張銀博,馬連霞,李耀業(yè),楊秋菊

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,烏魯木齊 830016)

我國(guó)的干旱高寒地區(qū)主要分布在西北地區(qū)的新疆、甘肅等地,地域廣闊。干旱高寒地區(qū)具有晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、平均溫度低等復(fù)雜的氣候特點(diǎn)[1-3],因此對(duì)公路工程質(zhì)量控制提出了更高的要求。公路基層位于瀝青面層下,是主要承重層;水泥穩(wěn)定材料是以水泥為結(jié)合料,通過(guò)加水與被穩(wěn)定材料共同拌和形成的半剛性材料,是我國(guó)高等級(jí)公路路面基層最常用的材料之一?；鶎有阅艿膹?qiáng)弱對(duì)路面整體強(qiáng)度、使用質(zhì)量和使用壽命都有十分重要的影響[4-5]。水穩(wěn)基層施工周期長(zhǎng),在干旱和大溫差的氣候下極易產(chǎn)生較大的干縮裂縫和溫縮裂縫,進(jìn)而反射到瀝青面層形成反射裂縫[6-8]。此外,水穩(wěn)層凍融循環(huán)強(qiáng)烈、水穩(wěn)基層易受損、強(qiáng)度衰減快,因此在車輛荷載持續(xù)作用下更易產(chǎn)生沉降或變形,會(huì)加速路面結(jié)構(gòu)的破壞,縮短道路的使用年限。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)半剛性基層開(kāi)展了大量研究工作,主要圍繞混合料級(jí)配、施工工藝、水泥劑量、早強(qiáng)劑等因素對(duì)試件抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響[9]。彭波等[10]對(duì)低水泥劑量穩(wěn)定碎石采用逐級(jí)填充法和N 法,以確定粗集料骨架級(jí)配和細(xì)集料密實(shí)級(jí)配,得出水泥微黏結(jié)級(jí)配碎石基層具有良好抗干縮性和穩(wěn)定性的結(jié)論。沙愛(ài)民[11]通過(guò)對(duì)半剛性基層材料的特性進(jìn)行研究,認(rèn)為良好的級(jí)配有助于基層強(qiáng)度提升,且及時(shí)進(jìn)行保濕養(yǎng)生可避免半剛性基層材料產(chǎn)生干燥收縮裂縫,控制細(xì)料含量則可以顯著減小半剛性基層材料的溫度收縮裂縫。李建忠等[12]將早強(qiáng)劑與水鎂石纖維引入水泥穩(wěn)定碎石基層研究,分析了凍融循環(huán)作用下水泥穩(wěn)定碎石抗凍性能的影響因素。

針對(duì)干旱寒區(qū)凍融循環(huán)條件下水穩(wěn)基層干縮和溫縮裂縫發(fā)展快、強(qiáng)度形成慢及強(qiáng)度易損的特點(diǎn),水穩(wěn)基層應(yīng)具有較高的早期強(qiáng)度以及良好的抗凍性能。目前,采用SJP 水穩(wěn)材料替代傳統(tǒng)膠結(jié)材料進(jìn)行水穩(wěn)基層抗凍性能試驗(yàn)研究相對(duì)較少?；诖?本文將對(duì)SJP 水穩(wěn)材料和傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的力學(xué)和抗凍性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材

1) 級(jí)配選取

本試驗(yàn)使用骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層集料,取自四川某砂石加工廠。為進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石基層的變異性對(duì)比試驗(yàn),級(jí)配范圍設(shè)置級(jí)配中值、級(jí)配偏規(guī)范上限、級(jí)配偏規(guī)范下限和一個(gè)統(tǒng)計(jì)特殊值,級(jí)配取值如表1 所示。其中,規(guī)范指《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)。

表1 級(jí)配取值

2) 試驗(yàn)用水泥

試驗(yàn)用水泥為西南牌P.C32.5R,水泥技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

3) SJP 水穩(wěn)材料

SJP 水穩(wěn)材料由SJP 基漿與集料拌和而成,SJP基漿作為膠結(jié)材料,由水灰比為0.45～1 的水泥漿摻加水泥質(zhì)量為0.1%～3%的合成纖維素類溶劑(1#助劑)、鈣硅質(zhì)早強(qiáng)劑(2#助劑)和酰胺類穩(wěn)定劑(3#助劑)混合而成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以水泥劑量、含水量、級(jí)配、助劑用量4 個(gè)因素作為強(qiáng)度影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)研究,試驗(yàn)設(shè)計(jì)1#助劑用量不變,選取級(jí)配、水泥劑量、含水量、2#助劑用量、3#助劑用量5 個(gè)因素,每個(gè)因素取4 個(gè)水平。綜上,試驗(yàn)設(shè)計(jì)為5 因素4 水平正交試驗(yàn),影響因素及水平如表3 所示。

