董佳媛

（河北盛通公路建設(shè)有限公司，河北 承德 068150）

0 引言

新中國成立以來，我國設(shè)計建造的道路取得了非凡成就，現(xiàn)階段在我國已建設(shè)的道路中，主要是半剛性基層道路[1]，而半剛性基層材料中最主要的組成是水泥穩(wěn)定碎石材料，其通常由級配碎石、水和凝膠材料經(jīng)過攪拌、攤鋪和壓實后形成的骨架型基層，具有良好的承載力、水穩(wěn)性、板體性、原材料便宜簡單易得。相較于以往的基層材料，半剛性基層材料的性能雖然已經(jīng)有了很大提升，但仍然極易產(chǎn)生收縮裂縫，存在抗裂能力低等問題[2]。據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計研究，目前我國的主要交通道路上的路面基層材料使用效果不理想，道路存在嚴重損壞。為改善提高水泥基層碎石的性能，許多國內(nèi)外學者專家在混合料中加入如纖維、外加劑等特殊材料[3-8]，但由于施工工藝和造價成本過高的原因，并不適合大量推廣。此后，結(jié)合水穩(wěn)層礦料級配思路，一種具有抗沖刷、抗疲勞、抗裂縫性和較高強度的骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石材料應(yīng)運而生。為進一步了解骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料的實際性能，需要進行更深層次的試驗研究。本文采用理論知識與相關(guān)擊實試驗、抗壓回彈模量試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、干縮與溫縮試驗和抗沖刷試驗相結(jié)合的方法，對骨架密實結(jié)構(gòu)水泥碎石混合料穩(wěn)定的路用性能進行研究，希望能夠?qū)羌苊軐嵔Y(jié)構(gòu)水泥碎石混合料性能的相關(guān)研究提供一定的參考價值。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層材料配比設(shè)計

為得到最大干密度和最佳含水率之間的關(guān)系，按照不同比例的水泥用量對水泥穩(wěn)定碎石進行重型擊實試驗，分三組試驗，不同試驗標準參數(shù)見表1。試驗集料最大粒徑是26.5mm，應(yīng)采用第三種方法對水泥穩(wěn)定碎石混合料進行擊實試驗，以得到混合料的含水量-干密度關(guān)系。試樣的濕密度和干密度計算公式分別見式（1）和式（2）。

表1 不同試驗方法參數(shù)表

式（1）～（2）中：ρω為材料的濕密度（g/cm3）；m1為試筒與濕試樣的總質(zhì)量（g）；m2為試筒的質(zhì)量（g）；V為試筒的容積（cm3）；ρd為試樣的干密度；ω為試樣的含水量（%）。

經(jīng)過擊實試驗，結(jié)合公式計算，得到骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石和懸浮密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的試驗結(jié)果，分別見表2和表3。

表2 骨架密實結(jié)構(gòu)擊實試驗結(jié)果

表3 骨架密實結(jié)構(gòu)擊實試驗結(jié)果

由表2和表3可知，水泥用量相同的情況下，骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)的最佳含水量都在一定區(qū)間內(nèi)變化，懸浮密實結(jié)構(gòu)的最佳含水量略大于骨架密實結(jié)構(gòu)，但懸浮密實結(jié)構(gòu)的最大干密度略小于骨架密實結(jié)構(gòu)。

2 試驗分析

2.1 抗壓回彈模量試驗

一般采用材料的抗壓回彈模量反映路面結(jié)構(gòu)的模量，抗壓回彈模量能夠體現(xiàn)出路面材料在應(yīng)力狀態(tài)下的某些特性，即宏觀上的力學性能，材料的尺寸、受力狀態(tài)和變形程度之間存在一定的關(guān)系。只有合適的基層抗壓回彈模量才能將荷載有效地分散傳遞到土基，如果基層抗壓回彈模量過大，基層和面層之間的應(yīng)力相差變大，會縮短面層的壽命，同時，基層本身也容易因剛度過大而斷裂；如果基層抗壓回彈模量太小，荷載不能有效快速擴散到土基，面層層底彎拉應(yīng)力和土基承受的應(yīng)力都將增加，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的剛度降低，進而對路面結(jié)構(gòu)造成不良影響。

