水泥稳定土基层配合比设计

2009届毕业（设计）论文

题目水泥稳定土基层配合比设计专业班级交通土建01班

学号0901110111

学生姓名吕栋

指导教师胡小弟

指导教师职称教授

学院名称环境与城市建设学院

完成日期：2013年5月30日

摘要

按照相关施工技术规范及试验规程方法进行水泥稳定土配合比组成设计，最终得到符合规范、且满足设计强度要求的水泥稳定碎石混合料。同时，经试验验证，采用较少的水泥剂量可以较好地获得施工质量及节约成本。本试验基于大悟县某一级公路。水泥稳定混合料的配合比设计在经济和技术两个方面均对路面工程有较大影响。本文从原材料选取、制备试样、击实试验、制备试件、养生及强度等方面对水泥稳定土配合比设计过程进行了详尽的论述，指出配合比设计过程中应注意的问题。

关键词：配合比设计；水泥稳定土；强度

Abstract

Specifications and test procedures in accordance with the relevant construction technology of cement stable macadam mixture ratio design method, finally get conform to the requirements of the standard, and meet the design strength of the cement stable macadam mixture. At the same time, through the test, using less cement dosage can obtain better construction quality and cost savings. This test is based on DaWu county a level highway. Cement stabilized mixture proportion design both in economy and technology have great influence in pavement engineering. In this paper, from the selection of raw materials, preparation of sample, compaction test, specimen preparation, keeping in good health and strength of cement stabilized mixture proportion design process were described in detail, points out that should pay attention to the problems in the process of design.

Keywords：Design of mix proportion; Cement stabilized soil; Strength

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

目录 (3)

概述 (4)

第一章背景简介 (5)

第二章原材料选择 (6)

2.1 粒径要求 (6)

2.2 原材料性能检测试验 (9)

第三章级配设计 (10)

3.1 一般规定 (10)

3.2 设计级配 (10)

第四章试件成型及含水率计算 (12)

4.1 成型试件 (12)

4.2 试验结果 (13)

第五章无侧限抗压强度检测 (17)

5.1 规范要求 (17)

5.2 制作试件 (18)

5.3 测定饱水无侧限抗压强度 (19)

第六章确定试验配合比 (21)

6.1 确定水泥最佳剂量 (21)

6.2注意事项 (21)

第七章配合比设计中应注意的问题 (22)

7.1 骨架材料的要求 (22)

7.2 收缩性控制 (22)

7.3 养生温度和延迟时间 (23)

7.4 拌合用水 (23)

第八章结论 (24)

8.1 结果观察 (24)

8.2 存在问题的讨论 (24)

参考文献 (25)

致谢 (26)

概述

近年来，我国的公路建设飞速发展，特别是高速公路建设，从无到有，极大地推动了国民经济的发展。同时为了适应现在大交通量和重轴载的特点，筑路材料也不断地更新；经过不断的研究和实践，以水泥稳定材料（简称半刚性材料）修筑路面结构的基层和底基层，已得到普遍的认同和应用。据统计我国百分之九十以上的高速公路沥青路面的基层和底基层采用了半刚性材料。

在半刚性材料中，水泥稳定混合料是一种经济实用的筑路材料，具有优良的性能，可用于各种类别道路的基层和底基层。由于是以水泥为胶结材料，因此具有良好的力学性能和板体性。与其它半刚性材料相比，水泥稳定混合料具有早期强度高、强度增长快、抗冲刷性能好、原材料来源广泛等优点，非常适合现代重型交通要求。

随着国民经济的迅速发展，公路交通量急剧增加，这对公路路面的主要承重层——基层提出了更高的要求。半刚性基层沥青路面具有良好的力学性能和行车舒适性, 适合于各种车辆的通行, 同时具有良好的抗滑、抗渗、耐疲劳的性能以及高温稳定性和低温抗裂性, 因而受到广泛的应用。水泥稳定土是用水泥做结合料所得混合料的一个广义的名称，水泥稳定砂砾是水泥稳定土的一种。在经过粉碎或原来松散的土中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时,称为水泥稳定土，或称半刚性材料。基层作为沥青路面的主要承重层，其强弱和好坏对整个路面的强度、使用质量和使用寿命都有十分重要的影响。作为基层必须具备以下几个基本条件：有足够的强度和刚度，有足够的水稳定性和冰冻稳定性，有足够的抗冲刷能力，收缩性小，有足够的平整度，与面层结合良好。水泥稳定混合料便成为经济实用的基层筑路材料。配合比的设计对混合料的品质和基层的性能影响甚大，是保证半刚性基层沥青路面整体质量的关键环节。

