0.6mm以下颗粒的液限和塑性指数及3mm以下细集料的粉尘含量，试验结果如下：

　　 1）级配合成
　　 根据单集料筛分情况，通过微机调试合成(可自行利用Excel制作自动合成调试表格，此处不在累述)后，拟定集料合成级配为：
　　 碎石（9.5～31.5mm）：碎石（4.75～9.5mm）：碎石（2.36～4.75mm）：石粉（0～2.36mm）：黄砂＝22：24：24：20：10（检测报告见******）
　　 为确保合成级配集料符合要求，应按此拟定合成级配数值配料筛分予以二次验证（检测报告见******）。此项工作一般检测人员容易忽视，级配合成所确定的拌合比例是指导施工、控制质量的重要参数，应对其予以足够的重视。
　　 经配料筛分验证，该合成级配集料符合有关规范及水泥稳定碎石4.75mm筛孔以上采用中值、以下采用中值偏下以及0.6mm筛孔通过率尽量往低线靠的特定要求。
　　 同时，如果水稳施工粒料中细土含有过量的粉粒（粒径小于0.05mm的颗粒，我国采用小于0.075mm）和粘粒（粒径小于0.002mm的颗粒），将增大干缩应变和干缩系数。因此应严格控制0.075mm筛孔的通过率。集料中小于0.6mm的颗粒有塑性指数时，小于0.075mm的颗粒含量不应超过5%，无塑性指数时，不应超过7%。
　　 为确保严格达到规范要求，本标准试验不再对单一原材的含泥量等单独进行检测，而是在按已确定合成集料级配符合要求的基础上，再次进行配料予以筛分验证，检测0.075mm筛孔的通过率是否符合规范要求。具体检测结果见检测报告******
　　 2）液限和塑性指数
　　 按已确定合成集料级配配料筛分后，取集料中小于0.6mm的颗粒分别进行液限和塑性指数平行检测，具体数据分别如下：
　　 （1）液限：16.0%，塑性指数：1.2（检测报告见******）；
　　 （2）液限：15.7%，塑性指数：1.3（检测报告见******）。
　　 两次检验数据误差在平行测定允许范围内，故取其算数平均值为最终检测结果，亦即测定液限WL为15.9%，塑性指数Ip为1.3，满足集料中小于0.6mm的颗粒符合液限小于28%，塑性指数小于９的有关要求。
　　 此处应予以说明的是，在查hp―WL关系图时，应先通过简易鉴别法及筛分法鉴别集料中小于0.6mm的颗粒所属类别。过去许多检测人员往往不加思考鉴别，直接按细粒土用双曲线确定hp值，这是错误的。经筛分判定，水稳集料中小于0.6mm的颗粒应采用多项式曲线来确定其hp值。
　　 3）粉尘含量
　　 同样，按已确定合成集料级配配料筛分后，取集料中小于3mm的细集料进行粉尘含量测定，具体结果见检测报告******，符合3mm以下细集料粉尘含量小于12%的要求。
　　 4、最佳含水率和最大干密度
　　 最佳含水率和最大干密度的确定可采用击实或振动压实等方法，考虑尚未建立起振动压实试验测试的干密度与击实试验和工程现场施工实际振动压实效果的相关关系等，故目前仍普遍采用击实试验。
　　 本次标准试验采用重型击实试验法。为确保试验最终检测结果的准确性，原材料全部采用烘干后试样，不再进行易引起误差累加的干湿材料含水率测定、换算。击实试验共做二组，每组试样7件，配制混合料中水泥含量为4%，粉煤灰为1%，含水率分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，两次检测数值分别如下：
　　 1）最大干密度：2.39g/cm3，最佳含水率：5.2%（检测报告见******）；
　　 2）最大干密度：2.37g/cm3，最佳含水率：5.6%（检测报告见******）；
　　 两次试验最大干密度及最佳含水率数值偏差均在允许范围内，故平均最大干密度ρdm为2.38g/cm3，最佳含水率w0为5.4%。
　　 本次试验级配严格按水泥稳定碎石特定级配要求合成，尽管原材料如碎石、黄砂密度未予检测验证，最大干密度可能较经验数据稍偏大。另外，水泥稳定碎石击实试验很易因误差而出现几个峰值点的现象，出现时应仔细分析查找原因，提高击实试验过程中的称量及操作精度。
　　 5、试件制备及强度
　　 依据本次标准击实试验所求得的最大干密度和最佳含水率，确定该次制件取料总量为6516g/件（对试件成型过程中的质量损耗未予考虑。实际操作过程中应适当考虑混合料质量的冗余量δ，每个试件质量可增加0～2%。具体制件方法及计算过程参考相关规程规定，不再详述，下同），其中：
　　 水：水泥：粉煤灰：碎石（9.5～31.5mm）：碎石（4.75～9.5mm）：碎石（2.36～4.75mm）：石粉（0～2.36mm）：黄砂（单位：g）
　　 ＝333.8：235.5：58.9：1295.3：1413.1：1413.1：1177.6：588.7
　　 本次试验制作无侧限抗压强度试件13个，平行试验制件13个。测得7天强度（单位：MPa）数据分别如下：
　　 1、5.8、5.4、5.2、5.9、5.5、4.9、5.0、4.5、5.5、4.9、5.1、4.9、5.2；
