低水泥含量級(jí)配碎石凍脹特性試驗(yàn)研究

周軍霞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院,阜新 123000)

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低水泥含量級(jí)配碎石凍脹特性試驗(yàn)研究

周軍霞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院,阜新 123000)

基于凍脹試驗(yàn), 探究了低水泥含量級(jí)配碎石在不同低水泥摻量與負(fù)養(yǎng)護(hù)溫度條件下凍脹率、質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的劣化特性。結(jié)果表明：在不同低水泥摻量與負(fù)溫度條件下，低水泥含量級(jí)配碎石的凍脹率特性有相似的變化趨勢(shì)；低水泥含量級(jí)配碎石的質(zhì)量損失率與凍脹循環(huán)數(shù)呈正相關(guān)，其顯著性表現(xiàn)：2.0%低水泥摻量>3.0%低水泥摻量>4.0%普通水泥摻量，相應(yīng)最大質(zhì)量損失率量值分別為20.09%、2.75%、1.33%；通過回歸分析，確定出抗壓強(qiáng)度損失率與低水泥摻量相關(guān)性表現(xiàn)為二次函數(shù)的關(guān)系。綜合凍脹環(huán)境中各指標(biāo)劣化特性的分析，確定出低水泥含量級(jí)配碎石的最佳水泥摻量為3.0%。

低水泥含量級(jí)配碎石； 凍脹試驗(yàn)； 抗壓強(qiáng)度； 凍脹率； 質(zhì)量損失率

1 引 言

目前我國(guó)瀝青路面一直推崇“強(qiáng)基薄面”的理念，通過面層厚度的減薄以達(dá)到降低造價(jià)的目的，其中最具代表性的是水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層瀝青路面，已占到我國(guó)已建成公路的90%以上[1]。然而現(xiàn)階段水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層的常規(guī)水泥摻量范圍為4%～6%，能夠滿足不同交通等級(jí)的強(qiáng)度要求，但是容易產(chǎn)生不同形式的反射裂縫，致使路面結(jié)構(gòu)使用壽命降低[2]。因此提出采用低水泥含量的級(jí)配碎石，水泥摻量控制在4%以下，但是在東北季節(jié)性凍土區(qū)，具有春夏季節(jié)融化、秋冬季節(jié)凍結(jié)的特征，且地下水與雨水豐潤(rùn)，很容易發(fā)生凍脹與融沉現(xiàn)象[3-5]。對(duì)于普通水泥級(jí)配碎石凍脹特性的研究較多[6-9]，而在季凍區(qū)低水泥含量級(jí)配碎石凍脹特性方面的研究較為少見。本文通過凍脹試驗(yàn)，考慮不同低水泥摻量(2%、3%及4%)和負(fù)養(yǎng)護(hù)溫度(-6 ℃、-12 ℃及-18 ℃)下凍脹率的變化特性，以及凍脹環(huán)境下質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度的損失特性，綜合分析確定出滿足季凍區(qū)要求的低水泥含量級(jí)配碎石最佳水泥摻量。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

(1)水泥采用“阜鷹山”牌P·O32.5R普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1；(2)集料采用阜新本地碎石，其性能指標(biāo)見表2；(3)普通自來水。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 集料性能

2.2 低水泥級(jí)配碎石配比

結(jié)合規(guī)范[10-11]和長(zhǎng)安大學(xué)推薦的級(jí)配范圍[12-13]等現(xiàn)有研究成果，利用篩分試驗(yàn)得到的篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，具體配比情況詳見表3。低水泥摻量分別取為2.0%、3.0%，取4.0%水泥摻量作為與普通水泥級(jí)配碎石的對(duì)比試驗(yàn)組，依據(jù)規(guī)程[14]中關(guān)于無(wú)機(jī)結(jié)合料的擊實(shí)試驗(yàn)方法，得到了相應(yīng)低水泥級(jí)配碎石的最大干密度分別為2.418g/cm3、2.383g/cm3、2.368g/cm3，最佳含水率分別為4.75%、5.41%、5.63%。

