大粒径水泥稳定砂砾骨架密实级配设计及抗裂性能

夏家鹏; 王华涛; 王斌; 邓威; 马兵; 刘杰; 纪小平

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507307

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10569-10581 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507307

交通运输

大粒径水泥稳定砂砾骨架密实级配设计及抗裂性能

夏家鹏 ¹ ,
王华涛 ² ,
王斌 ³^,⁴ ,
邓威 ⁵ ,
马兵 ⁵ ,
刘杰 ¹^,⁴^,^* ,
纪小平 ⁶

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Skeleton-dense Gradation Design and Cracking Resistance of Large Size Cement-treated Gravel Base

XIA Jia-peng ¹ ,
WANG Hua-tao ² ,
WANG Bin ³^,⁴ ,
DENG Wei ⁵ ,
MA Bing ⁵ ,
LIU Jie ¹^,⁴^,^* ,
JI Xiao-ping ⁶

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摘要

针对新疆地区的路面反射裂缝与拱胀问题,探究大粒径水稳砂砾基层(large size cement-treated gravel base,LCGB-50)的级配设计方法与路用性能。以逐级填充法和变i(通过率递减系数)法为基础,根据7 d力学强度优选出最佳的粗细集料比例,并确定骨架密实型大粒径水泥稳定砂砾集料的合理级配范围。使用干捣实粗集料孔隙率(VCA_DRF)法对该级配设计进行计算检验,通过长龄期力学强度试验和冻融循环试验验证LCGB-50的性能和抗冻能力,最后通过现场试验路段及长期路域环境监测点数据对其路用性能进行评价。结果表明:当i值取0.70,粗细比例为60∶40时7 d的UCS和STS最优,分别为 9.78 MPa 和0.91 MPa;VCA_DRF检验结果误差在5%以内,验证了此水泥稳定砂砾级配形成了强嵌挤骨架密实结构。通过试验段可知, LCGB-50 7d芯样完整,抗压强度在8 MPa以上,满足设计强度指标,证明其具有强度高、密实均匀的特点;监测点数据表明:在-20~40 ℃温度变化中,LCGB-50具有较好的应变恢复能力,较常规粒径生产路段提升了14%,反射裂缝的产生减少约57%,由此可知大粒径水稳砂砾基层对温度、应力变化的适应性较强、基层变形量波动较小,表明其具有减少反射裂缝发展的性能优势。

Abstract

To address reflective cracking and arching issues in road surfaces in Xinjiang, an investigation was conducted on the gradation design methodology and road performance characteristics of an oversized cement-treated gravel base (LCGB-50). Using the stepwise filling method and the variable-i (passing percentage decreasing coefficient) approach, the optimal coarse-to-fine aggregate ratio was selected based on 7-day mechanical strength, and a reasonable gradation range was determined for skeleton-dense cement-stabilised gravel with oversized particles. The dry compacted coarse aggregate porosity (VCA_DRF) method was applied for computational validation of the gradation design. The mechanical performance and frost resistance of LCGB-50 were verified through long-term strength tests and freeze-thaw cycle experiments. Finally, the serviceability of the material was evaluated using data collected from field trial sections and long-term environmental monitoring points. The results indicate that when the i-value is set to 0.70 with a coarse-to-fine aggregate ratio of 60∶40, the 7-day unconfined compressive strength and splitting tensile strength reach optimal values of 9.78 MPa and 0.91 MPa, respectively. The VCA_DRF test results show an error margin within 5%, confirming that a strongly interlocked, skeleton-dense structure is formed in the cement-stabilised gravel. Cores extracted from test sections remain intact, with 7-day compressive strengths exceeding 8 MPa, thereby meeting the design strength requirements and demonstrating high strength and uniform compaction. Monitoring data reveals that within a temperature range of -20 ℃ to 40 ℃, LCGB-50 exhibits superior strain recovery capability, which is 14% higher than that of conventional gradation sections. The occurrence of reflective cracking is reduced by approximately 57%. These findings demonstrate that the coarse-graded cement-stabilised gravel base possesses enhanced adaptability to temperature and stress variations, with reduced deformation fluctuation, indicating a clear performance advantage in mitigating the development of reflective cracking.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 大粒径砂砾 / 级配设计 / 性能验证 / 工程应用

Key words

road engineering / extra-large-sized gravel / gradation design / performance validation / engineering applications

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夏家鹏, 王华涛, 王斌, 邓威, 马兵, 刘杰, 纪小平. 大粒径水泥稳定砂砾骨架密实级配设计及抗裂性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10569-10581 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507307

XIA Jia-peng, WANG Hua-tao, WANG Bin, DENG Wei, MA Bing, LIU Jie, JI Xiao-ping. Skeleton-dense Gradation Design and Cracking Resistance of Large Size Cement-treated Gravel Base[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10569-10581 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507307

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在中国已建成高速公路中,超过90%的沥青路面基层采用了粒径小于37.5 mm的水泥稳定碎石材料^[1-3],然而,此类材料在强度过程中普遍存在收缩开裂现象,并进一步诱发沥青面层反射裂缝及路面拱胀等病害,显著削弱路面平整度,并对道路服役寿命产生不利影响^[4-7]。其根本原因在于:较小粒径导致粗集料骨架作用弱化,基层强度下降,受力时易发生颗粒错位,长期荷载下产生疲劳裂缝;同时,细集料含量的增加提高了水泥砂浆的需求量,水泥剂量的提升则进一步加剧了收缩裂缝的产生^[8]。

