周軍霞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，阜新 123000)

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低水泥含量級(jí)配碎石路用性能試驗(yàn)研究

周軍霞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，阜新 123000)

為研究低水泥摻量對(duì)級(jí)配碎石路用性能的影響，考慮1%、2%、3%和4%水泥摻量，進(jìn)行7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、承載比CBR、抗壓回彈模量以及溫縮、干縮系數(shù)等路用性能指標(biāo)試驗(yàn)，確定出低水泥含量級(jí)配碎石的最佳水泥摻量。結(jié)果表明：通過7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)確定最佳水泥摻量為3%，抗壓強(qiáng)度均為3.65MPa；3%低水泥含量級(jí)配碎石承載比CBR值為435.7%；3%低水泥含量級(jí)配碎石抗壓回彈模量為900.5MPa，與普通摻量回彈模量相比，降低了26.45%，有效提高基層韌性抑制反射裂縫擴(kuò)展；3%低水泥含量級(jí)配碎石與普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮、干縮系數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)相同，但3%低水泥含量級(jí)配碎石對(duì)溫度和濕度敏感性最弱。

低水泥級(jí)配碎石； 路用性能； 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度； 抗壓回彈模量； 溫縮系數(shù)； 干縮系數(shù)

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)騰飛，以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，瀝青路面在公路建設(shè)中得到前所未有的高速發(fā)展。我國瀝青路面一直推崇“強(qiáng)基薄面”的理念，通過面層厚度的減薄以達(dá)到降低造價(jià)的目的，其中最具代表性的是水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層瀝青路面，已占到我國已建成公路的90%以上[1,2]。然而水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層自身存在缺陷，目前對(duì)于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層的研究，常規(guī)的水泥摻量為4%～6%，能夠獲得較高的強(qiáng)度，但易受季節(jié)變化(溫縮、干縮)產(chǎn)生反射裂縫，致使路面的平整度降低，且季節(jié)變化帶來的水分易滲入到面層結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步加速基層承載能力的劣化[3-6]。故迫切需要探索低水泥含量的級(jí)配碎石來解決半剛性基層的這一難題，既能保證具有足夠承載能力，又能消除半剛性基層產(chǎn)生裂縫的問題。為了研究低水泥含量改性級(jí)配碎石的路用性能，考慮1%、2%、3%和4%的水泥摻量，進(jìn)行7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、承載比CBR、抗壓回彈模量以及溫縮、干縮系數(shù)等路用性能指標(biāo)試驗(yàn)，分析確定出低水泥含量級(jí)配碎石的最佳水泥摻量。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥采用阜新市大鷹水泥制造有限公司生產(chǎn)的“阜鷹山”牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥，其主要性質(zhì)指標(biāo)見表1；集料采用阜新當(dāng)?shù)厮槭?，主要性能指?biāo)見表2；采用普通自來水。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 集料性能

2.2 低水泥級(jí)配碎石配比

結(jié)合規(guī)范和長安大學(xué)推薦的級(jí)配范圍以及現(xiàn)有的研究成果，利用篩分試驗(yàn)得到的篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，具體配比情況詳見表3。水泥摻量分別取為1%、2%、3%、4%，按照T0804-94《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的擊實(shí)試驗(yàn)方法》，得到了與之相應(yīng)低水泥級(jí)配碎石的最大干密度分別為2.487g/cm3、2.418g/cm3、2.383g/cm3、2.368g/cm3，最佳含水率分別為4.67%、4.75%、5.41%、5.63%。

表3 集料篩分配比

2.3 試驗(yàn)方法

為研究低水泥含量級(jí)配碎石的路用性能情況，主要分析指標(biāo)為7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(試件規(guī)格φ150mm×150mm、養(yǎng)生控制溫度(25±2) ℃)、承載比CBR(試件規(guī)格φ152mm×170mm)、回彈模量(試件規(guī)格φ150mm×150mm)、溫、干縮系數(shù)(試件規(guī)格100mm×100mm×150mm)等，水泥摻量主要為1%、2%、3%和4%，各指標(biāo)的具體試驗(yàn)方法詳見JTGE51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[10]。

3 結(jié)果與討論

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

依照規(guī)程[10]中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法(T0805-2009)的規(guī)定進(jìn)行7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如圖1所示。

結(jié)合圖1和JTGD50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]對(duì)不同交通等級(jí)下基層強(qiáng)度的要求分析可知，水泥摻量1%的基層材料水泥含量較低，強(qiáng)度也相應(yīng)降低，沒有達(dá)到輕交通規(guī)定強(qiáng)度范圍2.5～3.5MPa。摻量2%低水泥級(jí)配碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.67MPa，滿足輕交通要求。只有3%低水泥級(jí)配碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.65MPa，滿足特重交通強(qiáng)度3.5～4.5MPa，以及重、中交通強(qiáng)度3～4MPa的要求。其中4%摻量水泥級(jí)配碎石屬于常規(guī)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的范疇(水泥摻量≥4%)。因在試驗(yàn)路段要滿足重、中交通量等級(jí)的要求，故在其他研究指標(biāo)中著重分析3%低水泥含量級(jí)配碎石和4%普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石。