將不同水泥用量的骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石試件，采用頂面法，將養(yǎng)生齡期為27d的試件浸水24h后取出，擦干水并修補試件表面的不平處，根據(jù)我國對抗壓回彈模量試驗的規(guī)范進行抗壓回彈模量測試，同時與懸浮密實結(jié)構(gòu)進行比較。測試結(jié)果見表4。

表4 骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)抗壓回彈模量測試結(jié)果

由表4可知，在相同水泥用量時，懸浮密實結(jié)構(gòu)的抗壓回彈模量低于骨架密實結(jié)構(gòu)，隨著水泥用量從4%增加到6%這個過程，抗壓回彈模量有較明顯的增長；而懸浮結(jié)構(gòu)只有當水泥用量大于5.5%時，抗壓回彈模量的增加值才有明顯的改變。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

路面結(jié)構(gòu)中承受交通荷載的主要是水泥穩(wěn)定碎石基層，根據(jù)相關(guān)人士的實地調(diào)查，早期道路的損壞通常是由于基層承重不達標造成的，因此，基層強度高的路面更能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對交通道路的需求。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）[7]的規(guī)范要求，對骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)進行7d無側(cè)限飽水抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表5所示。

表5 骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)7d無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果

由表5可知，隨著水泥用量的增加，7d齡期的骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)試件的強度也隨之增加，懸浮密實結(jié)構(gòu)的強度明顯低于骨架密實結(jié)構(gòu)，雖然這兩種試件都呈現(xiàn)強度增加的趨勢，但抗壓強度隨著水泥用量的增加而逐漸變小，最終試件損壞。

3 干縮試驗

半剛性基層材料自身擁有一個無法避免的缺陷，即在受外界環(huán)境影響后會產(chǎn)生明顯的收縮性，在溫度和濕度反復(fù)變化及不同車載的作用下，收縮產(chǎn)生干溫縮裂縫，造成受力不均衡，從而導(dǎo)致路面的穩(wěn)定性下降，最終破壞路面結(jié)構(gòu)。

隨著時間及環(huán)境溫度的變化，水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部的含水量不斷蒸發(fā)而導(dǎo)致混合料的體積減小，發(fā)生干縮現(xiàn)象。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）[7]的規(guī)范要求進行相應(yīng)的時間干縮試驗，干縮試驗中設(shè)置五個不同水泥用量的骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)中梁試件，結(jié)果見表6。

表6 骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)干縮試驗結(jié)果單位：%

由表6可知，水泥穩(wěn)定碎石的總干縮系數(shù)與水泥用量成正相關(guān)，當水泥用量在5%時，骨架密實結(jié)構(gòu)與懸浮密實結(jié)構(gòu)的總干縮系數(shù)比較相似，在此次試驗中，懸浮密實結(jié)構(gòu)對應(yīng)的總干縮系數(shù)相對骨架密實結(jié)構(gòu)增長較快，表明混合料的級配形成的骨架對水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)有著明顯的影響。

4 抗沖刷試驗

基層和面層之間會存在一定的自由水，在反復(fù)荷載作用下，能夠抵抗由此產(chǎn)生的抗動水壓沖刷的能力即為水泥碎石混合料的抗沖刷性能。由于降雨等各種外界原因，水流入水泥混凝土或瀝青路面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，而流入的水又不能及時有效地排出，長期擠壓在基層和面層之間，使基層長期浸泡在水中。在日復(fù)一日的車輛荷載的沖壓作用下，基層材料容易流失，日積月累，流失的材料積壓在裂縫中，逐漸形成泥漿，最終噴出路面。