表3 集料篩分配比

2.3 試驗(yàn)方法

為分析在凍脹試驗(yàn)環(huán)境中低水泥含量級(jí)配碎石各指標(biāo)的劣化特性，主要指標(biāo)分別為抗壓強(qiáng)度(φ150mm×150mm)、質(zhì)量損失率(100mm×100mm×100mm)及在不同低水泥摻量(2.0%、3.0%、4.0%)和不同負(fù)溫度(-6 ℃、-12 ℃及-18 ℃)下低水泥含量級(jí)配碎石的凍脹率(φ100mm×300mm)。

2.3.1 質(zhì)量損失率

將制作好并進(jìn)行28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)好的100mm×100mm×100mm試件，在凍脹試驗(yàn)進(jìn)行之前全部進(jìn)行放到烘干箱中烘干，取出稱重，再將全部試件放到裝有水的水桶中，確保桶中的水完全浸沒試件頂部約5mm，再將水桶放到低溫試驗(yàn)箱中，設(shè)置-18 ℃的時(shí)間為12h，融化為6h，為一個(gè)循環(huán)，共計(jì)進(jìn)行9次大循環(huán)，且每3個(gè)大循環(huán)進(jìn)行一次烘干、稱重，同步進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算出與之相應(yīng)的質(zhì)量損失率。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

與質(zhì)量損失率的試樣方法相同，只是試件規(guī)格不同，測(cè)定的指標(biāo)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算出其在凍脹環(huán)境下的強(qiáng)度損失率。

2.3.3 凍脹率

將制作好并進(jìn)行28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)好的φ100mm×300mm試件，全部放入到特制鐵皮桶中，并加水將其試件頂部淹沒5mm，在規(guī)定的負(fù)溫度下進(jìn)行低溫凍脹試驗(yàn)，在試件頂部加裝百分表，測(cè)定其試件高度變化，進(jìn)而計(jì)算去其凍脹率，測(cè)定頻率為1次/h。

3 結(jié)果與討論

3.1 凍脹率

3.1.1 不同低水泥摻量條件下級(jí)配碎石

為分析低水泥摻量對(duì)級(jí)配碎石凍脹特性的影響，通過對(duì)不同水泥摻量條件下級(jí)配碎石的凍脹試驗(yàn)，具體凍脹率變化情況如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量下級(jí)配碎石凍脹曲線Fig.1 The frost heave curve of graded crushed stone under different cement content

從圖1分析可知，在凍脹0～4h范圍時(shí)，不同水泥摻量條件下級(jí)配碎石產(chǎn)生一定程度上收縮變形，2.0%低水泥摻量級(jí)配碎石收縮率最大，大小為0.055%，依次分別為3.0%低水泥摻量級(jí)配碎石收縮率0.043%、4.0%低水泥摻量級(jí)配碎石收縮率0.037%；在凍脹4～10h范圍時(shí)各水泥摻量下級(jí)配碎石的收縮變形逐漸減小，開始迅速產(chǎn)生膨脹變形，主要是因水逐漸向試件空隙中滲透，試件含水率達(dá)到一定程度時(shí)就發(fā)生凍脹現(xiàn)象，在膨脹變形初期，低水泥含量級(jí)配碎石變形速率顯著性表現(xiàn)為2.0%低水泥摻量>4.0%普通水泥摻量>3.0%低水泥摻量；在凍脹10～16h區(qū)間內(nèi)，各水泥摻量級(jí)配碎石的凍脹變形率均達(dá)到峰值，且都處于平穩(wěn)的發(fā)展趨勢(shì)，水泥摻量與凍脹變形率呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，其顯著性表現(xiàn)為：2.0%低水泥摻量>3.0%低水泥摻量>4.0%普通水泥摻量，相應(yīng)的量值為0.322%、0.255%、0.213%。