　　 Ｓ1＝0.40，＝5.2，Ｃv1＝7.7%（检测报告见******）。
　　 2、5.5、4.5、5.3、6.0、4.9、4.8、4.9、4.5、5.1、4.8、5.7、5.1、4.6；
　　 Ｓ2＝0.46，＝5.1，Ｃv2＝9.0%（检测报告见******）。
　　 通过对该批试件的数据分析，强度代表值R代1＝（1-ZαＣv1）＝4.5＞Rd＝4.0MPa、强度代表值R代2＝（1-ZαＣv2）＝4.3＞Rd＝4.0MPa，满足水泥稳定碎石施工强度要求；而偏差系数Ｃv1＝7.7%＜10%、Ｃv2＝9.0%＜10%，因此，只要加强对施工过程的试验控制，特别是拌合调整试验及混合料离析程度的控制，施工过程中应能具备在确保准确检测质量的前提下，减少日常检测试件制作数量以减少检测工作量的可能。
　　 另外，水泥稳定碎石试件在脱模过程及脱模后养生前的称量、搬运过程中，特别容易发生破碎、内损。故在制件配料过程中应严肃认真，装料时应特别注意装料的均匀性。应尽量避免使用电动脱模器而采用液压脱模器，脱模后轻拿轻放，并注意剔除那些似散非散已有内损的试件。
　　 6、水泥剂量标准曲线
　　 依据标准试验所求得的最佳含水率准确配料检测后，以水泥剂量（%）为横坐标、EDTA消耗量（ml）为纵坐标，采用Excel绘制水泥剂量标准曲线（检测报告见******），借以对施工过程中的水泥剂量进行检测。
　　 标准曲线绘制完成后，同样，应随机准确配制两种水泥剂量（一般在设计剂量附近，相差-0.5～+1.0）的水泥稳定碎石混合料予以滴定验证，确定曲线的准确性（见剂量检测验证检测报告******）。
　　 另外，在配制水泥剂量标准曲线时，因水泥在混合料中含量较小，故对检测人员在试验操作、称量、读数等方面的要求更高，配制时应仔细、认真，必要时可多做几次对剂量曲线的准确性予以验证。日常施工过程中对水泥剂量的检测同样如是。
　　 四、检测报告整理
　　 鉴于整个标准试验涉及各种试验记录表格较多，如仅考虑按试验检测时间发生或结果出具先后顺序整理，整份报告会非常杂乱。为确保报告整理主次分明、一目了然，本次水稳标准试验检测报告采取先明示标准检测结果、设计说明，再顺序附具支持性检测如原材试验、级配合成等的整理方式，具体如下：
　　 封面→报告首页→检测结果汇总表→设计说明书→标准击实试验记录表（含平行试验等，下同）→无侧限抗压强度记录表→原材料检测（包括水泥、粉煤灰、碎石、黄砂等相关试验记录表，按本文第三部分标准试验过程中所列顺序整理）→级配合成试验记录表（包括合成、验证等）→液限和塑性指数记录表→水泥剂量标准曲线（包括为绘制曲线而对已知剂量求测滴定消耗量的水泥剂量测定记录表、绘制的标准曲线以及对其予以验证的测定记录表等）
　　 水稳标准试验检测报告设计说明书的具体编写参照本文第三部分标准试验过程即可。其中各试验记录表名称、样式等，不同行业有所不同。而部分表格亦无行业专用表格，如反映整个标准试验从委托、样品、检测时间、地点、环境、仪器、方法、判定依据道、检测结论到签发等各类检测信息的报告首页以及汇总水稳配比、最佳含水率、最大干密度、无侧限抗压强度等信息的检测结果汇总表等，应自行合理设计，限于篇幅，本文不再具体示例。
　　 五、结束语
　　 本次标准试验原材料检测数据仅对所采用样品有效，判定标准为高速公路、一级公路，数据来源均采用比对（平行）试验。实际施工过程中碎石掺配比例等应根据进场原材料的变化而适时调整，避免部分业务不太熟练的试验人员套搬标准的现象。本文论述仅为试图探讨一套水稳标准试验制备过程及报告整理的完整模式，因具体行业、建设项目及地域管理模式有所差别，实际标准试验检测项目、数量及检测报告整理格式等，应视监理、业主或行业主管要求进行相应增减或变动，具体检测报告举例表式因篇幅不再详附。
　　 本次标准试验检测过程较为顺利，究其原因与所采用原材料良好的性能参数有很大关系。因此，在施工过程中，为确保施工质量，应加强对进场原材料（如碎石粒径的规格等）的检测控制。
　　 参考文献
　　 〔1〕《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51―2009）人民交通出社，2009.12
　　 〔2〕《公路工程集料试验规程》（JTG E42―2005）人民交通出版社，2005.6
　　 〔3〕《公路土工试验规程》（JTG E40―2007）人民交通出版社，2007.9
　　 〔4〕《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）人民交通出版社，2008.8
　　 〔5〕《公路工程质量检验评定标准》第一册土建工程（JTG F80/1―2004）人民交通出版社，2004.11（2007.11重印）

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