雖然水泥穩(wěn)定碎石的評價標準主要是通過抗沖刷性能間接反映的，但國內(nèi)外測定水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的方法和器械不同，本試驗中，主要用機架、電機、手輪、計數(shù)器、橡膠沖刷頭、沖刷桶等組成最大沖擊力為0.8MPa、加載頻率為10Hz的抗沖刷試驗儀。用沖刷頭朝試件頂板中間向下沖壓的試驗擠出試件頂面中間細粒漿的過程，來模擬車載作用力導(dǎo)致基層頂部和面層底部之間擠出產(chǎn)生細粒漿的現(xiàn)象；而沖刷頭快速向上縮回時，由于沖刷頭底部和試件頂面之間產(chǎn)生了負壓效應(yīng)，此時會把水迅速吸入到?jīng)_刷頭底部，同時將試件表面的細顆粒以及動力水壓導(dǎo)致的“沖刷細渣”帶出來，整個過程是一種泵吸作用，用來模擬路面面層回彈。試驗用沖刷儀如圖1所示。

圖1 試驗用沖刷儀

此次試驗采用的沖刷儀是自行按照國家及行業(yè)相關(guān)規(guī)范要求研制的，試驗性能強，可靠性高。試驗中分別選取骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)不同齡期的試件進行沖刷試驗，這兩種不同結(jié)構(gòu)類型的水泥穩(wěn)定碎石在不同齡期和不同水泥含量下的沖刷性能試驗結(jié)果見表7和表8。具體的試驗過程如下：

表7 骨架密實結(jié)構(gòu)不同水泥含量、不同齡期的沖刷試驗結(jié)果

表8 懸浮密實結(jié)構(gòu)不同水泥含量、不同齡期的沖刷試驗結(jié)果

（1）用固定支架將15cm×15cm的圓柱形試件固定在底座，放入鋼桶，注入水，直至水的高度比試件高0.5cm。

（2）用旋轉(zhuǎn)手輪將放有沖刷桶的鋼板緩慢升到定位孔和定位桿相互接觸的位置。

（3）位置調(diào)整合適后，調(diào)整大帶輪的收緊程度，用手輕輕轉(zhuǎn)動儀器，直至能平穩(wěn)轉(zhuǎn)動大帶輪。

（4）插上電源，事先設(shè)置好試驗次數(shù)，紅色按鈕為暫停鍵，綠色按鈕為開始鍵。

（5）沖刷試驗結(jié)束后，將沖刷桶內(nèi)的液體倒入金屬桶中，靜止安放12h。

（6）12h后，將金屬桶里的液體倒出，放在恒溫105℃的烘箱中，烘干后取出，記錄重量。

由表7和表8可知，骨架密實結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)沖刷量與水泥含量存在正相關(guān)關(guān)系，從貝雷法設(shè)計的角度出發(fā)，在相同齡期中，4.5%水泥含量對于骨架密實結(jié)構(gòu)是一個臨界點，當水泥含量大于4.5%時，隨水泥含量的增加，沖刷量明顯降低，反之，沖刷量增加不明顯；而對于懸浮密實結(jié)構(gòu)，水泥含量的增加并沒有帶來明顯的沖刷量變化。可以表明，在選用骨架密實結(jié)構(gòu)時可以通過適當增加水泥含量提高水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷能力。

5 結(jié)語

為分析骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料的路用性能，本文采用理論知識結(jié)合相關(guān)擊實試驗、抗壓回彈模量試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、干溫縮試驗和抗沖刷試驗對骨架密實結(jié)構(gòu)水泥碎石混合料的穩(wěn)定的路用性能進行研究，研究結(jié)果表明：級配設(shè)計合適的懸浮密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量和抗壓強度比骨架密實結(jié)構(gòu)小得多；骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的干縮系數(shù)比懸浮密實結(jié)構(gòu)??；骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石沖刷量與沖刷時間具有同趨勢變化關(guān)系。