低水泥含量級配碎石路用性能試驗研究

周軍霞

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，阜新 123000)

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低水泥含量級配碎石路用性能試驗研究

周軍霞

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，阜新 123000)

為研究低水泥摻量對級配碎石路用性能的影響，考慮1%、2%、3%和4%水泥摻量，進行7d無側限抗壓強度、承載比CBR、抗壓回彈模量以及溫縮、干縮系數(shù)等路用性能指標試驗，確定出低水泥含量級配碎石的最佳水泥摻量。結果表明：通過7d無側限抗壓強度指標確定最佳水泥摻量為3%，抗壓強度均為3.65MPa；3%低水泥含量級配碎石承載比CBR值為435.7%；3%低水泥含量級配碎石抗壓回彈模量為900.5MPa，與普通摻量回彈模量相比，降低了26.45%，有效提高基層韌性抑制反射裂縫擴展；3%低水泥含量級配碎石與普通水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮、干縮系數(shù)的發(fā)展趨勢相同，但3%低水泥含量級配碎石對溫度和濕度敏感性最弱。

低水泥級配碎石； 路用性能； 無側限抗壓強度； 抗壓回彈模量； 溫縮系數(shù)； 干縮系數(shù)

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟騰飛，以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，瀝青路面在公路建設中得到前所未有的高速發(fā)展。我國瀝青路面一直推崇“強基薄面”的理念，通過面層厚度的減薄以達到降低造價的目的，其中最具代表性的是水泥穩(wěn)定級配碎石半剛性基層瀝青路面，已占到我國已建成公路的90%以上[1,2]。然而水泥穩(wěn)定級配碎石半剛性基層自身存在缺陷，目前對于水泥穩(wěn)定級配碎石半剛性基層的研究，常規(guī)的水泥摻量為4%～6%，能夠獲得較高的強度，但易受季節(jié)變化(溫縮、干縮)產(chǎn)生反射裂縫，致使路面的平整度降低，且季節(jié)變化帶來的水分易滲入到面層結構中，進一步加速基層承載能力的劣化[3-6]。故迫切需要探索低水泥含量的級配碎石來解決半剛性基層的這一難題，既能保證具有足夠承載能力，又能消除半剛性基層產(chǎn)生裂縫的問題。為了研究低水泥含量改性級配碎石的路用性能，考慮1%、2%、3%和4%的水泥摻量，進行7d無側限抗壓強度、承載比CBR、抗壓回彈模量以及溫縮、干縮系數(shù)等路用性能指標試驗，分析確定出低水泥含量級配碎石的最佳水泥摻量。

2 試 驗

2.1 原材料

水泥采用阜新市大鷹水泥制造有限公司生產(chǎn)的“阜鷹山”牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥，其主要性質指標見表1；集料采用阜新當?shù)厮槭饕阅苤笜艘姳?；采用普通自來水。

表1 水泥物理力學性能

表2 集料性能

2.2 低水泥級配碎石配比

結合規(guī)范和長安大學推薦的級配范圍以及現(xiàn)有的研究成果，利用篩分試驗得到的篩分數(shù)據(jù)進行配合比設計，具體配比情況詳見表3。水泥摻量分別取為1%、2%、3%、4%，按照T0804-94《無機結合料穩(wěn)定土的擊實試驗方法》，得到了與之相應低水泥級配碎石的最大干密度分別為2.487g/cm3、2.418g/cm3、2.383g/cm3、2.368g/cm3，最佳含水率分別為4.67%、4.75%、5.41%、5.63%。

表3 集料篩分配比

2.3 試驗方法

為研究低水泥含量級配碎石的路用性能情況，主要分析指標為7d無側限抗壓強度(試件規(guī)格φ150mm×150mm、養(yǎng)生控制溫度(25±2) ℃)、承載比CBR(試件規(guī)格φ152mm×170mm)、回彈模量(試件規(guī)格φ150mm×150mm)、溫、干縮系數(shù)(試件規(guī)格100mm×100mm×150mm)等，水泥摻量主要為1%、2%、3%和4%，各指標的具體試驗方法詳見JTGE51-2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[10]。

3 結果與討論

3.1 無側限抗壓強度分析

依照規(guī)程[10]中無機結合料穩(wěn)定材料無側限抗壓強度試驗方法(T0805-2009)的規(guī)定進行7d無側限抗壓強度試驗，其結果如圖1所示。

