水泥穩(wěn)定碎石混合料早期強(qiáng)度評(píng)價(jià)

劉敬輝，操宇航

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

目前，我國高等級(jí)公路普遍采用半剛性基層瀝青路面，就其基層而言，大多數(shù)由抗拉性能較好、抗壓性能較高的半剛性材料組成.水泥穩(wěn)定碎石混合料是基層常采用的材料類型.長期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，路面半剛性基層材料結(jié)構(gòu)受到破壞后，材料的強(qiáng)度一般是無法再恢復(fù)的.因此，半剛性基層材料施工碾壓成型之后，要封閉養(yǎng)護(hù)，盡可能避免重型機(jī)械車輛行駛，以免造成基層結(jié)構(gòu)的早期破壞，影響最終強(qiáng)度的形成.通常規(guī)定要養(yǎng)護(hù)7 d，才允許開放交通，進(jìn)行下一道施工工序，認(rèn)為此時(shí)才滿足了基層強(qiáng)度的要求.盡管這種保守的方法可以避免了基層早期損傷，但是這種措施也延長了施工時(shí)間，增加了施工成本，不便于盡早開放交通.因此，可靠而又理想的方法就是盡早確定基層獲得滿足要求強(qiáng)度的時(shí)間，盡早的開放交通，降低施工成本.目前，關(guān)于水泥穩(wěn)定類早期(1～7 d)強(qiáng)度的研究，國內(nèi)研究甚少，對(duì)早期強(qiáng)度的研究多集中在7 d以后(7 d、14 d、28 d、90 d).沙慶林［1］對(duì)半剛性基層的早期強(qiáng)度隨齡期的變化情況進(jìn)行了研究，但主要是集中在7 d、14 d、28d、90d強(qiáng)度，研究結(jié)果表明半剛性材料的化學(xué)反應(yīng)要持續(xù)一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間，水泥混合料的硬結(jié)過程常延續(xù)到1～2年以上的時(shí)間，并且環(huán)境溫度對(duì)半剛性材料強(qiáng)度的形成和發(fā)展有很大的影響.徐江萍等［2］研究了礦料級(jí)配類型對(duì)半剛性基層材料早期強(qiáng)度的影響，主要針對(duì)的是7 d和28 d的飽水抗壓強(qiáng)度.吳玉浩等［3］在總結(jié)水泥穩(wěn)定粒料基層強(qiáng)度影響因素的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)、外試驗(yàn)，分析這類基層強(qiáng)度與溫度、養(yǎng)生期之間的關(guān)系，明確在施工質(zhì)量控制中，現(xiàn)場取芯考慮溫度、齡期對(duì)強(qiáng)度的影響，并提出初步結(jié)果.張嘎吱和沙愛民［4］以水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的設(shè)計(jì)齡期和設(shè)計(jì)參數(shù)為研究對(duì)象，認(rèn)定混合料的設(shè)計(jì)齡期宜為120 d.在此基礎(chǔ)上，通過變化集料級(jí)配和水泥劑量，研究確定出混合料7 d齡期的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，120 d齡期劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量的合理區(qū)間.孫兆輝等［5］通過試驗(yàn)分析了集料級(jí)配類型、試件尺寸、水泥劑量、水泥品種、集料針片狀顆粒含量等對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律及分析了不同延遲時(shí)間對(duì)水泥穩(wěn)定碎石不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響，從而為強(qiáng)度的合理限值提供了依據(jù).張超等［6］對(duì)石灰粉煤灰類層材料早期強(qiáng)度(3 d)進(jìn)行了研究，認(rèn)為在保證結(jié)構(gòu)完整的基礎(chǔ)上，二灰材料具有顯著的早期強(qiáng)度可再生恢復(fù)性，初期的結(jié)構(gòu)破壞不會(huì)影響這類材料最終強(qiáng)度的形成.李文廣等［7］通過對(duì)三種不同級(jí)配類型的水泥穩(wěn)定粒料的比較試驗(yàn)，以7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量和收縮系數(shù)為指標(biāo)，綜合各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)三種級(jí)配類型進(jìn)行了評(píng)價(jià).汪水銀等［8］就水泥穩(wěn)定碎石材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)和端部效應(yīng)進(jìn)行了研究.國外的針對(duì)水泥穩(wěn)定材料早期強(qiáng)度的研究，有代表性的主要有:W Spencer Guthrie等［9］針對(duì)水泥穩(wěn)定材料的早強(qiáng)強(qiáng)度(7 d)，對(duì)選擇最優(yōu)水泥用量進(jìn)行了研究;Guthrie W S等［10］采用Soil Stiffness Gauge、Clegg Impact Soil Tester、Dynamic Cone Penetrometer和Falling－Weight Deflecometer對(duì)水泥穩(wěn)定材料的早期強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)(1～7d)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了可重復(fù)性和敏感性分析，建議采用Clegg Impact Soil Tester進(jìn)行現(xiàn)場的強(qiáng)度檢測控制.Tom Scullion［11］和 Stephen Sebesta等［12－13］利用水泥穩(wěn)定材料早期強(qiáng)度的可恢復(fù)性，采用預(yù)壓裂技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定土早期(1～3 d)收縮裂縫進(jìn)行了處理，大大減少了產(chǎn)生反射裂縫的風(fēng)險(xiǎn).Horpibulsuk S等［14］從水灰比和最優(yōu)含水量的角度對(duì)水泥穩(wěn)定粗粒土早期強(qiáng)度(1～200 d)的發(fā)展進(jìn)行了研究.

