馬軍旗
(中國水利水電第四工程局有限公司,云南 玉溪 652500)
水泥穩(wěn)定碎石基層材料在長期服役過程中易出現(xiàn)裂縫和唧漿等病害,這主要是由于干縮和溫縮的共同作用造成半剛性基層的開裂,且裂縫逐漸向上擴(kuò)展反射至路面表層,從而導(dǎo)致雨水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部,在行車荷載和動水壓力的反復(fù)作用下不斷沖刷半剛性基層而產(chǎn)生唧漿,致使基層強(qiáng)度降低?;诖耍芏嘌芯繄F(tuán)隊進(jìn)行了研究:黃興等從拌合工藝的角度發(fā)現(xiàn),在水泥劑量和級配一定的情況下采用振動拌合工藝,其抗干縮和溫縮性能明顯優(yōu)于靜壓法[1];孫杰慧等對加入基層中的水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量進(jìn)行了研究,測算了不同水泥用量下不同齡期的回彈模量、干縮和溫縮性能,發(fā)現(xiàn)水泥劑量在5%~5.5%之間最為合適[2];孫家瑛等研究了在混凝土中加入聚丙纖維后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化,發(fā)現(xiàn)纖維摻量在0.2%時,抗折強(qiáng)度提高了30%左右,脆性降低[3]。本文在許多團(tuán)隊研究的基礎(chǔ)上,重點通過提升工藝、外摻材料和優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)手段,改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能和抗沖刷性能,提高耐久性。
對于增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的耐久性,可從充分激發(fā)水泥作用和優(yōu)化混合料結(jié)構(gòu)形式入手,并可通過摻加纖維等增強(qiáng)材料實現(xiàn)。
傳統(tǒng)的強(qiáng)制式攪拌工藝由于攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速和效率低、攪拌存在速度梯度和低效區(qū)、攪拌參數(shù)與物料間的匹配性不足等原因,導(dǎo)致混合料中有10%~30%的水泥顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,水泥顆粒的比表面積下降,造成水泥水化不充分,水泥作用未能全部發(fā)揮。振動攪拌工藝是一種通過釋放激振力來強(qiáng)化攪拌過程的有效手段,通過在強(qiáng)制式攪拌工藝的基礎(chǔ)上加入振動攪拌,使得物料之間發(fā)生很好的對流運動和擴(kuò)散運動,各組分充分彌散,提高了物料的均勻性,水泥水化更充分,激發(fā)水泥發(fā)生全能作用,提升混合料強(qiáng)度。
水泥穩(wěn)定碎石混合料的結(jié)構(gòu)形式主要有懸浮密實、骨架密實和骨架空隙3種。懸浮密實結(jié)構(gòu)根據(jù)最大密度理論設(shè)計,采用連續(xù)級配,混合料中集料粒徑從大到小組合排列,細(xì)集料較多,粗集料含量較少,無法形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu);骨架密實結(jié)構(gòu)采用嵌擠密實原則設(shè)計,粗集料含量增加,形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu),細(xì)集料主要用來填充骨架結(jié)構(gòu)中的空隙,由此最大程度地發(fā)揮粗集料的骨架嵌擠作用和細(xì)集料的填充黏結(jié)作用。因此,采用骨架密實結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有比懸浮密實結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的性能,可通過級配優(yōu)化設(shè)計、采用骨架密實結(jié)構(gòu),抵抗干縮和溫縮引起的裂縫,提高混合料的抗裂性能。
纖維具有優(yōu)異的斷裂拉伸強(qiáng)度[4],將纖維增強(qiáng)體加入水泥穩(wěn)定碎石中,利用纖維的橋接、拉拔作用,顯著增加基體的抗拉強(qiáng)度,減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的開裂,提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂效果。此外,在拉應(yīng)力作用下,纖維能夠有效減弱裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象,抑制裂縫的擴(kuò)展。
基于重型擊實法開展水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計,礦料合成級配和目標(biāo)配合比設(shè)計結(jié)果分別如表1、2所示。
表1 合成級配
表2 目標(biāo)配合比設(shè)計結(jié)果
為了分析以上3種技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的增強(qiáng)作用,分別開展了不同攪拌工藝、不同級配類型和不同纖維摻量[5-7]對水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度和抗沖刷性能的影響。由此制定的試驗方案如表3所示,其中纖維種類為聚酯纖維。
表3 試驗方案
對比分析了采用振動攪拌工藝和普通強(qiáng)制式攪拌工藝[8-10]對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響,結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出以下幾點。
圖1 振動拌合與普通拌合工藝結(jié)果對比
(1)隨著水泥用量的增加,水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、7 d劈裂強(qiáng)度逐漸增加,28 d、30 min沖刷質(zhì)量損失率逐漸減小,表明隨著強(qiáng)度的逐漸形成,混合料的抗沖刷性能不斷提高。
(2)相對普通拌合工藝,振動拌合水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高30.5%和10.6%,而沖刷質(zhì)量損失率降低13.7%,說明在振動拌合條件下,混合料分散更均勻,整體強(qiáng)度和抗沖刷性能得到一定提高,耐久性增強(qiáng),其中提高最為明顯的是抗壓強(qiáng)度,其次為抗沖刷性能,劈裂強(qiáng)度的提升相對較小。
對比分析了添加0.05%聚酯纖維與未添加纖維對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響,結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明,相比未添加纖維,添加聚酯纖維的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高6.8%和11.9%,而沖刷質(zhì)量損失率降低23.6%,說明在聚酯纖維的橋接和拉拔作用下,混合料的整體耐久性得到提升,其中最為顯著的是抗沖刷性能,其次是抗裂性能,添加纖維對抗壓強(qiáng)度的提升相對較小。
圖2 普通水穩(wěn)與纖維水穩(wěn)結(jié)果對比
對比分析了骨架密實結(jié)構(gòu)與懸浮密實結(jié)構(gòu)對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響,如圖3所示。結(jié)果表明,相比懸浮密實型結(jié)構(gòu),骨架密實型結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高11.6%和4.6%,而沖刷質(zhì)量損失率降低19.5%,說明骨架密實型結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的耐久性,其中抗沖刷性[11]能提升最為顯著,其次為抗壓強(qiáng)度[12-14],劈裂強(qiáng)度的提升效果相對一般。
基于以上試驗結(jié)果,對比分析不同影響因素對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響程度,如圖4所示。結(jié)果表明以下幾點。
圖4 3種增強(qiáng)技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石耐久性的提升效果對比
(1)3種耐久性增強(qiáng)技術(shù)中,拌合工藝和級配類型對混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升最為顯著,添加纖維對混合料抗沖刷性能的提升最為顯著。
(2)對于水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升最為顯著的是拌合工藝,對于抗裂性能[15]和抗沖刷性能提升最為顯著的是添加纖維。
本文通過提升拌合工藝、添加纖維和優(yōu)化級配設(shè)計,對水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗沖刷性開展了室內(nèi)試驗對比研究,分析了不同因素對混合料耐久性的影響,主要結(jié)論如下。
(1)水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗沖刷性能隨著水泥用量的增加得到明顯提高,添加水泥有利于提升水泥穩(wěn)定碎石的耐久性。
(2)采用振動拌合工藝、添加纖維和優(yōu)化級配設(shè)計均可一定程度地提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的耐久性。
(3)采用振動拌合工藝和骨架密實型結(jié)構(gòu)可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,添加纖維有利于提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能和抗沖刷性能,從而減少裂縫和唧漿等病害的產(chǎn)生。
對3種耐久性增強(qiáng)技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究分析,建議后續(xù)開展對彈性模量、疲勞性能等方面的研究。