表3 影響因素及水平

1.3 試驗(yàn)方法

1) 試樣制備

本次試驗(yàn)試件根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[13](以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)中的靜力壓實(shí)法進(jìn)行試件(Φ150 mm×150 mm 圓柱形)制備,成型試件脫模后用塑料袋覆蓋,轉(zhuǎn)入溫度為20 ℃±2 ℃、相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室,養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 齡期后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[13]。凍融循環(huán)開(kāi)始前,將試驗(yàn)試件轉(zhuǎn)入水中養(yǎng)護(hù)24 h,水溫20 ℃;分別將1/2 的傳統(tǒng)水穩(wěn)材料和SJP 水穩(wěn)材料試件放入凍融循環(huán)箱,剩余試件用于對(duì)照試驗(yàn)。

2) 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

按規(guī)范對(duì)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),每組設(shè)置6 個(gè)待測(cè)試件。達(dá)到齡期前應(yīng)將試件浸水24 h;試驗(yàn)開(kāi)始前,擦干試件表面水分;試驗(yàn)過(guò)程中,將壓力機(jī)加載速率保持在1 mm/min。

3) 凍融循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)規(guī)范中的凍融試驗(yàn)方法,將凍融試件凍結(jié)溫度設(shè)置為-18 ℃,凍結(jié)時(shí)間為16 h;試件采用水融法,水溫保持20 ℃,融化時(shí)長(zhǎng)為8 h[13],如此為1次凍融循環(huán),根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行5、10、15、20 次的凍融循環(huán),測(cè)定對(duì)應(yīng)次數(shù)下試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 抗壓強(qiáng)度影響因素敏感性分析

為研究水泥劑量、級(jí)配、含水量、2#助劑用量和3#助劑用量對(duì)水穩(wěn)基層材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度,采用方差分析來(lái)區(qū)分水平因素、誤差波動(dòng)引起的試驗(yàn)結(jié)果的差異,每組設(shè)置6 個(gè)試件,測(cè)得7 d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表4 所示。7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析如表5 所示。

由表4、表5 可知,在影響抗壓強(qiáng)度的主要因素中,水泥劑量、級(jí)配和2#助劑用量的變化與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性為99%,而含水量的變化與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性為90%。水泥劑量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著,級(jí)配和2#助劑用量對(duì)抗壓強(qiáng)度也有明顯影響,而含水量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大。綜上,各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響大小次序?yàn)?水泥劑量>級(jí)配>2#助劑用量>含水量。根據(jù)以上結(jié)果分析,優(yōu)化方案為中值級(jí)配、含水量5.1%、2#助劑用量2.0%、3#助劑用量1.5%。由表4 可知,試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度總體偏低,分析其原因是試驗(yàn)時(shí)采用的手動(dòng)擊實(shí)可能沒(méi)有將試件完全壓實(shí),由于整個(gè)試驗(yàn)的制樣都是在同樣的情況下完成的,所以就整個(gè)試驗(yàn)而言,這并不影響最終結(jié)論。

表4 7 d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

表5 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析

2.1.2 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

通過(guò)以上分析,可以看出各因素的變化和抗壓強(qiáng)度是相關(guān)的,針對(duì)各因素和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律開(kāi)展進(jìn)一步研究。

1) 水泥劑量

7 d 抗壓強(qiáng)度與水泥劑量的關(guān)系如圖1 所示。由圖1 可知,抗壓強(qiáng)度與水泥劑量接近線性關(guān)系,但水泥會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層發(fā)生干縮、溫縮變化。因此,需在保證滿足強(qiáng)度的條件下,盡量控制水泥的用量。

2) 級(jí)配

級(jí)配與7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖2 所示。由圖2 可知,當(dāng)級(jí)配為中值時(shí),強(qiáng)度最大,其次為級(jí)配的偏下限和偏上限;當(dāng)取級(jí)配特殊值時(shí),強(qiáng)度最小。從整個(gè)曲線的趨勢(shì)來(lái)看,級(jí)配取值不同時(shí)抗壓強(qiáng)度變化明顯,這說(shuō)明級(jí)配對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響是顯著的,且靠近規(guī)范級(jí)配中值是比較合理的級(jí)配。級(jí)配為中值時(shí)的抗壓強(qiáng)度比特殊值時(shí)高約26%,因此,如果偏離級(jí)配中值,強(qiáng)度可能會(huì)有很大差異。故在基層施工時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制級(jí)配,以確保達(dá)到水穩(wěn)層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3) 2#助劑用量