本文主要是采用室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和現(xiàn)場剛度檢驗(yàn)兩種不同的方法對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料這種常用的基層材料進(jìn)行早期強(qiáng)度增長情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為盡早開放交通提供詳實(shí)而又可靠的試驗(yàn)依據(jù).

1 土壤剛度儀測量原理

土壤剛度儀又名Humboldt剛度儀(GeoGauge)，是一種手提式儀器，該儀器對(duì)直接檢測壓實(shí)土塘的兩種關(guān)鍵的工程力學(xué)性能—鋪層剛度和土壤模量，提供了一種簡易、快速、精確的測試方法(如圖1所示)，同時(shí)也提供了計(jì)算地基反力、CBR和土塘密度的一種替代方法.

GeoGauge主要是測量土壤表層的阻抗，換句話說，是測量傳給土壤的應(yīng)力及其所引起的作用時(shí)間函數(shù)的表層素的，剛度為力與變?yōu)榱恐龋芍苯訌淖杩沟贸?GeoGauge是通過100～196 Hz之間的25個(gè)恒穩(wěn)頻率作用下所給土塘的微小位移(＜1.27×10－6).確定出每個(gè)頻率的剛度，并按所顯示的25個(gè)頻率剛度求其平均值，整個(gè)過程只需1 min.在低頻率的情況下，地面阻抗受其剛度控制并與土壤剪切模量成正比.因此，借助泊松比可推導(dǎo)出土壤的剪切模量和楊氏模量.GeoGauge重約10 kg，直徑28 cm，高25.4 cm.可通過其環(huán)形底座置放于土壤層面上.底座系直接壓在土層上，并通過橡膠隔離塊支撐整個(gè)剛度儀重量.在底座上部配有振動(dòng)器和傳感器，振動(dòng)器是作用于激勵(lì)底座振動(dòng)，傳感器是用于測定作用于底座上的力和底座沉降位移隨時(shí)間的變化.在對(duì)土層進(jìn)行測試時(shí)，可將GeoGauge放置于未經(jīng)處理或稍加處理的基層表面上，通常的做法是對(duì)剛度儀予以輕微向下施壓或轉(zhuǎn)動(dòng)，以取得底座和基層之間達(dá)到最小要求的60%接觸面積.對(duì)于特別硬或粗糙的層面可在底座下鋪設(shè)一層(＜10 mm)濕沙或當(dāng)?shù)丶?xì)料予以整平.