针对上述技术瓶颈,近年来学界普遍提出增大集料粒径并同步降低水泥剂量的技术路径,以期缓解基层开裂问题。其机理主要包括两方面:一是水稳材料颗粒间的嵌挤作用对其收缩特性有着显著影响。在合理的级配条件下,适当提高水稳材料中集料的粒径,颗粒之间的嵌挤作用会更强,从而形成一个更有利于抵抗收缩裂缝的骨架结构^[9-11]。二是集料粒径与其物理力学特性密切相关:粒径越大,颗粒体系的稳定性就越强,触发颗粒发生移动所需施加的外力也相应更大;同时,其比表面积的减小降低了颗粒间黏结所需的水泥用量,从而在减少收缩变形的同时,改善了水稳材料的力学性能与抗裂性能^[12-13]。相关研究成果表明,当基层混合料的最大粒径增大至53 mm时,集料所需要的水泥剂量可降低10%~20%,较常规粒径的水稳材料而言抗收缩开裂的能力得到了提升,可延长路面使用寿命^[14-17]。

水泥稳定砂砾基层因具备高强度、高刚度、优良的稳定性和良好的应力扩散性能,被广泛视为性能优越的半刚性基层材料^[18]。新疆戈壁地区天然砂砾资源丰富,就地取材条件优越,为该类型基层的大规模推广应用提供了有利的物质基础与经济可行性。既有研究也表明,通过合理的级配设计,水泥稳定砂砾基层在路用性能方面表现突出。王选仓等^[19]通过宏-微观试验发现,骨架密实型水泥稳定砂砾能有效遏制路面拱胀。盛燕萍等^[20]通过多次冻融循环试验证实,水泥稳定砂砾基层在提高水泥剂量的情况下具有良好的抗冻性能。然而,目前关于新疆地区大尺寸天然砂砾在水稳基层中的应用研究仍相对匮乏,而该地区实际服役路面中裂缝与拱胀病害问题却较为突出。因此,研究具有抗裂和抗拱胀作用的大粒径水稳砂砾基层具有重要的工程意义与应用价值。

揭示LCGB-50级配组成与性能的变化规律,是其质量控制和工程应用的重要前提。为此,中外学者针对不同设计理论开展了大量研究。索智等^[21]在级配设计中首先采用贝雷法确定关键筛孔,再结合Fuller公式确定其余筛孔通过率,结果表明,该方法可形成具有紧密嵌锁效应的超大粒径级配碎石。Yi等^[22]基于分形理论设计了6种大粒径级配碎石,并通过试验验证了其无侧限抗压强度和抗压回弹模量均优于常规粒径级配碎石。景宏君等^[23]引入K(颗粒分级质量递减系数)法开展细集料级配设计,并从力学强度、抗冻性能及收缩特性多角度证实了该方法的工程适用性。丁希昆等^[24]依据逐级填充理论和粒子干涉理论,结合贝雷法为原则,并以最小振实间隙率(VMA)为优化指标,提出了基于再生胶凝材料的超大粒径碎石基层级配设计方法。张志红等^[25]融合Fractal理论和Furnas方程,推导了适用于描述连续级配土体的级配控制方程,并构建了易于确定的颗粒级配优化方法。崔纲等^[26]则综合运用图像分析、离散元模拟与室内试验形成对比,对不同粒径的水稳材料级配设计进行了系统验证。总体而言,现有级配设计方法多集中于大粒径级配碎石体系,而针对大粒径级配砂砾的适用性研究仍较为有限,其在新疆戈壁等特殊地区的工程应用效果尚待进一步验证。

基于此,以逐级填充理论为设计依据,以最大振实密度为指标确定粗集料级配,在粗集料形成骨架结构的基础上,采用变i(通过率递减系数)法为设计依据,确定最佳i值对应的细集料级配。随后,以无侧限抗压强度(unconfined compressive strength,UCS)和劈裂强度(splitting strength,STS)最优为原则,对粗细集料的比例进行优化设计,进而获得LCGB-50的骨架密实型结构。采用VCA_DRF法检验此级配是否形成紧密的骨架结构以及集料之间是否有嵌锁作用,通过长龄期力学强度试验和冻融循环试验验证LCGB-50的力学性能和抗冻能力,铺筑试验路段并建立监测点,采集监测数据以检验其路用性能。研究成果有望在保持混合料较高刚度的同时,提高半刚性基层在新疆大温差环境下的抗裂能力,从而为新疆干旱环境与冻融循环下的基层裂缝防控提供新的材料路径。

1 原材料性质

试验所用粗集料为4.75~53 mm、细集料为 0~5 mm粒径的天然砂砾,其中粗集料分为四档。水泥为普通硅酸盐P·O42.5水泥。按照《公路工程集料试验规程》(JTG 3432—2024)^[27]和《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2023)^[28]进行性能指标的检测,结果如表1~表3所示。

2 试验方案

2.1 级配设计方法

采用逐级填充法和变i法对粗细集料进行填充,以寻求最佳粗细比例,形成强嵌挤骨架结构。Weymouth粒子干涉理论认为:为达到最大密度,前一级颗粒之间的空隙,应由次一级颗粒所填充;其所余空隙又由再次小颗粒所填充,但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙间距,否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象^[29-30]。基于魏矛斯粒子干涉理论,确定大粒径水稳砂砾级配设计步骤如图1所示。

2.2 试验方法

2.2.1 试件成型方法

由于混合料中石料最大粒径为53 mm,采用传统压实方法会导致压实度不足且无法形成骨架密实型结构,故采取其他的压实成型方法。研究表明,垂直振动压实法操作简便,且成型试件与路面芯样相关性可达94%^[31-34],因此,试验采用垂直振动压实法成型LCGB-50试件,垂直振动压实仪如图2所示,基于前期预试验和《公路超大粒径水泥稳定碎石应用技术规程》(T/CECS G: D22-04—2024)^[35],所涉及的垂直振动压实法试件在成型时的工作参数具体如表4所示。