第一章背景简介

大悟县位于湖北省东北部，地处大别山南麓，北邻河南省信阳、罗山二县，东邻河南省新县。大悟县辖3个乡，14个镇，总人口62万，国土面积1986平方公里，属低山丘陵地区，北亚热带季风性大陆气候。大悟区位优越，设施完善。县城距省会武汉市110公里、武汉天河机场85公里；距107国道5公里，距京广铁路广水站7公里，京珠高速公路穿越县境。大悟资源丰富，物产充沛。县境内已探明的金属矿和非金属矿有38种，占湖北省矿藏总类的32% 。其中金、铜、磷、石英石、石灰石、大理石、花岗岩、萤石等矿产储量丰富、品位高、质量好、易于开采。大悟山川秀美，境内奇峰峻岭千姿百态，涌泉飞瀑赏心悦目，幽洞怪石自然天成，其间点缀着众多的古文化遗址和革命纪念地，是缅怀先烈、游览凭吊的胜地。

随着近年来大悟县经济的迅速发展，作为湖北省“全国乌桕之乡”、“中国板栗之乡”和花生之乡的示范工程重点县，基础设施的落后，特别是道路交通标准低、交通不畅是急需解决的问题。在以建设全省山区经济强县、形成“两园两区一名城”（即泉水寨国家森林公园、鄂豫边区烈士陵园、彭店水库青松岭旅游开发区、龙潭湖旅游度假区、宜化店革命历史名城）的旅游开发格局的建设中，道路交通已经很难满足过往车辆的通行要求。为了加速创建中国优秀旅游城市、省级文明城市，为加速融入武汉城市圈，促进旅游业的飞速发展，大力发展公路交通迫在眉睫，对促进地方经济发展也具有重要意义。

第二章原材料选择

2.1 粒径要求

2.1.1规范要求

对于高速公路和以及公路，水泥稳定土所用粗集料和中粒土应满足如下要求：

1.水泥稳定土做底基层时，单个颗粒的最大粒径不应超过37.5mm。水泥稳定土的颗粒组成应在表2-1所列1号级配范围内，土的均匀系数应大于5。细粒土的液限不应超过40%，塑性指数不应超过17。对于中粒土和粗粒土，如图中小于0.6mm的颗粒含量应在30%以下，塑性指数可稍大。实际工作中，宜选用均匀系数大于10、塑性指数小于12 的土。塑性指数大于17的土，宜采用石灰稳定，或用水泥和石灰综合稳定。对于中粒土和粗粒土，宜采用表2-1中2号级配，但小于0.075mm的颗粒含量和塑性指数可不受限制。

2.水泥稳定土用做基层时，单个颗粒的最大粒径不应超过31.5mm。水泥稳定土的颗粒组成应在表2-1所列3号级配范围内。

表2-1 水泥稳定土的颗粒组成级配

编号

通过质量百分率

（%）

项目

1 2 3

筛

孔

尺

寸（mm）37.5 100 100

31.5 90~100 100 26.5 90~100 19 67~90 72~89 9.5 45~68 47~67 4.75 50~100 29~50 29~49 2.36 18~38 17~35 0.6 17~100 8~22 8~22 0.75 0~30 0~7 0~7

