水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能參數(shù)的研究

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摘要： 針對(duì)蕪宣高速公路半剛性基層水泥穩(wěn)定碎石材料，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試 分析 了回彈模量、強(qiáng)度指標(biāo)、干縮和溫縮特性。結(jié)果表明，半剛性基層材料抗壓模量和劈裂模量存在較大差異，動(dòng)態(tài)模量約是靜態(tài)模量的5.3～6倍；抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度之間也存在顯著差別，同時(shí)回歸了抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng) 規(guī)律 ，為今后的施工質(zhì)量控制提供 參考 依據(jù)。關(guān)鍵詞： 水泥穩(wěn)定碎石 模量 強(qiáng)度 收縮性能1、原材料及混合料組成1.1 試驗(yàn)材料水泥采用安徽蕪湖海螺集團(tuán)生產(chǎn)的普硅325#（海螺牌）；集料采用蕪宣高速公路實(shí)際使用的由蕪湖荊山石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，共分0～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～37.5mm（方孔篩）四檔規(guī)格。1.2 混合料配合比試驗(yàn)級(jí)配如表1所示。對(duì)模量、強(qiáng)度試驗(yàn)采用配合比設(shè)計(jì)中3種級(jí)配進(jìn)行比較；對(duì)于收縮性能試驗(yàn)，為了解水泥碎石在水泥小劑量范圍變化的情況下收縮特性，采用推薦的級(jí)配2并分別取用3個(gè)不同水泥摻量（4%、5%、6%）進(jìn)行分析比較。1.3 試件制作與養(yǎng)護(hù)試件采用靜壓法成型，試件尺寸分為2種規(guī)格[1]，一種為Φ15×15cm圓柱體試件，進(jìn)行抗壓模量和劈裂模量、抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)；另一種為10cm×10cm×40cm中梁試件，進(jìn)行干縮和溫縮試驗(yàn)，試件成型參數(shù)如表2所示。試件成型后用塑料袋密封，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為20±3℃，相對(duì)濕度90%以上）保濕養(yǎng)護(hù)。2、回彈模量（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）試驗(yàn)半剛性基層模量是路面設(shè)計(jì)和分析中的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了半剛性材料在荷載作用下的變形特性。國(guó)內(nèi)路面材料模量的測(cè)定多以靜態(tài)實(shí)驗(yàn)為主，這種 方法 中試件受力狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)差異較大，不能真正反映路面材料實(shí)際的力學(xué)性質(zhì)。本次實(shí)驗(yàn)采用MTS810材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了半剛性基層抗壓回彈模量（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）、劈裂模量（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）試驗(yàn)。MTS試驗(yàn)系統(tǒng)具有比較完善的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)功能，可根據(jù)試驗(yàn)需要自行設(shè)定動(dòng)載程式（波形、頻率、加載序列、荷載間歇時(shí)間等）。系統(tǒng)加載由液壓伺服系統(tǒng)控制，荷載頻率不宜超過30Hz.國(guó)外 研究 表明路面材料的實(shí)際受力頻率一般在10Hz左右，適合MTS試驗(yàn)系統(tǒng)的要求。試驗(yàn)的最大荷載為試件抗壓強(qiáng)度的30%并在試驗(yàn)中作適當(dāng)調(diào)整，保證實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生足夠的彈性變形同時(shí)也可以與同類實(shí)驗(yàn)的研究成果相比較。按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014-97），水泥穩(wěn)定碎石3個(gè)月后逐步趨于穩(wěn)定，設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)定以3個(gè)月齡期為準(zhǔn)。本次試驗(yàn)測(cè)定3個(gè)月齡期的模量值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。同一級(jí)配不同的水泥用量對(duì)模量的 影響 并不是很大，另外可知壓縮試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模量為靜載條件下的回彈模量的5.3～6倍；劈裂試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模量為靜態(tài)模量的3倍左右，顯然動(dòng)態(tài)模量和靜態(tài)模量之間存在明顯不同，采用何種模量參數(shù)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析，對(duì)疲勞壽命影響很大[2]，因此在路面設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)擬建道路實(shí)際所用材料的性能參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，以反映符合實(shí)際情況的參數(shù)值。3、強(qiáng)度試驗(yàn)及增長(zhǎng)規(guī)律本次試驗(yàn)測(cè)試了3種級(jí)配的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，以資比較。