2.2.2 无侧限抗压强度试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG 3441—2024)^[36]中无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验进行,试验过程如图3所示,抗压强度的计算公式为

(1)R_c=$\frac{P}{A}$

式(1)中:R_c为试件的无侧限抗压强度,MPa;P为试件破坏时的最大压力,N;A为试件的截面积,mm²。

2.2.3 劈裂强度试验

试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG 3441—2024)^[36]进行,试验过程如图4所示,劈裂强度R_s的计算公式为

(2)R_s=$\frac{2P}{\mathrm{\pi }dh}$sin2$\left(\alpha -\frac{a}{d}\right)$

式(2)中:R_s为试件的劈裂强度,MPa;d为试件的直径,mm;a为压条的宽度,mm;α为半压条宽对应的圆心角,(°);P为试件破坏时的最大压力,N;h为浸水后试件的高度,mm。

2.2.4 冻融循环试验

试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG 3441—2024)^[36],对尺寸为 Φ200 mm × 200 mm 的圆柱体试件开展了清水浸渍冻融循环试验,冻融方法采用气冻水融,低温控温-18 ℃冻结16 h,水融控温20 ℃融化8 h,冻融次数分别设置为5次和10次。试验仪器如图5(a)所示,过程如图5(b)所示。

混合料的抗冻性能以冻融后的试件抗压强度比表示,计算公式为

(3)W_n=$\left(\frac{{m}_{0}-{m}_{n}}{{m}_{0}}\right)$×100%

(4)BDR=$\frac{{R}_{\mathrm{d}\mathrm{c}}}{{R}_{\mathrm{c}}}$×100%

式中:W_n为n次冻融后的质量损失率,%;m₀为冻融前试件质量,g;m_n为冻融后的质量,g;BDR为冻融后试件的抗压强度比,%;R_dc为n次冻融后试件的抗压强度,MPa;R_c为冻融前的抗压强度,MPa。

3 大粒径水稳砂砾级配设计

3.1 粗集料级配设计

依据贝雷法关于粗细集料的划分原则,集料的最大公称粒径为53 mm,以其0.22倍(即11.66 mm)作为分界点。因此,选取最接近该值的9.5 mm筛孔作为粗细集料的分界筛孔^[37]。混合料强度来源于粗集料中的内摩阻力和水泥胶浆与细集料的黏结力。因此,根据粒子干涉理论,采用逐级振实填充法对粗集料进行级配设计以此来提高粗集料颗粒之间的嵌挤效果从而增强内摩阻力。首先将粗集料分为三档,分档情况如表5所示。然后进行逐档填充试验,以各档集料填充后的密度进行评价,密度越大,嵌挤情况就越理想。

为探究集料级配与振实密度的关系,首先以X₁∶X₂=50∶50、55∶45、60∶40、65∶35、70∶30的比例将X₂掺入X₁中进行填充,结果如图6所示。随着X₁占比逐渐增加,振实密度呈现先增后降的趋势,并在X₁∶X₂=60∶40时达到峰值。其原因在于,随着两档集料比例变化,粗集料在振动过程中逐渐形成稳定的强嵌挤骨架结构,此时嵌挤效应最为显著;继续增大X₁比例则会导致骨架结构被破坏,振实密度下降,表明集料间干涉作用增强。在此基础上,进一步以 (X₁+X₂)∶X₃=40∶60~ 70∶30的比例将X₃掺入前两者混合料中,振实密度结果如图7所示。第二次填充的振实密度变化规律与初级填充相似:随着X₃比例降低,振实密度先迅速上升,在 (X₁+X₂)∶X₃=50∶50 时取得最大值,随后逐渐下降。该结果表明,该比例下集料间嵌挤作用达到最优,形成了骨架密实结构。

3.2 细集料级配设计

细集料作为水泥稳定砂砾级配的重要组成部分,在粗集料形成骨架嵌挤结构后,不仅起到填充骨架间空隙的作用,更是与水泥混合形成水泥砂浆来增强成型后混合料力学性能。将4.75~9.5 mm的集料记为X₄档,在粗细集料比例优选时确定X₄档集料的用量。此处只针对0~4.75 mm的细集料(记为X₅档)采用变i法进行细集料级配设计,水泥剂量选取在适当范围即可,选取4%水泥剂量成型不同i值的圆柱形试件,测试7 d的UCS和STS,以强度最优原则确定细集料级配。

变i法计算公式为

(5)P_x=i^x×100%

式(5)中:P_x为希望计算的某级集料的通过量,%;级数x=3.32lg(D/d_x),其中d_x为各粒级的相应方孔筛孔径,mm;D为集料公称最大粒径,mm。

选取的i值以及不同i值对应的X₅档集料级配如表6所示。不同i值对应X₅档级配7 d的UCS和STS如表7所示。

由表7可知,X₅档集料的UCS和STS随i值的增加先增大后减小,在i为0.70时,X₅档集料的UCS和STS均达到最大值,说明此时细集料具有较大的黏结力,结构稳定性最强,能较好地起到加固骨架结构的作用。因此X₅档细集料级配i值取为0.70。

3.3 粗细集料比例优选及验证

粗细集料比例的选取对混合料整体的强度和性能至关重要,过大和过小都会带来负面影响。若细集料比例过大,则会导致过度填充粗集料形成的骨架结构空隙,从而致使骨架被撑开导致强度下降;若粗集料比例过大,则会导致细集料不能充分填充空隙,一样会导致强度和抗裂性能下降。因此为了能得到合理的粗细比例,成型了几组不同比例的水泥稳定砂砾试件,以无侧限抗压强度和劈裂强度最优为评判标准,选取一组最佳粗细集料比例。