液限（%）<28

塑性指数<9

注：集料中0.5mm 以下细粒土有塑性指数时，小于0.075mm 的颗粒含量不应超过5%；细粒土无塑性指数时，小于0.075mm 的颗粒含量不应超过7%。

3.水泥稳定土用做基层时，对所用的碎石或砾石，应预先筛分成3~4个不同粒级，然后配合，使颗粒组成符合表2-1所列级配范围。

2.1.2 筛分试验

通过筛分试验，得出各级材料所占比例如下列表格：

筛分数据表格2-2，2-3，2-4，2-5

石料名称

二区基层

粒径类别 一档材料-1 二档材料-2 平均累积通过率, %

原始重量, W T / g 4914.3 5085.2 集料水洗后重量, W W / g

4914.3

5085.2

筛孔尺寸

每个筛上的

石料质量 /

g

累积通过率

/ %

每个筛上的石料质量 /

g

累积通过率

/ %

31.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 26.5 1572.5 68.0 1376.5 72.9 70.4 19 3318.3 0.4 3679.9 0.5 0.5 9.5 11.6 0.2 13.3 0.3 0.2 4.75 0.0 0.2 0.0 0.3 0.2 2.36 0.6 0.2 0.0 0.3 0.2 0.6 0.0 0.2 0.1 0.3 0.2 0.075 2.1 0.2 2.8 0.2 0.2 筛底

7.4

11.4

Sum Weight 4912.5 5084.0 discrepancy

-0.04%

-0.02%

石料名称

二区基层

粒径类别 二档材料-1

二档材料-2 平均累积通过率, % 原始重量, W T / g 3747.6 4253.2 集料水洗后重量, W W / g

3747.6

4253.2

筛孔尺寸

每个筛上的石料质量 / g

累积通过率

/ %

每个筛上的石料质量 / g

累积通过率 / %

31.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 26.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 19 811.6 78.4 719.1 83.1 80.7 9.5 2899.8 1.0 3444.4 2.1 1.5 4.75

26.6

0.3

76.5

0.3

0.3

石料名称

二区基层

粒径类别 三档材料-1 三档材料-2 平均累积通过

率, %

原始重量, W T / g 4154.4 3892.0 集料水洗后重量, W W / g

4154.4

3892.0

筛孔尺寸

每个筛上的石料质

量 / g

累积通过率

/ %

每个筛上的石料质量 / g

累积通过率

/ %

31.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 26.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 19 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 9.5 800.5 80.8 798.3 79.5 80.1 4.75 2912.9 10.7 2757.0 8.7 9.7 2.36 306.7 3.3 236.7 2.6 2.9 0.6 34.4 2.4 19.1 2.1 2.3 0.075 39.4 1.5 32.1 1.3 1.4 筛底

62.2

49.0

Sum Weight 4156.1 3892.2 discrepancy

0.04%

0.01%

石料名称

二区基层

粒径类别 四档材料-1 四档材料-2 平均累积通过

率, %

原始重量, W T / g 2542.1 2441.7 集料水洗后重量, W W / g

2542.1

2441.7

筛孔尺寸

每个筛上的石料质

量 / g

累积通过率

/ %

每个筛上的石料质量 / g

累积通过率

/ %

31.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 26.5 0.0 100.0 0.0 100.0 100.0 19 52.0 97.9 0.0 100.0 99.0 9.5 90.7 94.4 102.2 95.8 95.1 4.75 216.0 85.9 250.3 85.6 85.7 2.36 542.7 64.5 519.0 64.3 64.4 0.6 425.0 47.8 405.6 47.7 47.8 0.075 844.7 14.6 841.5 13.2 13.9 筛底

370.6

323.3

2.36 0.5 0.3 0.8 0.3 0.3 0.6 0.4 0.2 0.6 0.3 0.3 0.075 1.4 0.2 2.1 0.2 0.2 筛底

7.7

9.7

Sum Weight 3748.0 4253.2 discrepancy

0.01%

0.00%

Sum Weight 2541.7 2441.9

discrepancy -0.02% 0.01%

根据上述筛分结果，颗粒组成符合表2-1规定，可用于级配设计与施工应用。

2.2 原材料性能检测试验

在水泥稳定土施工之前，应取所定料场中有代表性的土样按《公路土工试验规程》进行下列试验：

（1）颗粒分析；

（2）液限和塑性指数；

（3）相对密度；

（4）击实试验；

（5）碎石或砾石的压碎值；

（6）有机质含量（必要时做）；

（7）硫酸盐含量（必要时做）。

对级配不良的碎石、碎石土、砂砾、砂砾土、砂等，宜改善其级配。并应检验水泥的标号和终凝时间。经检验各项技术指标均满足有关规范和图纸设计的要求，可以采用。其主要技术指标试验结果列入表2-6中。