目前生產(chǎn)的GeoGauge不僅顯示測試數(shù)據(jù)，而且可將存儲(chǔ)全天測試數(shù)據(jù)(100個(gè))，數(shù)據(jù)可下載至計(jì)算機(jī)，以便于存檔可進(jìn)一步分析.GeoGauge借用了軍用技術(shù)，只需要較少的荷載，就能檢測出微小的位移量.GeoGauge所測量的并非是GeoGauge自身的重量引起的變形量，而是由激振力產(chǎn)生的微小變化所引起的微小變形量.由于土壤的變形量δ與環(huán)形底座外徑(R)、楊氏模量(E)、剪切模量(G)以及泊松比(ν)成正比.而剛度是力與位移之比:K=P/δ.GeoGauge所引起的土壤的應(yīng)力－應(yīng)變量系通過對(duì)路面、基床和基礎(chǔ)施加荷載(27.56 kPa)產(chǎn)生.如下式所示，只需要確定泊松比，就能由GeoGauge測量值確定楊氏模量和剪切模量.

圖1 土壤剛度儀(GeoGauge)Fig.1 Soil stiffness gauge(GeoGauge)

2 道路結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)結(jié)合浙江省某高速公路項(xiàng)目進(jìn)行，道路結(jié)構(gòu)為典型的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu).底基層厚40cm，基層厚30 cm，面層18 cm.底基層和基層均采用水泥穩(wěn)定碎石混合料，試驗(yàn)主要針對(duì)基層進(jìn)行，其級(jí)配見表1.

表1 水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配情況Tab.1 The gradation of the cement stabilized macadam

水泥用量采用常用的三種劑量，分別為4%、5%，6%.修建了分別長為100m的三段基層試驗(yàn)路.施工中采用的含水量比試驗(yàn)室得出的最優(yōu)含水量略低，現(xiàn)場試驗(yàn)檢測在攤鋪碾壓完成后馬上進(jìn)行.

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

分別布置4個(gè)測點(diǎn)在三段試驗(yàn)路(分別長100 m)上，測點(diǎn)間距為15 m，沿基層路面軸線位置布置.采用GeoGauge進(jìn)行剛度檢測，在基層攤鋪壓實(shí)后馬上進(jìn)行.基層采用塑料薄膜覆蓋和灑水養(yǎng)生7 d.每天進(jìn)行剛度檢測.測點(diǎn)位置用紅色油漆進(jìn)行標(biāo)注，保證每天測的是同一位置，而且每個(gè)測點(diǎn)分上下左右四個(gè)方向測量4次，取其平均值.每個(gè)試驗(yàn)段采用不同的人進(jìn)行剛度檢測，減少人為的誤差.試驗(yàn)的結(jié)果如圖2～4所示.

圖2 試驗(yàn)段1(4%水泥含量):基層剛度隨養(yǎng)生時(shí)間的變化Fig.2 No.1 test section(4%cement content):the base course stiffness variation with curing time

圖3 試驗(yàn)段2(5%水泥含量):基層剛度隨養(yǎng)生時(shí)間的變化Fig.3 No.2 test section(5%cement content):the base course stiffnessvariation with curing time

圖4 試驗(yàn)段3(6%水泥含量):基層剛度隨養(yǎng)生時(shí)間的變化Fig.4 No.3 test section(6%cement content):the base course stiffnessvariation with curing time

為了分析GeoGauge檢測數(shù)據(jù)對(duì)養(yǎng)生時(shí)間的敏感性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，三段試驗(yàn)路檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性見表2～4.

表2 試驗(yàn)段1試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.2 The test results of analysis of No.1 test section

從圖2～4可以明顯看出，在養(yǎng)生期間1～3 d內(nèi)(72 h以內(nèi))，基層剛度增長最為迅速，第1天增長速度最快，而在養(yǎng)護(hù)4～7 d期間(72～168 h)，基層剛度的增長速度明顯放慢，而且略有起伏，這與文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)論完全一致.從表2～4中可以看出，總體上，試驗(yàn)段2的檢測結(jié)果變異系數(shù)最大，多在11% ～24%之間，試驗(yàn)段3次之，試驗(yàn)段1最小，多在4% ～10%之間，這說明試驗(yàn)段1的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，可重復(fù)性最好.