鉴于上文所述,考虑将X₄与X₅划分为一个整体作为细集料与粗集料进行比例分配,再将X₄与X₅单独进行比例分配。参考前期预实验研究,(X₁+X₂+X₃)与(X₄+X₅)的质量比分别取50∶50、55∶45、60∶40、65∶35,X₄与X₅的质量比分别取1∶2、1∶3、1∶4。为验证不同粗细比的混合料在最低水泥剂量下的力学性能表现,此处以2.5%最低水泥掺量成型振动压实试件,以7 d无侧限抗压强度和劈裂强度最优为原则确定最佳粗细集料比例。

3.3.1 粗细集料比例的确定

按照上述四组粗细集料比例成型试件,每组成型6个试件,测试其7 d UCS和STS试验结果如图8所示。

分析图8可知,在每一组粗细比例中X₄∶X₅比例为1∶3时,UCS和STS均最大,这可能是因为此比例下X₄与X₅形成的细集料部分能够充分与水泥发生水化反应形成水泥砂浆,在充分填充空隙的同时能紧密黏结骨架结构。当(X₁+X₂+X₃)∶(X₄+X₅)为60∶40,且X₄∶X₅为1∶3时,试件的7 d无侧限抗压强度和劈裂强度达到最大,分别为9.78 MPa和0.91 MPa。因此,基于强度最大原则选取最佳粗细集料配合比为(X₁+X₂+X₃)∶(X₄+X₅)为60∶40,X₄∶X₅为1∶3,初步判断此比例可使细集料紧密的填充粗集料,从而形成一个具有较强稳定性的强嵌挤骨架密实结构。

通过以上的研究结果并充分结合工程应用经验提出LCGB-50强嵌挤骨架密实级配范围如表8所示。

3.3.2 LCGB强嵌挤骨架密实级配验证

前文研究确定的粗细集料的比例和级配,通过力学试验初步判断其达到强嵌挤骨架密实结构,但还需进一步验证。干捣实粗集料孔隙率(VCA_DRF)法是一种基于体积指标的评价方法,是沙庆林^[38]为检验SAC级配骨架结构提出的一种检验级配的方法。利用VCA_DRF法进行级配检验前需已知以下条件。

(6)P_ca+P_fa+P_fi=100%

式(6)中:P_ca为矿料级配中粗集料所占有的质量百分数,%;P_fa为矿料级配中细集料所占有的质量百分数,%;P_fi为矿料级配中水泥所占有的质量百分数,%。

(7)VCA_DRC=$\left(1-\frac{\mathrm{G}\mathrm{C}{\mathrm{A}}_{\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{C}}}{{G}_{\mathrm{b},\mathrm{c}\mathrm{a}}}\right)$×100%

式(7)中:VCA_DRC为粗集料干捣实状态下的孔隙率,%;GCA_DRC为粗集料干捣实状态下的密度,g/cm³;G_b,ca为粗集料毛体积密度,g/cm³。

该方法涉及的变量(如粗细集料所占级配比例、振实密度、集料毛体积密度等)都与本研究高度契合,因此选择该方法来验证上述级配是否形成强嵌挤骨架结构。VCA_DRF法检验级配的表达式如式(8)所示,一般认为,当式(8)的等号左侧大于右侧,说明混合料中的孔隙率大于预定的值,细集料填充不够充分,无法形成密实的骨架结构;当式(8)的等号左侧小于右侧时,说明细集料过多,会破坏粗集料形成的骨架结构,使得混合料性能下降。由于存在误差,式(8)的等号左侧和右侧计算结果相等可能性较小,故认为当式(8)的等号左侧与右侧计算结果在误差5%以内,即可判定所检验的级配为紧密相嵌的骨架密实型。检验结果如表9所示。

(8)$\frac{{P}_{\mathrm{c}\mathrm{a}}}{\mathrm{G}\mathrm{C}{\mathrm{A}}_{\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{C}}}$(VCA_DRC-V_a)=$\frac{{P}_{\mathrm{f}\mathrm{a}}}{{G}_{\mathrm{b},\mathrm{f}\mathrm{a}}}$+$\frac{{P}_{\mathrm{f}\mathrm{i}}}{{G}_{\mathrm{b},\mathrm{f}\mathrm{i}}}$

式(8)中:V_a为混合料中需预留的孔隙率,%;G_b,fa为细集料的毛体积密度,g/cm³;G_b,fi为填料的视密度,g/cm³,此处为2.93。

通过表9可知,LCGB-50验算式[式(8)]的左侧、右侧计算结果接近,误差为4.2%,可以认为其形成了紧密的强嵌挤骨架密实型结构。

4 LCGB力学性能和耐久性

4.1 力学性能

抗压和劈裂强度是检验水泥稳定类材料力学性能的重要指标之一^[39],同时也能更好地反映级配设计的合理性。因此,对4种水泥剂量的LCGB-50进行力学强度的检测,每种水泥剂量成型6个试件,试验结果如图9所示。

由图9(a)、图9(b)可知,UCS与STS随养护龄期延长呈现相似的增长规律。在养护早期(28 d之前),强度增长速率较快,此阶段水泥水化反应最为剧烈,是强度形成的关键时期;养护龄期超过28 d后,由于大部分水泥已发生水化且体系内部水分供给不足,加之主要孔隙已被前期水化产物填充,后续生成的新产物对强度的提升作用十分有限,导致强度增长速率逐渐减缓并趋于稳定。此外,在28 d养护龄期后,LCGB-50的UCS与STS数值均远高于常规粒径水泥稳定材料,表明基于该方法设计的级配具备优异的力学强度与较高的承载能力,能够为路面结构提供坚实可靠的支撑。