表2-6 水泥材料试验结果汇总表

检验项目规定值检验结果

安定性合格合格

初凝时间>45min 3.3h

终凝时间<10h 5.2h 再结合厂家提供资料，试验结果均显示合格，水泥可采用。

第三章级配设计

3.1 一般规定

分别按下列五种水泥剂量配制同一种土样、不同水泥剂量的混合料：

中粒土和粗料土：3%，4%，5%，6%，7%；

塑性指数小于12的细粒土：5%，7%，8%，9%，11%；

其他细粒土：8%，10%，12%，14%，16% 。

注：①在能估计合适剂量的情况下，可以将五个不同剂量缩减到三或四个。

②如要求用做基层的混合料有较高强度时，水泥剂量可用4%，5%，6%，7%，8%。

3.2 设计级配

根据筛分结果及厂家提供原材料，可选择三种粒料比例分别为第一档15%，第二档25%，第三档25%，第四档35% 。根据表3-1作出级配图：

表3-1 级配数据表

筛孔尺寸通过率上限下限中值

31.5 100.0 100 100.00 100

26.5 95.6 100 90.00 95

19 79.9 89 72.00 80.5

9.5 53.7 67 47.00 57

4.75 32.5 49 29.00 39

2.36 2

3.4 35 17.00 26

0.6 17.4 22 8.00 15

0.075 5.3 7 0.00 3.5

图3-1 级配曲线图

材料级配的各项技术指标均符合要求，可以采用。根据经验，水泥剂量按4%，5%，6% 三种比例配置，即水泥：砂砾为4:100，5:100，6:100。

第四章试件成型及含水率计算

4.1 成型试件

根据上述级配，分别在不同含水量时用击实法成型试件，为确定各种混合料的最佳含水量和最大干（压实）密度，至少应做三个不同水泥剂量混合料的击实试验，即最小剂量、中间剂量和最大剂量。其他两个剂量混合料的最佳含水量和最大干密度用内插法确定。

对三种不同水泥剂量的混合料做标准击实试验，按规定的试验方法确定出水泥稳定土的最大干密度和最佳含水量。

4.1.1 试验步骤：

1.将击实筒放在坚硬的地面上，在筒壁上抹一薄层凡士林，并在筒底或垫块上放置蜡纸或塑料薄膜。取制备好的土样分3~5次倒入筒内。整平表面，并稍加压紧，然后按规定的击数进行第一层土的夯实，击实时击锤应自由垂直落下，锤迹必须均匀分布于土样面，第一层击实完后，将试样层面“拉毛”然后装入套筒，重复上述方法进行其余各层土的击实。小试筒击实后，试样不应高出筒顶面5mm；大试筒击实后，试样不应高出筒顶面6mm。