圖1 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.1 7 d unconfined compressive strength

圖2 不同水泥摻量級(jí)配碎石CBR值Fig.2 CBR value of different cement content graded crushed stone

3.2 承載比(CBR)分析

依照J(rèn)TGE40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]中承載比CBR試驗(yàn)(T0134-1993)的規(guī)定進(jìn)行CBR值測(cè)定，其結(jié)果如圖2所示。

從圖2觀察可知，3%低水泥含量的級(jí)配碎石CBR值為435.7%， 4%普通水泥含量級(jí)配碎石CBR值為491.9%，均能夠滿足試驗(yàn)路段的標(biāo)準(zhǔn)。水泥摻量增加1%，與之相應(yīng)的承載比CBR增量為56.2%，普通級(jí)配碎石一旦加入少量水泥，即可顯著提高其抵抗變形的能力。

3.3 回彈模量分析

依照規(guī)程[10]中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)方法(T0808-1994)規(guī)定進(jìn)行回彈模量測(cè)定試驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示，養(yǎng)生時(shí)間對(duì)抗壓回彈模量影響情況如圖4所示。

從圖3觀察可知，3%低水泥含量的級(jí)配碎石抗壓回彈模量值為900.5MPa，4%水泥含量級(jí)配碎石(普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石)抗壓回彈模量值為1224.4MPa，與常規(guī)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石相比較，水泥摻量降低1%，抗壓回彈模量下降26.45%，且3%低水泥級(jí)配碎石抗壓回彈模量滿足JTGD50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的規(guī)定。

從圖4分析可知，3%低水泥級(jí)配碎石、4%常規(guī)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石抗壓彈性模量與養(yǎng)生齡期具有相似的發(fā)展趨勢(shì)。養(yǎng)生初期(7～14d)抗壓回彈模量值相對(duì)較小，這是因水化反應(yīng)剛剛開始，由水化反應(yīng)而產(chǎn)生出膠凝材料的數(shù)量不能使混合料變成一個(gè)整體。隨混合料中水化反應(yīng)推進(jìn)，膠結(jié)物也逐漸生成，混合料顆粒彼此間連接也漸漸變強(qiáng)，模量隨養(yǎng)生齡期也顯著升高。隨養(yǎng)生齡期不斷增加，水化反應(yīng)接近完全，膠結(jié)物的生成數(shù)量在不停下降，模量增長趨勢(shì)卻接近平穩(wěn)。

圖3 不同水泥摻量級(jí)配碎石回彈模量 Fig.3 Resilient modulus of different cement content graded crushed stone

圖4 不同養(yǎng)生齡期低水泥級(jí)配碎石回彈模量Fig.4 Resilience modulus of low cement graded crushed stone in different curing age

3.4 收縮性能分析

3.4.1 溫縮系數(shù)

依照規(guī)程[10]中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料溫縮試驗(yàn)方法(T0855-2009)規(guī)定進(jìn)行溫縮系數(shù)測(cè)定，其結(jié)果如圖5所示。

從圖5分析可知，水泥摻量越多，試件隨溫度變化收縮變形越大，因而4.0%水泥摻量的混合料更容易產(chǎn)生溫縮變形。3%低水泥級(jí)配碎石材料應(yīng)對(duì)溫度變化較小，其特有的骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)能夠有效抵消部分溫度應(yīng)力，抑制因溫度變化引起的變形[4-5]。

圖5 溫縮系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.5 Curve of temperature shrinkage coefficient changing with temperature

圖6 干縮系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of drying shrinkage coefficient changing with time

3.4.2 干縮系數(shù)

依照規(guī)程[10]中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料干縮試驗(yàn)方法(T0854-2009)的規(guī)定進(jìn)行干縮試驗(yàn)，其結(jié)果情況如圖6所示。

從圖6分析可知，在養(yǎng)生時(shí)間2～8h范圍時(shí)，在不同水泥摻量下干縮系數(shù)與養(yǎng)生時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，顯著性表現(xiàn)為4.0%水泥摻量<3%水泥摻量，2d時(shí)4.0%水泥摻量獲得了最大干縮系數(shù)為92.58×10-6，8d時(shí)3%低水泥摻量獲得了最小干縮系數(shù)為51.44×10-6；在養(yǎng)生時(shí)間8～72h范圍時(shí)，在不同水泥摻量下干縮系數(shù)與養(yǎng)生時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，其顯著性表現(xiàn)為4.0%水泥摻量>3%水泥摻量，在72h時(shí)4.0%水泥摻量獲得了最大干縮系數(shù)為105.47×10-6，3.0%水泥摻量最大干縮系數(shù)為100.48×10-6。主要是因試件內(nèi)部水分與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和自身水分蒸發(fā)作用等，導(dǎo)致試件含水率逐漸減小，致使因水分丟失產(chǎn)生毛細(xì)、水泥礦物等反應(yīng)產(chǎn)生膠體的分子作用產(chǎn)生試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)干縮現(xiàn)象[13]。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，確定符合試驗(yàn)路段低水泥含量級(jí)配碎石的最佳水泥用量為3%，抗壓強(qiáng)度均值為3.65MPa，普通水泥穩(wěn)定碎石為3.63MPa，抗壓強(qiáng)度優(yōu)于普通型；