4.2 耐久性

对4种水泥剂量的LCGB-50进行冻融循环试验以评估混合料的抗冻性能,结果如图10所示。由图10(a)和图10(b)对比可以看出,5次和10次冻融循环的试验结果相似,不同水泥剂量的强度损失由小到大为4%<3.5%<3%<2.5%,而BDR的排序则与之相反,呈上升趋势,说明冻融循环作用下,混合料的水泥剂量越大,其强度降幅越小,抗冻性能越好^[40]。从微观机理来说,水泥剂量的增加产生了更多的水化产物^[41],它们填充了材料内部的孔隙,使固相物质所占比例增加,降低了在冻融循环中的吸水率,减少了因冻胀力产生的挤压破坏^[42]。此外,冻融试验结果表明,即使经过10次循环,试件的强度损失率仍较低,且完整性较好。这证明此种级配设计可使混合料具备良好的抗冻性能。

5 工程应用及可靠性验证

上文已通过室内试验及理论计算验证其具有强嵌挤骨架密实型结构及优异的力学强度和耐久性,为进一步验证LCGB-50的工程使用可行性,选取在新疆阿勒泰地区某公路试验段中开展应用研究,并进行长期性能监测,验证其性能可靠性。

5.1 试验段方案

试验路结构方案为基层铺筑40 cm厚大粒径水泥稳定砂砾,分两层进行铺筑,每层厚度20 cm,施工完第一层后需养生7 d再施工第二层。试验路所用配合比为X₁∶X₂∶X₃∶X₄∶X₅=18%∶12%∶30%∶10%∶30%,具体级配如图11所示,水泥剂量为3.5%。

5.2 试验段检测

5.2.1 压实度与平整度检测

为了检验该级配在实际工况中的工程质量,需对LCGB-50每一层施工完后进行检测。由于压实度指标能够直接反映基层的密实程度,并且压实度在不同区域的分布和变化能够反映离析情况^[43],故选择以压实度并配以常规平整度试验检测为评判指标。采用灌砂法对LCGB-50基层进行压实度检测。压实度和平整度检测结果如表10所示。

由表10可知,LCGB-50压实度和平整度均表现良好,形成了较为稳定的强嵌挤骨架密实型结构,可以认为采用上述级配设计方法和施工工艺后,达到了设计标准。

5.2.2 取芯检测

为了检验施工完成后的LCGB-50是否形成了较好的强度,选择在试验路段铺筑完成并养生7 d后,在随机区域进行取芯。将取芯完成后的芯样进行无侧限抗压强度试验,试验结果如图12所示。

本试验路基层强度设计指标为≥7 MPa,由图12可知,芯样强度均在8 MPa以上,均已达到设计标准,再一次证明了上述级配设计的合理性与可行性。

5.3 长期性能监测验证

为进一步探究此级配形成的强嵌挤骨架密实型结构的长期抗裂能力,在LCGB-50基层的顶部、中部、底部埋设应变计用以监测基层在车辆荷载以及温度变化下的应变变化,温度传感器和土压力盒同步埋设,具体埋设方案如图13所示,传感器每半小时记录一次数据,并在正常施工路段基层的相同位置埋设对应传感器用于和试验路段形成对比。

以LCGB-50和常规粒径的生产路段的3个基层层位应变作为分析对象,得到不同纵深的应变随时间变化曲线如图14所示,不同结构层所对应的温度变化如图15所示。

从整体来看,应变曲线变化趋势呈现“Ω”形。结合图15中的温度变化曲线可知,该现象源于2024年11月—2025年3月期间基层经历的一次完整冻融循环。在冻融初期,温度急剧下降,基层因低温收缩产生裂缝并持续扩展,导致应变出现峰值;而在冻融后期,随着气温回升,基层发生膨胀,裂缝逐渐闭合,应变值相应回落。在整个冻融过程中,应变的上升与下降趋势均较为明显。对比两种路段可以看出,采用LCGB-50的路段基层在经历冻融导致开裂与闭合过程后,应变基本能够恢复至冻融前水平,而生产路段则无法完全恢复。结果表明,LCGB-50材料具有较好的抗冻融性能,其抗裂性能较常规水稳材料有显著提升。

为进一步体现LCGB-50具有较好的抗裂性能和温度适应性,以一年中气温最高的一天(2025年7月29日)为例,两条路段基层顶、基层中、基层底三个层位的昼夜温差和应变差值如表11所示。可以看出,在相近的昼夜温差条件下,LCGB-50各结构层产生的温度应变均显著低于常规路段,降幅最高达39.2%(基层顶)。这一结果表明,LCGB-50具有更优的温度变形协调能力,从而有效抑制了因日温差循环所引起的疲劳应变累积,其较好的抵抗温度收缩应变的能力对于延缓基层温缩裂缝的萌生与扩展、增强路面长期耐久性具有关键作用。

如图14(a)和图14(c)所示,在第一年8—9月,生产路段基层因干缩应力超过基层材料抗拉强度,导致应力集中并引发裂缝,应变曲线呈现明显突变^[43]。相比之下,LCGB-50基层的应变变化较为平稳,表明结构更为密实,能够有效抵抗半刚性基层的开裂问题。从不同层位的应变曲线变化幅度来看,基层底部的应变波动较为显著。这可能是因为基层底部与路基顶部相接触,而路基的强度通常低于半刚性基层,使得该区域对应力变化的响应更为敏感。图14(b)显示,基层中部的应变变化较为平缓。该区域位于半刚性基层内部,一方面承受来自车辆荷载的应力主要由基层顶部承担,另一方面受环境温度变化的影响也相对较小,因此应变幅度不大。而基层顶部作为直接承受车辆荷载作用的部位,其应力变化最为敏感,应变响应也最为显著。