2#助劑用量與7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知,隨著2#助劑用量的增加,抗壓強(qiáng)度先減小后增大,在用量為2.2%時(shí)候達(dá)到最小,在用量為2.6% 時(shí)強(qiáng)度僅比用量2.0% 時(shí)增加約7%。另外,2#助劑用量的增加會(huì)大幅縮短初終凝時(shí)間,影響攤鋪壓實(shí)過(guò)程,因此考慮設(shè)定2#助劑用量為2.0%并進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

4) 含水量

含水量與7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可知,7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水量的增加先增加后減小,當(dāng)含水量為5.1%時(shí),抗壓強(qiáng)度最大;含水量<5.1%時(shí),每增加0.3%,抗壓強(qiáng)度增加約5%,可見(jiàn)含水量對(duì)強(qiáng)度的影響也是一個(gè)重要的控制因素。在施工現(xiàn)場(chǎng),應(yīng)嚴(yán)格控制混合料含水量,同時(shí)考慮到運(yùn)輸過(guò)程中的水分散失,結(jié)合施工過(guò)程中的天氣情況,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整含水量來(lái)保證混合料在施工時(shí)的含水量,從而使水穩(wěn)層的強(qiáng)度得到保證。

5) 3#助劑用量

3#助劑用量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大,這是由于3#助劑的主要作用是調(diào)節(jié)漿液的黏稠度,對(duì)漿液強(qiáng)度的影響不是很顯著,因此后續(xù)試驗(yàn)不考慮3#助劑用量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明,各影響因素重要性依次為:水泥劑量>級(jí)配>2#助劑用量>含水量;水泥劑量和級(jí)配對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最為明顯。水泥劑量、2#助劑、含水量一般較容易控制,而級(jí)配變異性較大,因此要嚴(yán)格控制級(jí)配組成。

綜上所述,對(duì)不同齡期的水穩(wěn)層進(jìn)行強(qiáng)度和凍融循環(huán)試驗(yàn),選擇水泥劑量3.5%、中值級(jí)配、含水量5.1%、2#助劑用量2.0%、1#助劑用量0.33%、3# 助劑用量1.5%作為最佳配比。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 齡期的水穩(wěn)材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到SJP 水穩(wěn)材料與傳統(tǒng)水穩(wěn)材料各齡期抗壓強(qiáng)度關(guān)系,如圖5 所示。

由圖5 可知,兩種水穩(wěn)材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增大,前期(7 d 內(nèi))增長(zhǎng)速度快,后期(7 d 后)增長(zhǎng)速度較緩,同齡期SJP 水穩(wěn)材料抗壓強(qiáng)度高于純水泥的傳統(tǒng)水穩(wěn)材料。

SJP 水穩(wěn)材料3 d 的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了規(guī)范要求,3 d 抗壓強(qiáng)度較傳統(tǒng)水穩(wěn)材料高約7%,28 d 抗壓強(qiáng)度比傳統(tǒng)水穩(wěn)材料高約12%。與傳統(tǒng)水穩(wěn)材料相比,SJP 水穩(wěn)料具有前期強(qiáng)度增長(zhǎng)快、后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。其原因是SJP 漿液在纖維素類助劑的作用下產(chǎn)生了大量的纖維針狀水泥水化衍生物,同時(shí)硅鈣類助劑(2#)的加入使得C-S-H(水化硅酸鈣)產(chǎn)量增多,C-S-H 與纖維狀水泥衍生物相結(jié)合形成“聯(lián)帶”,從而有效地提高了膠結(jié)材料的黏聚力[14],水穩(wěn)碎石中的細(xì)顆粒骨料在聯(lián)帶的作用下連接得更緊密,材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也更加緊密,使SJP 水穩(wěn)材料的后期強(qiáng)度更高,并且有效提高了過(guò)渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)的豁結(jié)力[15]。