2.用修土刀沿套筒内壁削刮，使试样与套筒脱离后，扭动并取下套筒，齐筒顶细心刮平试样，拆除底板，擦净筒外壁，称量，准确至1g。

3.用脱模机推出筒内试样，从试样中心处取样测其含水率，计算至0.1% 。

4.1.2 注意事项：

由于材料本身的特性，水泥稳定碎石击实试验数据的离散性较大，为保证试验结果的准确，应严格按规程中的步骤操作，并应注意如下一些细节：

（1）在掺配击实用的矿料时，各种规格集料，特别是大颗粒的集料，分样一定要均匀且有代表性。

（2）击实试验开始，将水泥加入经足够时间浸润的湿矿料时，一定要拌和均匀，并大致分成三等份，保证每层的击实高度相等。

（3）在击实过程中，待击实的混合料应随时用塑料膜遮盖，以防水分散失。（4）分层击实完成后，特别注意击实试件表面一定要修平，可采用4.75 mm 或

2.36 mm 方孔筛把余下的混合料中的细料筛出，用于补平击实试件的表面，并用橡胶锤稍加敲击。

（5）测定含水率的试样应取击实件经打散并拌匀后的混合料，并应保证混合料开始保温时，烘箱已达到规定的温度。

此外，水泥稳定碎石的击实试验结果经常会有异常点的出现，究其原因，除了操作人员没有掌握击实试验要领，不注意操作细节等因素外，过大的预加含水率也会使试验结果出现异常，在含水率超过混合料的保水能力后，击实试验中水分逐步从混合料中析出。而且含水率检测过程中，过湿的混合料更容易使一部分水分散失，试验测得的含水率比实际的含水率要小，使得计算的干密度值变大。出现这种情况后，应减小预加的含水率（以击实时混合料不出水为宜）进行补点试验。

4.2 试验结果

对三种不同水泥剂量的混合料做标准击实试验，确定出不同水泥剂量混合料的最大干密度和最佳含水量；结果见下列各表：

4.2.1混合料标准击实试验数据表

表4-1 4.0%水泥量试验数据

含水泥量编号水泥量石料量试件湿密度干密度

加入含

水量

测试含

水率

4.0% 4.5%-1 240 6000 5002 2.298 2.199 4.5% 3.48%

5.5%-1 240 6000 5132 2.357 2.234 5.5% 4.47%

6.5%-1 240 6000 5161 2.371 2.226 6.5% 4.81%

7.5%-1 240 6000 5192 2.385 2.219 7.5% 6.58%

表4-2 5.0%水泥量试验数据

含水泥量编号水泥量石料量试件湿密度干密度

加入含

水量

测试含

水率

5.0% 4.5%-2 300 6000 5056 2.322 2.222 4.5% 3.81%

5.5%-2 300 6000 5091 2.339 2.217 5.5% 4.03%

6.5%-2 300 6000 5168 2.374 2.229 6.5% 5.23%

7.5%-2

300

6000

5147

2.364

2.199

7.5%

6.32%

表4-3 6.0%水泥量试验数据

含水泥量

编号 水泥量 石料量 试件 湿密度 干密度 加入含水量 测试含水率 6.0%

4.5%-3 360 6000 5019 2.305 2.206 4.5% 3.52%

5.5%-3

360 6000 5097 2.341 2.219 5.5% 4.23% 6.5%-3 360 6000 5130 2.356 2.213 6.5% 4.71% 7.5%-3

360

6000

5168

2.374

2.208

7.5%

6.78%

4.2.2 不同水泥量干密度曲线

图4-1 4.0%水泥量干密度曲线

2.18

2.19

2.2

2.21

2.22

2.23

2.24

1

2

3

4

5

6

7

8

y = -0.0105x^2+0.1312x+1.8234

干密度

多项式 (干密度)

由上曲线图图4-1可看出，当含水量为6.3%时，达到最大干密度2.233。

图4-2 5.0%水泥量干密度曲线

2.18

2.1852.192.1952.22.2052.212.2152.222.2252.232.2350

1

2

3

4

5

6

7

8

y = -0.0063x^2+0.0693x+2.0338

干密度

多项式 (干密度)

由上曲线图图4-2可看出，当含水量为5.6%时，达到最大干密度2.223。

图4-3 6.0%水泥量干密度曲线

2.195

2.2

2.205

2.21

2.215

2.22

1

2

3

4

5

6

7

8

干密度

多项式 (干密度)

由上曲线图图4-3可看出，当含水量为6.0%时，达到最大干密度2.217。

4.2.3 不同水泥剂量混合料的最大干密度和最佳含水量

表4-4 混合料标准击实试验结果表

水泥剂量（%） 4.0 5.0 6.0 最佳含水量（%） 6.3 5.6 6.0 最大干密度（g/cm3） 2.233 2.223 2.217

第五章无侧限抗压强度检测

5.1 规范要求

5.1.1 水泥稳定土的抗压强度标准

表5-1 水泥稳定土的抗压强度标准

公路等级

二级和二级以下公路高速公路和一级公路

层位

基层（MPa） 2.5~3 3~5

底基层（MPa） 1.5~2.0 1.5~2.5

注：①设计累计标准轴次小于12×106 的公路可采用低限值；设计累计标准轴次超过12×106的公路可用中值；主要行驶重载车辆的公路应用高限值。某一具体公路应采用一个值，而不是某一范围。