LCGB-50与常规生产路段基层关键性能指标对比如表12所示,LCGB-50在抗裂性与结构稳定性方面均展现出显著优势。具体而言,LCGB-50的干缩应变波动率低且平稳,有效规避了因干缩突变引发的内应力集中;其路面裂缝观测密度则直观体现了优异的宏观抗裂效果;同时,LCGB-50较好的应变恢复率反映出其在荷载或温度循环作用下具备更强的弹性恢复能力与抗疲劳性能。

综上可知,在长达一年的观测中,LCGB-50试验路段基层相较于常规粒径的生产路段基层,对车辆荷载和气候温度产生的应力变化适应性较强,其变形量处于可恢复的弹性变形阶段,基层的整体性并未破坏,产生基层裂缝的概率较低,可大幅延长路面的服役寿命,进一步验证了此级配设计方法形成的强嵌挤骨架密实型结构具有较好的抗裂性能。

6 结论

(1)提出了适用于LCGB-50的优化级配设计方法。基于逐级填充与变i法,确定了粗细集料和i值为0.70的最佳参数,据此提出了强嵌挤骨架密实型LCGB-50的级配范围,并经VCA_DRF法验证该级配形成了紧密的骨架结构(误差<5%)。

(2)验证了LCGB-50具备优异的力学性能与抗冻耐久性。长龄期强度试验表明,LCGB-50的力学强度在28 d后增长趋于稳定,且最终强度远超常规材料。冻融循环试验结果显示,其强度损失率低、抗压强度比高,证明该材料在新疆等严酷环境下具有良好的抗冻性能与长期稳定性。

(3)通过工程应用证实了LCGB-50具有显著的路用性能优势。现场试验段监测数据表明:在 -20~40 ℃的年温度变化内,LCGB-50基层的温度应变较常规路段显著降低,应变恢复率提升约14%,反射裂缝密度减少约57%,且干缩应变波动平缓,证明其具备优异的温度适应性、抗疲劳能力与抗反射裂缝性能。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	姚江龙, 扈惠敏, 韩风. 可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(27): 11816-11827.

[2]	Yao Jianglong, Hu Huimin, Han Feng. Experimental study on the effect of redispersible latex powder on the properties of cement stabilized crushed stone material[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(27): 11816-11827.

[3]	周林烨, 潘彦邑, 梁军林, 等. 水泥稳定碎石材料水化过程的电化学阻抗谱[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(26): 11652-11659.

[4]	Zhou Linye, Pan Yanyi, Liang Junlin, et al. Electrochemical impedance spectroscopy of cement stabilized crushed stone material in the hydration process[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(26): 11652-11659.

[5]	姚爱玲, 韩方元, 许敏, 等. 水泥稳定碎石基层混合料的膨胀性分析[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(12): 4902-4908.

[6]	Yao Ailing, Han Fangyuan, Xu Min, et al. Swelling analysis of cement stabilized macadam mixture[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(12): 4902-4908.

[7]	Deng C Q, Jiang Y J, Tian T, et al. Resilient modulus and influencing factors of vertical vibration compacted cement-stabilized macadam[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2021, 22(11): 1435-1445.

[8]	宋云连, 陈香橱. 相变沥青混合料在同一服役工况下的低温性能[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(33): 14455-14464.

[9]	Song Yunlian, Chen Xiangchu. Low-temperature performance of phase-change asphalt mixtures under identical service conditions[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(33): 14455-14464.

[10]	刘富强, 傅金琳, 郭平, 等. 环氧硅树脂改性乳化沥青微表处耐久性能[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(31): 13594-13599.

[11]	Liu Fuqiang, Fu Jinlin, Guo Ping, et al. Durability performance of epoxy-silicone resinmodified emulsified asphalt micro-surfacing[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(31): 13594-13599.

[12]	李盛, 姚杨, 谢少杰, 等. 双纤维增强型加铺层沥青混合料抗裂性能实验设计及结果分析[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(27): 11808-11817.

[13]	Li Sheng, Yao Yang, Xie Shaojie, et al. Experimental design and results analysis of crack resistance performance for dual-fiber-reinforced overlay asphalt mixture[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(27): 11808-11817.

[14]	岳爱军, 邱华, 冯永平. 低掺量水泥改善级配碎石力学和收缩规律分析[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(6): 2587-2594.

[15]	Yue Aijun, Qiu Hua, Feng Yongping. Analysis of low-cement-content improvement on the mechanical properties and shrinkage beha-vior of graded crushed stone[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(6): 2587-2594.

[16]	郭红兵. 设置开级配大粒径沥青碎石裂缝缓解层的沥青路面抗裂机理研究[D]. 西安: 长安大学, 2013.

[17]	Guo Hongbin. Study on the crack-resistance mechanism of asphalt pavements with open-graded coarse-grained asphalt crushed stone crack-relief layers[D]. Xi’an: Chang’an University, 2013.

[18]	魏建国, 查旭东, 郑健龙, 等. 大粒径沥青混合料基层结构抗裂机理分析[J]. 公路, 2008(4): 1-6.

[19]	Wei Jianguo, Cha Xudong, Zheng Jianlong, et al. Analysis of crack resistance mechanisms in coarse-grained asphalt mixture base structures[J]. Highway, 2008(4): 1-6.

[20]	许玉和, 胡家波, 高岳峰, 等. 大粒径透水性沥青混合料抗剪强度试验研究[J]. 材料科学, 2021, 11(7): 878-884.

[21]	Xu Yuhe, Hu Jiabo, Gao Yuefeng, et al. Experimental study on shear strength of coarse-grained permeable asphalt mixtures[J]. Materials Science, 2021, 11(7): 878-884.