3.1.2 不同負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石

圖2 不同負(fù)溫度下低水泥級(jí)配碎石凍脹曲線Fig.2 The frost heave curve of low-cement graded crushed stone under different negative temperatures

通過對(duì)不同凍脹負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石的凍脹試驗(yàn)，得到了在相同水泥摻量(2.0%、3.0%及4.0%)不同負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石的凍脹率如圖2所示。

從圖2分析可知，在相同的低水泥摻量條件下，不同負(fù)溫度對(duì)應(yīng)的凍脹率曲線具有相似的變化趨勢(shì)。在初期4～8h時(shí)間內(nèi)，各個(gè)負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石均達(dá)到了最大收縮率，最大收縮率均在0.003%～0.055%范圍內(nèi)波動(dòng)；在中期4～11h范圍內(nèi)，各負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石均陡增至各自的最大凍脹率；在末期10～16h范圍時(shí)，各負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石的最大凍脹率均發(fā)展平緩，趨于穩(wěn)定。綜合圖1和圖2分析可知，3.0%低水泥摻量級(jí)配碎石與4.0%普通水泥含量級(jí)配碎石的凍脹性能相近，能夠滿足試驗(yàn)路段的要求，故可以將3.0%水泥摻量作為低水泥含量級(jí)配碎石的最佳摻量。

3.2 質(zhì)量損失率

通過對(duì)不同水泥摻量條件下低水泥含量級(jí)配碎石進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，得到了在-18 ℃條件下不同水泥摻量級(jí)配碎石的質(zhì)量變化率如圖3所示。

從圖3分析可知，低水泥含量級(jí)配碎石的質(zhì)量損失率與凍脹循環(huán)數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，其顯著性表現(xiàn)為2.0%低水泥摻量>3.0%低水泥摻量>4.0%普通水泥摻量，與之相應(yīng)的最大質(zhì)量損失率量值分別為20.09%、2.75%、1.33%。3.0%低水泥摻量級(jí)配碎石與4.0%普通水泥級(jí)配碎石的質(zhì)量損失率相近，且都能滿足試驗(yàn)路段規(guī)定的要求，表明采用3.0%低水泥摻量級(jí)配碎石替代普通水泥級(jí)配碎石在凍脹環(huán)境中質(zhì)量損失率方面達(dá)標(biāo)。

圖3 不同凍脹循環(huán)數(shù)下低水泥級(jí)配碎石質(zhì)量損失率Fig.3 The mass loss ratio of low-cement graded crushed stone under different cycle numbers of frost heaving

圖4 凍脹條件下低水泥級(jí)配碎石抗壓強(qiáng)度損失率Fig.4 The strength loss rate of low-cement graded crushed stone under different frost heave

3.3 抗壓強(qiáng)度損失率

通過對(duì)不同水泥摻量條件下低水泥含量級(jí)配碎石進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，得到了在-18 ℃條件下不同水泥摻量級(jí)配碎石的抗壓強(qiáng)度損失率情況如圖4所示。

從圖4分析可知，2.0%與3.0%低水泥摻量在未進(jìn)行凍脹試驗(yàn)條件下級(jí)配碎石的抗壓強(qiáng)度分別為2.67MPa、3.65MPa，只有3.0%低水泥摻量的強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范規(guī)定[11]的特重交通強(qiáng)度3.5～4.5MPa的要求，4.0%普通水泥級(jí)配碎石強(qiáng)度3.63MPa也滿足要求，但在凍脹試驗(yàn)環(huán)境中，3.0%低水泥摻量的強(qiáng)度降為3.18MPa，4.0%普通水泥級(jí)配碎石強(qiáng)度降為3.03MPa，依然能滿足要求，故將3.0%低水泥摻量作為低水泥含量級(jí)配碎石的最佳摻量。凍脹試驗(yàn)環(huán)境中，抗壓強(qiáng)度損失率與低水泥含量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，利用Origin軟件對(duì)凍脹條件下的強(qiáng)度損失率與水泥摻量進(jìn)行回歸分析，具體結(jié)果詳見表4所示。