結合圖1和JTGD50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》[11]對不同交通等級下基層強度的要求分析可知，水泥摻量1%的基層材料水泥含量較低，強度也相應降低，沒有達到輕交通規(guī)定強度范圍2.5～3.5MPa。摻量2%低水泥級配碎石的7d無側限抗壓強度為2.67MPa，滿足輕交通要求。只有3%低水泥級配碎石的7d無側限抗壓強度為3.65MPa，滿足特重交通強度3.5～4.5MPa，以及重、中交通強度3～4MPa的要求。其中4%摻量水泥級配碎石屬于常規(guī)水泥穩(wěn)定級配碎石的范疇(水泥摻量≥4%)。因在試驗路段要滿足重、中交通量等級的要求，故在其他研究指標中著重分析3%低水泥含量級配碎石和4%普通水泥穩(wěn)定級配碎石。

圖1 7 d無側限抗壓強度Fig.1 7 d unconfined compressive strength

圖2 不同水泥摻量級配碎石CBR值Fig.2 CBR value of different cement content graded crushed stone

3.2 承載比(CBR)分析

依照JTGE40-2007《公路土工試驗規(guī)程》[12]中承載比CBR試驗(T0134-1993)的規(guī)定進行CBR值測定，其結果如圖2所示。

從圖2觀察可知，3%低水泥含量的級配碎石CBR值為435.7%， 4%普通水泥含量級配碎石CBR值為491.9%，均能夠滿足試驗路段的標準。水泥摻量增加1%，與之相應的承載比CBR增量為56.2%，普通級配碎石一旦加入少量水泥，即可顯著提高其抵抗變形的能力。

3.3 回彈模量分析

依照規(guī)程[10]中無機結合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗方法(T0808-1994)規(guī)定進行回彈模量測定試驗，其結果如圖3所示，養(yǎng)生時間對抗壓回彈模量影響情況如圖4所示。

從圖3觀察可知，3%低水泥含量的級配碎石抗壓回彈模量值為900.5MPa，4%水泥含量級配碎石(普通水泥穩(wěn)定級配碎石)抗壓回彈模量值為1224.4MPa，與常規(guī)水泥穩(wěn)定級配碎石相比較，水泥摻量降低1%，抗壓回彈模量下降26.45%，且3%低水泥級配碎石抗壓回彈模量滿足JTGD50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》[11]中的規(guī)定。

從圖4分析可知，3%低水泥級配碎石、4%常規(guī)水泥穩(wěn)定級配碎石抗壓彈性模量與養(yǎng)生齡期具有相似的發(fā)展趨勢。養(yǎng)生初期(7～14d)抗壓回彈模量值相對較小，這是因水化反應剛剛開始，由水化反應而產(chǎn)生出膠凝材料的數(shù)量不能使混合料變成一個整體。隨混合料中水化反應推進，膠結物也逐漸生成，混合料顆粒彼此間連接也漸漸變強，模量隨養(yǎng)生齡期也顯著升高。隨養(yǎng)生齡期不斷增加，水化反應接近完全，膠結物的生成數(shù)量在不停下降，模量增長趨勢卻接近平穩(wěn)。

圖3 不同水泥摻量級配碎石回彈模量 Fig.3 Resilient modulus of different cement content graded crushed stone

圖4 不同養(yǎng)生齡期低水泥級配碎石回彈模量Fig.4 Resilience modulus of low cement graded crushed stone in different curing age

3.4 收縮性能分析

3.4.1 溫縮系數(shù)

依照規(guī)程[10]中無機結合料穩(wěn)定材料溫縮試驗方法(T0855-2009)規(guī)定進行溫縮系數(shù)測定，其結果如圖5所示。

從圖5分析可知，水泥摻量越多，試件隨溫度變化收縮變形越大，因而4.0%水泥摻量的混合料更容易產(chǎn)生溫縮變形。3%低水泥級配碎石材料應對溫度變化較小，其特有的骨架密實型結構能夠有效抵消部分溫度應力，抑制因溫度變化引起的變形[4-5]。

圖5 溫縮系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.5 Curve of temperature shrinkage coefficient changing with temperature