2.3 質(zhì)量損失率

本文采用快凍法對(duì)SJP 水穩(wěn)材料和傳統(tǒng)水穩(wěn)材料進(jìn)行凍融試驗(yàn)研究,平均質(zhì)量損失率曲線如圖6所示。結(jié)果表明,平均質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加而提升。在相同的凍融循環(huán)下,SJP 水穩(wěn)材料的質(zhì)量損失率低于傳統(tǒng)水穩(wěn)材料。傳統(tǒng)水穩(wěn)材料凍融循環(huán)5 次時(shí)質(zhì)量損失率相較于1 次時(shí)增長(zhǎng)了230.9%;同條件下,SJP 水穩(wěn)材料質(zhì)量損失率提升了206.8%,兩者相差達(dá)24.1%。經(jīng)過(guò)5 次凍融循環(huán)后,SJP 水穩(wěn)材料和傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的質(zhì)量損失率呈線性增加。20 次凍融循環(huán)時(shí),傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的質(zhì)量損失率為5.56%,SJP 水穩(wěn)性材料的質(zhì)量損失率小于4.6%。從質(zhì)量損失率來(lái)看,與傳統(tǒng)水穩(wěn)材料相比,SJP 水穩(wěn)材料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

2.4 抗壓強(qiáng)度與抗凍系數(shù)

水穩(wěn)材料凍融循環(huán)后抗凍系數(shù)(BDR)計(jì)算公式為

式中,RDC為n次凍融循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度,MPa;Rc為對(duì)比試件抗壓強(qiáng)度,MPa。

每組凍融循環(huán)試驗(yàn)按規(guī)范要求制備9 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件,其中6 個(gè)為凍融試件,3 個(gè)為不凍融試件。制備完畢后分別進(jìn)行5、10、15、20 次凍融循環(huán),不同材料凍融循環(huán)實(shí)測(cè)值如表6 所示,不同凍融次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度如圖7 所示,抗凍系數(shù)變化曲線如圖8 所示。

表6 不同材料凍融循環(huán)實(shí)測(cè)值

從圖7 的擬合曲線可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,兩種材料的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本相同。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,抗壓強(qiáng)度逐漸衰減且衰減速率增加,經(jīng)過(guò)相同次數(shù)的凍融循環(huán)后,SJP水穩(wěn)材料在強(qiáng)度上較傳統(tǒng)水穩(wěn)材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。由圖8 可知,隨著凍融次數(shù)的增加,抗凍系數(shù)呈大幅度線性減小的趨勢(shì)。

從表6 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下,SJP 水穩(wěn)材料的抗凍系數(shù)大于傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的抗凍系數(shù)。經(jīng)過(guò)5、10、15、20 次凍融循環(huán)后,SJP 水穩(wěn)材料的抗壓強(qiáng)度比非凍融材料分別降低了7%、22%、37%和55%,而傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的抗壓強(qiáng)度分別降低了13%、27%、46%和63%,這說(shuō)明SJP 水穩(wěn)材料抗壓強(qiáng)度的衰減速率要比傳統(tǒng)水穩(wěn)材料抗壓強(qiáng)度衰減速率低,具有良好的抗凍性能。這是因?yàn)镾JP 漿液在纖維素類助劑的作用下產(chǎn)生了大量的纖維針狀水泥水化衍生物,有效增強(qiáng)了膠結(jié)材料的黏聚力,水穩(wěn)碎石中的細(xì)顆粒骨料在聯(lián)帶的作用下連接得更緊密,材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也更加緊密。綜上,SJP 水穩(wěn)材料具有較高的后期強(qiáng)度和良好的抗凍性。

3 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)、不同齡期抗壓試驗(yàn)以及凍融循環(huán)作用下SJP 水泥穩(wěn)定基層材料與傳統(tǒng)水穩(wěn)材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究,得到各影響因素、不同養(yǎng)護(hù)齡期和不同凍融次數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:

(1) 根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析,各因素對(duì)SJP 水穩(wěn)材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響順序?yàn)?水泥劑量>級(jí)配>2#助劑用量>含水量,且水泥劑量和級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響最為明顯,3#助劑對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大;SJP水穩(wěn)材料的最優(yōu)配比為:水泥劑量取3.5%,中值級(jí)配,含水量為5.1%,2#助劑用量為2.0%,1#助劑用量為0.33%、3#助劑用量為1.5%。

(2) 不同齡期抗壓試驗(yàn)表明,SJP 水穩(wěn)材料的3 d 抗壓強(qiáng)度比傳統(tǒng)水穩(wěn)材料高約7%,28 d 的抗壓強(qiáng)度比傳統(tǒng)水穩(wěn)材料高約12%,與傳統(tǒng)水穩(wěn)材料相比,SJP 水穩(wěn)材料具有前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快、后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

(3) SJP 水穩(wěn)材料的抗凍性優(yōu)于傳統(tǒng)水穩(wěn)材料,其不同凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度衰減率均低于傳統(tǒng)水穩(wěn)材料。