通過對(duì)表4擬合結(jié)果分析可知，從相關(guān)系數(shù)R2方面來分析，相關(guān)程度都較好，且其相關(guān)顯著性為二次擬合函數(shù)>Exp2P函數(shù)>線性擬合函數(shù)，故擬合程度最好的為二次擬合函數(shù)；從殘差平方和RSS方面來說，其RSS值越小，表明函數(shù)擬合程度就越優(yōu)越，其優(yōu)越性表現(xiàn)為二次擬合函數(shù)(Quadraticfunction)>Exp2P函數(shù)>線性擬合函數(shù)(Linearfunction)。綜合上述兩方面數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析可知，確定出低水泥摻量與凍脹環(huán)境下低水泥含量級(jí)配碎石的抗壓強(qiáng)度損失率表現(xiàn)為二次擬合函數(shù)的關(guān)系。

表4 Origin對(duì)低水泥摻量級(jí)配碎石抗壓強(qiáng)度損失率回歸分析

注：x-低水泥摻量百分比，%；y-無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率，%。

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)不同水泥摻量與負(fù)溫度條件下低水泥含量級(jí)配碎石凍脹率分析，3.0%水泥摻量作為低水泥含量級(jí)配碎石的最佳摻量，凍脹試驗(yàn)環(huán)境下低水泥含量級(jí)配碎石的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率也驗(yàn)證了這一結(jié)果；

(2)低水泥含量級(jí)配碎石的質(zhì)量損失率與凍脹循環(huán)數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，其顯著性表現(xiàn)為2.0%低水泥摻量>3.0%低水泥摻量>4.0%普通水泥摻量，相應(yīng)最大質(zhì)量損失率量值分別為20.09%、2.75%、1.33%；

(3)通過對(duì)凍脹條件下強(qiáng)度損失率與低水泥摻量回歸分析，確定出低水泥摻量與抗壓強(qiáng)度損失率相關(guān)性表現(xiàn)為二次擬合函數(shù)的關(guān)系，函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為：y=8.61-0.375x+0.595x2。

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Experimental Study on Frost Heaving Behaviors of Low-cementGraded Crushed Stone

ZHOU Jun-xia

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,LiaoningTechnologyUniversity,Fuxin123000,China)

Inordertostudydeterioratecharacteristicsofindexesoflow-cementgradedcrushedstoneunderdifferentlow-cementcontentandnegativecuringtemperatures,whichincludingfrostheavingratio,massandcompressivestrength,basedonfrostheavingtest.Thetestresultshowsthatunderdifferentlow-cementcontentandnegativecuringtemperatures,thefrostheavingbehaviorsoflow-cementgradedcrushedstonehavethesimilartrends.Therelationshipbetweenmasslossratiooflow-cementgradedcrushedstoneandcyclenumbersoffrostheavingispositive,andthesignificantstrengthis2.0%low-cementcontent>3.0%low-cementcontent>4.0%ordinarycementcontent,correspondingtothemaximummasslossrateis20.09%, 2.75%and1.33%.Therelationshipbetweencompressivestrengthlossrateandlow-cementcontentisquadraticfunctionrelationbyregressionanalysis.Theoptimumcementcontentoflow-cementgradedcrushedstoneis3.0%basedoncomprehensiveanalysisondeterioratecharacteristicsofindexesinthefrostheavingenvironment.

low-cementgradedcrushedstone;frostheavingtest;compressivestrength;frostheavingratio;masslossratio

國(guó)家自然科學(xué)基金(51504125)；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L2014136)

周軍霞(1980-)，女，講師，博士研究生.主要從事道路工程等方面研究.

U214.1；U

A

1001-1625(2016)12-4272-05