表3 試驗(yàn)段2試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 The test results of analysis of No.2 test section

4 室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057－94)進(jìn)行.水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配與現(xiàn)場試驗(yàn)路一致，水泥含量也保持一致，分別為4%、5%和6%.抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生時(shí)間的變化如圖5所示.

圖5 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生時(shí)間變化圖Fig.5 Compressive strength variation with curing time

從上圖5可以明顯的看出，三種水泥含量的基層混合料在前三天，強(qiáng)度增長迅速，后期速度放緩;而且水泥含量越高，抗壓強(qiáng)度也越大.這與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映的強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致.

5 強(qiáng)度增長機(jī)理分析

對(duì)于如表1所示這種骨架密實(shí)型的水泥穩(wěn)定碎石混合料，其強(qiáng)度主要由骨料與骨料間的嵌擠作用所決定，其次是水化物與骨料之間的粘結(jié)作用.而水泥水化產(chǎn)物由水泥與骨料間的作用所決定，一旦級(jí)配選定其強(qiáng)度就主要決定于水泥水化產(chǎn)物.由于硅酸鹽水泥主要由四種礦物組成:硅酸三鈣(3Cao.SiO2，簡 C3S);硅酸二鈣(2Cao.SiO2，簡 C2S);鋁三鈣(3Cao.Al2O3，簡 C3A);鐵鋁酸四鈣(4Cao.AL2O3.Fe2O3.SiO2，簡 C4AF).其中 C3A、C3S反應(yīng)速度較快，且C3S是硅酸鹽水泥中最主要的礦物組分，含量一般在40%左右，故其水化產(chǎn)物對(duì)水泥早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度起主要作用;C3A雖含量不高，但反應(yīng)速度最快，其含量決定了水泥凝結(jié)速度和釋熱量，對(duì)水泥早期強(qiáng)度起一定作用;C2S在硅酸鹽水泥中的含量約為35%，亦為主要礦物，其遇水反應(yīng)速度最慢，水化熱也較低，故對(duì)水泥早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，但對(duì)水泥后期強(qiáng)度起著重要作用;C4AF通常含量為10%，遇水反應(yīng)較快，水化熱較高，但其強(qiáng)度較低，對(duì)抗彎拉強(qiáng)度起重要作用.正因?yàn)樗嗍炝现羞@四種礦物含量不同，水化速度不同，故水泥類基層材料在初期強(qiáng)度增長表現(xiàn)為較快，但以后強(qiáng)度增長則逐漸減慢.另外，同是水泥穩(wěn)定碎石材料，其強(qiáng)度增長規(guī)律雖相同，但骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的礦料嵌擠作用明顯，隨著水化速度的放慢，水化產(chǎn)物在強(qiáng)度增長中所貢獻(xiàn)的比例也越來越小，所以強(qiáng)度增長最快在前三天，后面強(qiáng)度增長幅度很小.

表4 試驗(yàn)段3試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.4 The test results of analysis of No.3 test section

6 結(jié)論

針對(duì)常用的半剛性基層材料—水泥穩(wěn)定碎石混合料，常用的級(jí)配—骨架密實(shí)型，常用的水泥含量—4%、5%和6%，進(jìn)行了早期(1～7 d)現(xiàn)場剛度檢測和室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于這種典型的水泥穩(wěn)定類材料，其強(qiáng)度的增長主要發(fā)生在1～3d，后期(4～7d)強(qiáng)度增長有限，并對(duì)這種強(qiáng)度增長規(guī)律進(jìn)行了分析，從而得出結(jié)論:對(duì)于骨架密實(shí)型的水泥穩(wěn)定碎石基層，養(yǎng)生期間，現(xiàn)場進(jìn)行合適的剛度檢測控制措施，不必等到7天以后才進(jìn)行下一道施工工序，一般養(yǎng)生3～4 d以后，就能滿足強(qiáng)度的要求，進(jìn)行下一施工，這樣就可以極大的縮短工期，減少施工成本.

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