(2)通過承載比(CBR)試驗(yàn)，得到了3%低水泥含量級(jí)配碎石CBR值為435.7%，符合規(guī)范要求，滿足試驗(yàn)路建設(shè)指標(biāo)；

(3)通過回彈模量試驗(yàn)，獲得3%低水泥含量級(jí)配碎石回彈模量均值為900.5MPa，低于普通水泥穩(wěn)定碎石1224.4MPa，有效減少了基層模量、提高基層韌性抑制反射裂縫產(chǎn)生；

(4)通過干縮、溫縮試驗(yàn)，獲得3%低水泥含量級(jí)配碎石在試驗(yàn)中溫縮量、干縮量變化趨勢(shì)與4%普通水泥穩(wěn)定碎石材料基本相同，但收縮量明顯小于普通水泥穩(wěn)定碎石材料，能夠很好地降低溫度、濕度對(duì)基層的變形影響。

[1] 張敏江,丁泓宇,趙程飛.低水泥劑量穩(wěn)定級(jí)配碎石基層典型結(jié)構(gòu)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,30(4):651-660.

[2] 于保陽,孫寶蕓,齊 琳.低水泥劑量穩(wěn)定級(jí)配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015,11(5):118-120.

[3] 張敏江,薛常安,于保陽.低水泥劑量穩(wěn)定級(jí)配碎石綜合收縮性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015,11(9):78-79,183.

[4]ConsoliNC,LopesLDS,HeineckKS.Keyparametersforthestrengthcontroloflimestabilizedsoils[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2009,21(5):210-216.

[5] 于 新,黃曉明.低劑量水泥穩(wěn)定碎石基層干縮溫縮性能研究[J].公路交通科技,2007,24(7):52-55.

[6] 鄧廷權(quán),羅 竟,周志剛,等.水泥改性級(jí)配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)研究[J].中外公路,2012,32(3):76-79.

[7]TahaR,AlharthyA,AlshamsiK,etal.Cementstabilizationofreclaimedasphaltpavementaggregateforroadbasesandsubbases[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2002,14(3):239-245.

[8] 張玉宏,王松根,李 昶.低劑量水泥穩(wěn)定粒料基本性能[J].巖土力學(xué),2005,26(11):1853-1856.

[9] 王海龍,申向東.水泥摻量對(duì)固化土早期結(jié)構(gòu)形成的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2011,30(2):469-473.

[10] 交通部公路科學(xué)研究院主編.JTGE51-2009,《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[S].

[11] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院主編.JTGD50-2006,《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].

[12] 交通部公路科學(xué)研究院主編.JTGE40-2007,《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[S].

[13] 馬梁龍.低水泥劑量穩(wěn)定級(jí)配碎石基層材料收縮性能研究[D].沈陽:沈陽建筑大學(xué),2014.

Experimental Study on Road Performance of Low-CementGraded Crushed Stone

ZHOU Jun-xia

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Inordertoexploretheeffectsoflow-contentcementontheroadperformanceofgradedcrushedstone,theroadperformanceindextestswhichwere7dunconfinedcompressivestrength,CBR,resiliencemodulus,temperatureshrinkagecoefficientanddryingshrinkagecoefficient,werecarriedoutconsideringdifferentcementcontentsof1%,2%,3%and4%.Determinetheoptimumcementcontentofthelow-contentcementgradedcrushedstone.Theresultsrevealthattheoptimumcementcontentis3%throughthe7dunconfinedcompressivestrengthindex,andthecompressivestrengthis3.65MPa.TheCBRvalueofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneis435.7%.Theresilientmodulusofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneis900.5MPa,whichisreducedby26.45%comparedwiththatoftheordinarycementgradedcrushedstone,anditeffectivelyimprovesthebasictoughnesstosuppressreflectioncrackgrowth.Temperatureshrinkagecoefficientanddryshrinkagecoefficientofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneandordinarycementstabilizedgradedcrushedstonehavethesamedevelopmenttendency,butthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneisleastsensitivetothetemperatureandhumidity.

low-cementgradedcrushedstone;roadperformance;unconfinedcompressivestrength;resiliencemodulus;temperatureshrinkagecoefficient;dryingshrinkagecoefficient

遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L2014136)

周軍霞(1980-)，女，博士，講師.主要從事道路工程等方面研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4292-05