圖6 干縮系數(shù)隨時間變化曲線Fig.6 Curve of drying shrinkage coefficient changing with time

3.4.2 干縮系數(shù)

依照規(guī)程[10]中無機結合料穩(wěn)定材料干縮試驗方法(T0854-2009)的規(guī)定進行干縮試驗，其結果情況如圖6所示。

從圖6分析可知，在養(yǎng)生時間2～8h范圍時，在不同水泥摻量下干縮系數(shù)與養(yǎng)生時間呈現(xiàn)負相關的關系，顯著性表現(xiàn)為4.0%水泥摻量<3%水泥摻量，2d時4.0%水泥摻量獲得了最大干縮系數(shù)為92.58×10-6，8d時3%低水泥摻量獲得了最小干縮系數(shù)為51.44×10-6；在養(yǎng)生時間8～72h范圍時，在不同水泥摻量下干縮系數(shù)與養(yǎng)生時間呈現(xiàn)正相關的關系，其顯著性表現(xiàn)為4.0%水泥摻量>3%水泥摻量，在72h時4.0%水泥摻量獲得了最大干縮系數(shù)為105.47×10-6，3.0%水泥摻量最大干縮系數(shù)為100.48×10-6。主要是因試件內(nèi)部水分與水泥發(fā)生化學反應和自身水分蒸發(fā)作用等，導致試件含水率逐漸減小，致使因水分丟失產(chǎn)生毛細、水泥礦物等反應產(chǎn)生膠體的分子作用產(chǎn)生試件內(nèi)部結構干縮現(xiàn)象[13]。

4 結 論

(1)根據(jù)7d無側限抗壓強度指標，確定符合試驗路段低水泥含量級配碎石的最佳水泥用量為3%，抗壓強度均值為3.65MPa，普通水泥穩(wěn)定碎石為3.63MPa，抗壓強度優(yōu)于普通型；

(2)通過承載比(CBR)試驗，得到了3%低水泥含量級配碎石CBR值為435.7%，符合規(guī)范要求，滿足試驗路建設指標；

(3)通過回彈模量試驗，獲得3%低水泥含量級配碎石回彈模量均值為900.5MPa，低于普通水泥穩(wěn)定碎石1224.4MPa，有效減少了基層模量、提高基層韌性抑制反射裂縫產(chǎn)生；

(4)通過干縮、溫縮試驗，獲得3%低水泥含量級配碎石在試驗中溫縮量、干縮量變化趨勢與4%普通水泥穩(wěn)定碎石材料基本相同，但收縮量明顯小于普通水泥穩(wěn)定碎石材料，能夠很好地降低溫度、濕度對基層的變形影響。

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[12] 交通部公路科學研究院主編.JTGE40-2007,《公路土工試驗規(guī)程》[S].

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Experimental Study on Road Performance of Low-CementGraded Crushed Stone

ZHOU Jun-xia

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Inordertoexploretheeffectsoflow-contentcementontheroadperformanceofgradedcrushedstone,theroadperformanceindextestswhichwere7dunconfinedcompressivestrength,CBR,resiliencemodulus,temperatureshrinkagecoefficientanddryingshrinkagecoefficient,werecarriedoutconsideringdifferentcementcontentsof1%,2%,3%and4%.Determinetheoptimumcementcontentofthelow-contentcementgradedcrushedstone.Theresultsrevealthattheoptimumcementcontentis3%throughthe7dunconfinedcompressivestrengthindex,andthecompressivestrengthis3.65MPa.TheCBRvalueofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneis435.7%.Theresilientmodulusofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneis900.5MPa,whichisreducedby26.45%comparedwiththatoftheordinarycementgradedcrushedstone,anditeffectivelyimprovesthebasictoughnesstosuppressreflectioncrackgrowth.Temperatureshrinkagecoefficientanddryshrinkagecoefficientofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneandordinarycementstabilizedgradedcrushedstonehavethesamedevelopmenttendency,butthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneisleastsensitivetothetemperatureandhumidity.

low-cementgradedcrushedstone;roadperformance;unconfinedcompressivestrength;resiliencemodulus;temperatureshrinkagecoefficient;dryingshrinkagecoefficient

遼寧省教育廳一般項目(L2014136)

周軍霞(1980-)，女，博士，講師.主要從事道路工程等方面研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4292-05