②二级以下公路可取低限值；行驶重载车辆的公路，应取较高的值；二级公路可取中值；

行驶重载车辆的二级公路应取高限值。某一具体公路应采用一个值，而不用某一范围。

5.1.2 强度计算及检验

按最佳含水量和计算得的干密度制备试件。进行强度试验时，作为平行试验的最少试件数量应不小于表5-1的规定。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。

表5-2 最少试件数量

偏差系数

<10% 10%~15% 15%~20% 试件数量

土类

细粒土 6 9

中粒土 6 9 13

粗粒土9 13

试件在规定温度下保湿养生6d，浸水24h 后，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057）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。

根据表5-1的强度标准，选定合适的水泥剂量，此剂量试件室内试验结果的平均抗压强度R应符合下列公式的要求：

R≥R d/（1-ZaCv）

式中：R d——设计抗压强度（表5-1）；

Cv——试验结果的偏差系数（以小数计）；

Za——标准正态分布表中随保证率（或置信度a）而变的系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，即Za=1.645，其他公路应取保证率90%，即

Zα=1.282。

水泥改善土的塑性指数应不大于6，承载比应不小于240。

5.2 制作试件

5.2.1 注意事项

在成型无侧限试件前，应先按体积计算一组试件（考虑损耗）所需各种材料的用量进行备料。采用下式计算成型一个试件所需的混合料质量：

m＝V（1＋ω）ρd×Z

式中：V———试模体积，cm3；

ω———混合料最佳含水率，％；

ρd———混合料最大干密度，g/cm3；

Z———现场要求的压实度，％。

将所备的各种材料进行拌和并成型试件，试验中应注意：

（1）成型时将所称的混合料分3 次灌入试模，每次灌入后用夯棒稍加插捣，并应保证试的上下压柱都外露约2 cm，利用压力机将外露的上下压柱压入试模并保持荷载1 min 后卸荷。

（2）成型后的试件一般要静置数个小时后才能脱模，防止脱模时试件被破坏。（3）脱模前，上下压柱应保留在试模内，脱模后应立即以塑料膜包裹试件，并

将试件转入养护室，确保试件在养生期不受外部水分的浸湿，试件内的水分不蒸发损失，试件能够利用自身的水分进行养生。

（4）泡水前必须称试件质量，这是为了检验养生期水分的损失是否超过规定值，质量损失不包括各种原因从试件上掉失的混合料颗粒。

（5）泡水1 d 后，进行无侧限抗压时，试件应是饱水面干状态。

5.2.2 计算所需原材料

水泥稳定土路面基层混合料强度试件的制备，按现行技术规范规定采用一个水泥剂量的水泥稳定碎石混合料按9个试件配制，工地压实度按98%控制，现将制备试件所需的基本参数叙述如下：

配制一种水泥剂量一个试件所需要各种原材料数量

成型一个试件按6500g混合料配制，取碎石和水泥的含水量为0%，先计算水泥剂量为5.0%的各种材料用量：

水泥：6500*[5/（100+5）]=310g

集料：6500*[100/（100+5）]=6190g

需要加水：6500*5.6%=364g

制备一个试件需要混合料的数量：

m=V (1+ω) ρd Z=2651(1+5.6%)×2.223×98% =6099g

用同样方法对水泥剂量为4.0%、6.0%的混合料制备参数进行计算，计算结果列入表5-3中：

表5-3 试件所需混合料质量

水泥剂量（%） 4.0 5.0 6.0

试件干密度(g/cm3) 2.233 2.223 2.37

一个试件所需材料质量(g)

水泥223 275 326 集料5578 5500 5434 需加水数量365 323 346

一个试件混合料数量（g）6167 6099 6105

注：1.试件规格Ф150mm 高１50mm；

2.最少试件数量：C v小于（10%—15%）时9个试件。

5.3 测定饱水无侧限抗压强度