骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能及強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

王帥 沈細(xì)中 崔占偉 劉超

摘要：通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石（CSA）的力學(xué)性能進(jìn)行了探究，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)表現(xiàn)為基本一致的發(fā)展規(guī)律，其強(qiáng)度均為前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)速率逐漸降低，進(jìn)一步分析表明，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度表現(xiàn)為對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)規(guī)律，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間存在線性相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能增長(zhǎng)規(guī)律相關(guān)關(guān)系

中圖分類號(hào)：U415文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）05（a）-0000-00

Mechanical Properties and Strength Development Pattern of Skeletal Dense Cement Stabilized Aggregates

WANG Shuai1SHEN Xizhong2 CUI Zhanwei3LIU Chao4

（1.School of Architectural Engineering，Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous Region，830047 China;2.Yellow River Institute of Water Resources Science，Zhengzhou，Henan Province，450000 China;3.Research Institute Of Ministry Of Transport，Beijing，100020 China;4.Xinjiang Tongtai Municipal Engineering Materials Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous Region，830047 China）

Abstract：The mechanical properties of cement stabilized aggregates （CSA） were investigated through unconfined compressive strength and splitting strength tests， and the test results showed that the unconfined compressive strength and splitting strength showed a basically consistent development law with age， and their strengths both grew faster in the early stage and the growth rate gradually decreased in the later stage， and further analysis showed that the strength of cement stabilized aggregates showed a logarithmic growth law， and Further analysis showed that the strength of cement stabilized aggregates showed a logarithmic growth pattern， and there was a linear correlation between the unconfined compressive strength and the splitting strength.

Key Words：Cement stabilized aggregates;Mechanical properties;Growth law;Relatedrelationships

半剛性基層具有剛度大、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)是我國(guó)目前主要采用的路面結(jié)構(gòu)形式[1-2]，水泥穩(wěn)定碎石是中國(guó)道路中主要的半剛性基層材料，半剛性基層（底基層）材料的力學(xué)性能顯著地受其齡期的影響[3]，在施工期間由于不正確的施工和養(yǎng)護(hù)措施容易導(dǎo)致材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)脫節(jié)、在施工期產(chǎn)生了路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷等問(wèn)題，掌握水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及強(qiáng)度性能對(duì)于避免因養(yǎng)護(hù)齡期過(guò)短等問(wèn)題造成的道路損傷及道路壽命降低等問(wèn)題意義重大。

該文通過(guò)對(duì)骨架密實(shí)型級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律展開(kāi)探討，探尋了其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，以為更好的促進(jìn)道路的養(yǎng)護(hù)、施工與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)

1驗(yàn)材料及級(jí)配

1.1水泥與碎石

試驗(yàn)所用水泥為新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥;集料為石灰?guī)r，分為四檔，分別為：0-5mm（1#），5-10mm（2#），10-20mm（3#），20-30mm（4#）。

1.2級(jí)配設(shè)計(jì)

該文采用了規(guī)范JTGT F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》推薦的一種骨架密實(shí)配比進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，水泥采用外摻法摻加，水泥用量為4.5%，各檔料的質(zhì)量配比為1#：2#：3#：4#=25%：30%：20%：25%，級(jí)配曲線如圖1。

1.3擊實(shí)試驗(yàn)

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到的水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度為2.21g/cm3、最優(yōu)含水量為4.5%。

2力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖2為水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的曲線，由圖3可知，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加不斷增長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加逐漸減低。水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度主要由碎石間的相互嵌擠作用及水泥的水化作用膠凝作用產(chǎn)生[4-7]，當(dāng)試件成型后，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長(zhǎng)由水泥的水化的膠凝作用決定，水泥基材料的反應(yīng)分為結(jié)晶成核與晶體生長(zhǎng)（NG）、相邊界反應(yīng)（I）和擴(kuò)散（D）[7]，前期水化反應(yīng)在水泥顆粒表面進(jìn)行，水化反應(yīng)較快，隨著反應(yīng)進(jìn)行，水泥顆粒被水化產(chǎn)物包裹，未水化顆粒繼續(xù)反應(yīng)受阻，水化反應(yīng)很快由NG階段或I階段進(jìn)入D階段，反應(yīng)速率明顯下降[8]。因而，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長(zhǎng)表現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì)。

由圖2還可以看出，在養(yǎng)護(hù)齡期的前14天，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長(zhǎng)最快[9]，14天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度占90天齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（R14/R90）的71%，這表明加強(qiáng)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石前期尤其對(duì)前14天的養(yǎng)護(hù)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石后期整體強(qiáng)度的提高至關(guān)重要[10]。

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期進(jìn)行擬合，得到其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如下式：

S_t=2.148ln?（t）+1.085（1）

R2=0.946

由式1可知，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)為對(duì)數(shù)發(fā)展規(guī)律，擬合結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的結(jié)果基本一致

2.2劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

圖3為水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化曲線，其劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律基本相似，但劈裂強(qiáng)度的強(qiáng)度主要增長(zhǎng)階段主要在養(yǎng)護(hù)齡期的前28天，28天后劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸降低，因而按照劈裂強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護(hù)需要加強(qiáng)前28天的養(yǎng)護(hù)。由圖4可知，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本是劈裂強(qiáng)度的10倍，但在14天齡期時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為劈裂強(qiáng)度的12.1倍，這表明在7-14天齡期時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率顯著大于劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)率，在其它齡期時(shí)，兩者表現(xiàn)出基本一致的增長(zhǎng)率。

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度與齡期進(jìn)行擬合，得到其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如下式：

P_t=0.226ln?（t）+0.037（2）

R2=0.970

由式（2）可知，水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)表現(xiàn)為對(duì)數(shù)發(fā)展規(guī)律，表現(xiàn)出同無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相似的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。

2.3無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的與劈裂強(qiáng)度間的相關(guān)關(guān)系

水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系[6]，對(duì)本試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了水泥穩(wěn)定碎石與劈裂強(qiáng)度的表現(xiàn)為較強(qiáng)的線性相關(guān)性如下式，其擬合關(guān)系式如下：

P_t=0.1S_t-0.0439（3）

R2=0.931

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度表現(xiàn)出基本一致增長(zhǎng)規(guī)律，均隨齡期的增長(zhǎng)其增長(zhǎng)率逐漸降低，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在前14天增長(zhǎng)較快，劈裂強(qiáng)度在前28天增長(zhǎng)較快，之后強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩，綜合比較，水泥穩(wěn)定碎石尤其要加強(qiáng)前28天齡期的養(yǎng)護(hù)。

（2）水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期均表現(xiàn)為對(duì)數(shù)發(fā)展規(guī)律。

（3）水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間表現(xiàn)出較強(qiáng)的線性相關(guān)性。

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