對(duì)于推薦級(jí)配2，分別測(cè)試了6個(gè)齡期（7d、14d、28d、60d、90d、180d）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，平行試件3個(gè)，以分析強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)規(guī)律。對(duì)于級(jí)配2，從各個(gè)不同齡期看，在本試驗(yàn)水泥用量4～6%的范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均隨著水泥摻量增加而增加；抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度之間存在著良好的關(guān)系，抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的比值均在7.833～9.830之間范圍內(nèi)變化。4、室內(nèi)收縮試驗(yàn)4.1 干縮試驗(yàn)蕪宣高速公路線路區(qū)內(nèi)屬長(zhǎng)江水系，地表水系較發(fā)達(dá)，年降雨量較大，年平均濕度為80%，因而研究水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮試驗(yàn)尤為重要。關(guān)于半剛性基層材料的干縮特性 目前 還沒有統(tǒng)一的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)主要利用手持應(yīng)變儀（精度0.001mm）測(cè)量小梁在一定失水率下的收縮變形。將級(jí)配2的三個(gè)不同水泥用量（4%、5%、6%）在室內(nèi)制備試件，試件成型壓力為500——550KN，試件經(jīng)過7d保溫保濕養(yǎng)護(hù)后取出，以20cm為標(biāo)距，在試件的頂面安裝測(cè)頭，放在天然濕度下風(fēng)干，本次試驗(yàn)室內(nèi)溫度始終保持在20℃左右。觀測(cè)不同時(shí)間試件的重量和變形，直至含水量不再減小，試件體積基本維持不變?yōu)橹?。本次干縮試驗(yàn)共測(cè)試了14d的變形，根據(jù)累積干縮應(yīng)變 計(jì)算 干縮系數(shù)αd：αd = ∑Δεdi/∑Δεωi （公式1）式中：∑Δεdi累計(jì)干縮應(yīng)變（10-6）； ∑ΔεωI失水量。4.2 溫縮試驗(yàn)1）本次試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)道路與 交通 工程 教育 部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的JNZS-2001A路面材料脹縮試驗(yàn)儀測(cè)定。將養(yǎng)護(hù)14d的試件取出后，安裝20cm的測(cè)頭，然后放置于路面材料溫縮試驗(yàn)儀中。2）溫度范圍根據(jù)蕪宣高速公路所經(jīng)過地段的氣候、水文資料，區(qū)內(nèi)多年平均氣溫16.6℃，多年平均最冷月氣溫2.7℃～2.0℃，極限最低溫度為-8.9℃，多年平均最高月氣溫為27℃～28.6℃，因此將溫度控制范圍劃為25℃～-5℃，每5℃為一級(jí)，每級(jí)溫度至少靜置6h，可以認(rèn)為試件內(nèi)外溫度達(dá)到一致。3）溫縮試驗(yàn)的起始溫度為25℃。在設(shè)定溫度下放置6h后將試件取出，用手持應(yīng)變儀快速測(cè)定試件變形。然后將試件放回溫縮儀中，使溫縮試驗(yàn)儀密封，調(diào)至下一溫度設(shè)定值，進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)。4）根據(jù)公式（2）計(jì)算溫度收縮系數(shù)αT，其中∑ΔεT為溫度間隔Ti+1-TO條件下的試驗(yàn)變形，相同試件的溫縮系數(shù)取平行試驗(yàn)的平均值。αT =ΔεT/（Ti+1-T0） 公式（2）式中：ΔεT 累計(jì)溫縮應(yīng)變（×10-6）；Ti+1 當(dāng)前溫度（℃）；T0起始溫度（℃）。從表7和圖3中可以看到，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮應(yīng)變隨溫度的降低而逐漸增大，在25℃～-5℃溫區(qū)之間，水泥摻量的變化對(duì)水泥碎石的溫縮特性的 影響 并不明顯。從總體看，半剛性基層材料的干縮應(yīng)變與溫縮應(yīng)變相比，在正溫度范圍內(nèi)由溫度引起的應(yīng)變相對(duì)要小得多。5、結(jié)論通過對(duì)蕪宣高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的模量、強(qiáng)度、收縮性能的試驗(yàn)，建立了抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng) 規(guī)律 方程，具有良好的相關(guān)性，可為今后工程施工質(zhì)量的控制提供 參考 依據(jù)；半剛性基層材料通過不同的試驗(yàn) 方法 測(cè)得的彈性模量相差較大，靜態(tài)模量和動(dòng)態(tài)模量之間也存在著明顯差別；強(qiáng)度指標(biāo)也存在一定的差異，而路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)（力學(xué)模型、材料的性質(zhì)）都與現(xiàn)行的靜態(tài)力學(xué)體系有著較大的差距，因此 研究 動(dòng)態(tài)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力參數(shù)顯得尤為重要。半剛性基層材料在溫度或濕度的變化時(shí)會(huì)發(fā)生收縮，易產(chǎn)生開裂，當(dāng)瀝青路面面層較薄時(shí)，易形成反射裂縫，通過干縮和溫縮特性的測(cè)試，為今后的施工提供重要的指導(dǎo)作用，也為路面開裂的進(jìn)一步 分析 提供依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JTJ057-94），公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程，北京：人民交通出版社，1994 [2] 朱照宏，許志鴻。 柔性路面設(shè)計(jì) 理論 和方法，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987