[22]	谭波, 杨涛. 基于振动旋转压实制样方式骨架密实型大粒径级配碎石性能研究[J]. 中外公路, 2022, 42(5): 161-167.

[23]	Tan Bo, Yang Tao. Study on the properties of skeleton-dense coarse-grained graded crushed stone using vibration-rotation compaction sampling method[J]. China-Foreign Highway, 2022, 42(5): 161-167.

[24]	杨明, 蒋应军, 李明杰, 等. CTB-50水泥稳定碎石抗冻性能研究[J]. 公路, 2023, 68(1): 46-51.

[25]	Yang Ming, Jiang Yingjun, Li Mingjie, et al. Study on the freeze resistance of CTB-50 cement-treated stabilised crushed stone[J]. Highway, 2023, 68(1): 46-51.

[26]	Yi Y, Jiang Y J, Tian T, et al. Mechanical strength-growth law and predictive model for ultra-large size cement-stabilized macadam based on the vertical vibration compaction method[J]. Construction and Building Materials, 2022, 324: 126691.

[27]	Liu Q Y, Liu L P, He M, et al. Research on size effect on cubic compressive strength of ground granulated blast furnace slag-fly ash stabilized large-size macadam[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2025, 45(3): 64-73.

[28]	Wang S, Han L, Wu C, et al. Mix proportion design and production optimization of stone filled with cement stabilized macadam considering shrinkage resistance and easy construction[J]. Construction and Building Materials, 2024, 416: 135235.

[29]	马贤尚, 陈明. 水泥低剂量骨架密实抗裂型水泥稳定碎石配合比研究[J]. 工程技术研究, 2025, 10(3): 128-130.

[30]	Ma Xianshang, Chen Ming. Study on the mix proportion of low-dosage skeleton-densified crack-resistant cement-stabilised crushed stone[J]. Engineering Technology Research, 2025, 10(3): 128-130.

[31]	蒋应军, 李兵兵, 张伟, 等. 温度与延迟时间对新疆高温差地区水泥稳定砂砾性能影响研究[J]. 公路, 2023, 68(8): 29-40.

[32]	Jiang Yingjun, Li Bingbing, Zhang Wei, et al. Study on the influence of temperature and delay time on the performance of cement-stabilised gravel in regions with high temperature differences in Xinjiang[J]. Highway, 2023, 68(8): 29-40.

[33]	王选仓, 朱世煜, 张梦媛, 等. 大温差荒漠区水泥稳定砂砾材料拱胀的宏-微观研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2022, 41(4): 87-95.

[34]	Wang Xuancang, Zhu Shiyu, Zhang Mengyuan, et al. Macro-micro study on arching of cement-stabilised gravel materials in desert regions with large temperature fluctuations[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science Edition), 2022, 41(4): 87-95.

[35]	盛燕萍, 贾海川, 孙仕伟, 等. 不同温度下早强低收缩水泥稳定碎石特性的试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(10): 3215-3220.

[36]	Sheng Yanping, Jia Haichuan, Sun Shiwei, et al. Experimental study on the stability of cement-treated crushed stone at different temperatures using early-strength, low-shrinkage cement[J]. Silicate Bulletin, 2019, 38(10): 3215-3220.

[37]	索智, 查伟, 聂磊, 等. 超大粒径级配碎石在沥青路面基层中的应用研究[J]. 公路, 2022, 67(4): 35-40.

[38]	Suo Zhi, Cha Wei, Nie Lei, et al. Research on the application of extra-large grain size graded crushed stone in asphalt pavement base courses[J]. Highway, 2022, 67(4): 35-40.

[39]	Yi Q, Xu J, Pan H, et al. Mix design and field detection of large-particle-size graded crushed stone mixtures for pavement reconstruction[J]. Buildings, 2024, 14(5): 1359.

[40]	景宏君, 张超伟, 高萌, 等. 骨架密实型水泥稳定煤矸石级配设计与性能研究[J]. 材料导报, 2025, 39(2): 111-117.

[41]	Jing Hongjun, Zhang Chaowei, Gao Meng, et al. Design and performance study of densely structured cement-stabilised coal gangue gradation[J]. Materials Review, 2025, 39(2): 111-117.

[42]	丁希昆, 甘新众, 刘群艳, 等. 基于再生胶凝材料的超大粒径碎石基层级配设计方法研究[J]. 公路, 2023, 68(9): 42-49.

[43]	Ding Xikun, Gan Xinzhong, Liu Qunyan, et al. Research on grading design methods for extra-large grain size crushed stone bases based on recycled cementitious materials[J]. Highway, 2023, 68(9): 42-49.

[44]	张志红, 王树青, 杨凡. 基于Furnas方程和分形理论的级配优化方法及试验验证[J]. 土木工程学报, 2023, 56(1): 109-118.

[45]	Zhang Zhihong, Wang Shuqing, Yang Fan. Optimisation method for gradation based on the Furnas equation and fractal theory and experimental validation[J]. Journal of Civil Engineering, 2023, 56(1): 109-118.

[46]	崔纲, 李程, 王魏魏, 等. 基于离散元的水泥稳定碎石级配设计理论及强度与收缩特性影响规律研究[J]. 中国公路学报, 2025, 38(6): 196-208.

[47]	Cui Gang, Li Cheng, Wang Weiwei, et al. A study on the gradation design theory of cement-stabilised crushed stone based on the discrete element method and the influence patterns of strength and shrinkage characteristics[J]. Journal of Chinese Highway Engineering, 2025, 38(6): 196-208.

[48]	交通运输部公路科学研究院. 公路工程集料试验规程: JTG 3432—2024[S]. 北京: 人民交通出版社, 2024.

[49]	Research Institute of Highway, Ministry of Transport. Specification for aggregate tests in highway engineering: JTG 3432—2024[S]. Beijing: China Communications Press, 2024.

[50]	中国建筑材料联合会. 通用硅酸盐水泥: GB 175—2023[S]. 北京: 中国标准出版社, 2023.

[51]	China Building Materials Federation, General-purpose Portland cement: GB 175—2023[S]. Beijing: China Standards Press, 2023.

[52]	王瑞燕, 张营, 龙昊, 等. 基于粒子干涉理论的混凝土材料设计与性能研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2022, 41(11): 99-104.

[53]	Wang Ruiyan, Zhang Ying, Long Hao, et al. Research on concrete material design and performance based on particle interference theory[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science Edition), 2022, 41(11): 99-104.

[54]	陈忠达, 袁万杰, 高春海. 多级嵌挤密实级配设计方法研究[J]. 中国公路学报, 2006(1): 32-37.

[55]	Chen Zhongda, Yuan Wanjie, Gao Chunhai. Research on design method of multilevel dense built-in gradation[J]. China Journal of Highway and Transport, 2006(1): 32-37.

[56]	Jiang Y, Deng C, Xue J, et al. Investigation of the fatigue properties of asphalt mixture designed using vertical vibration method[J]. Road Materials and Pavement Design, 2020, 21(5): 1454-1469.

[57]	Lei R, Yu H, Qian G, et al. Impact of aggregate morphology on the compression strength of asphalt mixtures during different compaction stages[J]. Construction and Building Materials, 2024, 439: 137319.

[58]	Song M, Li S, Bao Y. Comparison of VVCM and marshall method for ATB-30 asphalt mixture design[M]. Boca Raton, FL: CRC Press, 2023: 515-521.

[59]	蒋应军, 李升, 李明杰, 等. CTB-50水泥稳定碎石垂直振动试验方法[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2024, 44(3): 34-42.

[60]	Jiang Yingjun, Li Sheng, Li Mingjie, et al. Vertical vibration test method for CTB-50 cement-stabilised crushed stone[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2024, 44(3): 34-42.

[61]	中国工程建设标准化协会. 公路超大粒径水泥稳定碎石应用技术规程: T/CECS G: D22-04—2024[S]. 北京: 人民交通出版社, 2024.

[62]	China Association for Standardisation of Engineering Construction. Technical specification for the application of oversized cement-stabilised crushed stone in highways: T/CECS G: D22-04—2024[S]. Beijing: China Communications Press, 2024.

[63]	交通运输部公路科学研究院. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程: JTG 3441—2024[S]. 北京: 人民交通出版社, 2024.

[64]	Research Institute of Highway, Ministry of Transport. Testing procedures for inorganic binder stabilised materials in highway engineering: JTG 3441—2024[S]. Beijing: China Communications Press, 2024.

[65]	刘树堂, 曹卫东, 任晓刚, 等. Superpave体系级配设计关键技术分析与VMA曲线预测[J]. 中国公路学报, 2015, 28(2): 8-13, 25.

[66]	Liu Shutang, Cao Weidong, Ren Xiaogang, et al. Analysis of key technologies in Superpave system grading design and prediction of VMA curves[J]. Journal of Chinese Highway Engineering, 2015, 28(2): 8-13, 25.

[67]	沙庆林. 矿料级配检验方法之一VCA_DRF方法[J]. 公路, 2005(2): 89-99.

[68]	Sha Qinglin. One of the methods for testingaggregate gradation: the VCA_DRF method[J]. Highway, 2005(2): 89-99.

[69]	蒋应军, 王煜鑫, 周传荣, 等. 垂直振动成型CTB-50水泥稳定碎石抗压强度增长规律及预测模型[J]. 硅酸盐通报, 2023, 42(8): 3045-3054.

[70]	Jiang Yingjun, Wang Yuxin, Zhou Chuanrong, et al. Growth patterns and predictive model for compressive strength of cement-treated binder course (CTB-50) in vertically vibrated forming[J]. Silicate Bulletin, 2023, 42(8): 3045-3054.

[71]	张凯, 王起才, 杨子江, 等. 季节性活动层中混凝土强度与抗冻性显著性分析及预测模型研究[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(8): 2384-2390.

[72]	Zhang Kai, Wang Qicai, Yang Zijiang, et al. Research on the analysis of concrete strength and freeze resistance in seasonal activity layers and development of a predictive model[J]. Silicate Bulletin, 2019, 38(8): 2384-2390.

[73]	肖寒, 唐勇, 李浩, 等. 寒区低温环境水泥稳定碎石混合料宏观性能与微细观空隙结构[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(15): 6501-6509.

[74]	Xiao Han, Tang Yong, Li Hao, et al. Macroscopic properties and micro-pore structure of cement-stabilised crushed stone mixtures in cold-region low-temperature environments[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(15): 6501-6509.

[75]	汪德才, 魏家伟, 胡磊, 等. 路面基层混合料煤矸石掺配方式及耐久性试验研究[J]. 材料导报, 2025, 39(11): 171-180.

[76]	Wang Decai, Wei Jiawei, Hu Lei, et al. Study on coal gangue blending methods and durability testing for road base mixtures[J]. Materials Review, 2025, 39(11): 171-180.

[77]	耿任山. 水泥稳定碎石基层裂缝发展规律研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.

[78]	Geng Renshan. Study on the development patterns of cracks in cement-stabilised crushed stone base courses[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016.

基金资助

新疆维吾尔自治区交通运输科技计划(2024-ZD-001)

新疆交通设计院科研基金(KY2024052301)

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Received	Published	Revised
2025-10-19	2026-08-28	2026-01-19
Online Date
2026-09-04

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