滿別公路水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強度試驗研究

馬 強,張 鋒,張登峰

(1.錫林郭勒盟乾圖交通設(shè)計有限責任公司，錫林浩特 026000；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

建設(shè)中的國道331線滿都拉圖至別力古臺段公路一期工程，位于錫林郭勒盟蘇尼特左旗和阿巴嘎旗境內(nèi)，起點位于蘇尼特左旗滿都拉圖鎮(zhèn)西側(cè)，終點止于別力古臺鎮(zhèn)西側(cè)，路線全長118.2 km，采用一級公路標準建設(shè)，設(shè)計行車速度100 km/h，主線路面層結(jié)構(gòu)組合形式為：20 cm篩分碎石墊層+36 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+7 cm SBS改性瀝青混凝土下面層+5 cm SBS改性瀝青混凝土上面層。

《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20—2015)對水泥穩(wěn)定碎石基層配合比設(shè)計指標中的抗彎拉強度提出了要求[1]，雖然未明確具體的數(shù)值技術(shù)指標。由于水泥穩(wěn)定碎石屬于半剛性材料，其抗彎拉強度遠遠小于無側(cè)限抗壓強度，《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中抗彎拉強度的試驗方法有直接抗拉強度、間接抗拉強度和彎拉強度三種試驗方法[2]。該文通過非標準小梁試件的彎拉試驗來測定水泥穩(wěn)定碎石的抗彎拉強度，分別研究水泥劑量、養(yǎng)生齡期對水泥穩(wěn)定碎石彎拉強度的影響[3]，為該項目水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計試驗提供數(shù)據(jù)支撐，并為生產(chǎn)配合比驗證提供參考。

1 原材料性能

1.1 碎石集料

水泥穩(wěn)定碎石基層用集料采用蘇尼特右旗滿都拉圖建筑石料有限公司生產(chǎn)的花崗巖碎石，采用兩級破碎、兩級過土除雜工藝軋制，既保證基層集料的顆粒形貌符合要求，又從源頭管控母材料源及碎石生產(chǎn)流程，保證用料質(zhì)量。該項目基層碎石粒徑分為19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm等五種規(guī)格，經(jīng)檢測，基層碎石集料性能試驗結(jié)果如表1、表2所示。

表1 粗集料性能試驗結(jié)果

表2 細集料性能試驗結(jié)果

1.2 水泥

水泥穩(wěn)定碎石基層選用阿巴嘎旗冀東水泥廠的P.S.A32.5礦渣硅酸鹽水泥，其主要性能見表3，技術(shù)指標符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》礦渣硅酸鹽水泥性能要求。

表3 P.S.A32.5水泥試驗結(jié)果

1.3 水

水泥穩(wěn)定碎石的拌和用水采用當?shù)仫嬘盟琾H值7.1。

2 配合比優(yōu)化設(shè)計及混合料基本性能

2.1 配合比優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》對水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計要求，選用C-B-1號級配范圍作為該項目水泥穩(wěn)定碎石基層的配合比調(diào)整控制范圍[4]，以4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm三個篩孔為關(guān)鍵篩孔調(diào)整配合比，使4.75 mm通過率在級配范中值-4范圍內(nèi)，2.36 mm通過率在級配范中值-3范圍內(nèi)、0.075 mm通過率在級配中值-2范圍內(nèi)[5]。調(diào)整的基層合成級配見表4。

表4 集料篩分與合成級配

2.2 混合料體積性能與無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》重型擊實丙法，進行水穩(wěn)混合料擊實試驗，分別進行4.5%、5.0%、5.5%三個水泥劑量下的混合料擊實，確定出不同水泥劑量下混合料最大干密度和最佳含水量。再根據(jù)所確定的最大干密度和最佳含水量，分別成型無側(cè)限抗壓強度試件，試件壓實度按照98%控制，不同水泥劑量混合料重型擊實結(jié)果及7 d無側(cè)限抗壓強度見表5。

表5 重型擊實試驗及7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

2.3 彎拉強度試驗

2.3.1 試件成型、養(yǎng)生與試驗準備

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，采用輪碾壓實法成型尺寸為100 mm×100 mm×450 mm的梁板試件，壓實度按98%控制。成型時按照干密度和含水率分別計算不同水泥劑量下規(guī)定尺寸試件所需的混合料質(zhì)量，以質(zhì)量法來控制壓實度。試件碾壓至表面平整、密實，大致與試模頂面同高時為止。碾壓成型結(jié)束后，將表面用塑料膜覆蓋包裹嚴實，將試件連同試模用推車整體移入標養(yǎng)室(溫度20 ℃、濕度95%)養(yǎng)生15 d后拆模，拆模完成后將試件繼續(xù)留在標養(yǎng)室覆膜養(yǎng)生。試件養(yǎng)生到規(guī)定齡期后，用切割機將試件切割成40 mm×40 mm×200 mm的小梁試件[6]，試驗采用澳大利亞IPC公司生產(chǎn)的UTM-100材料試驗系統(tǒng)，三點彎曲加載模式。

2.3.2 彎拉強度試驗結(jié)果計算

三點彎曲加載水泥穩(wěn)定碎石小梁試件的彎拉強度按式(1)進行計算，不同水泥劑量下，標準養(yǎng)生齡期30 d和90 d的小梁試件彎拉強度結(jié)果見表6。

(1)

式中，Rs為彎拉強度，MPa；P為破壞極限載荷，N；L為有效跨徑，L=160 mm；b為試件寬度，b=40 mm；h為試件高度，h=40 mm。

表6 不同水泥劑量下試件30 d及90 d彎拉強度試驗結(jié)果

2.3.3 彎拉強度試驗結(jié)果分析

水泥劑量直接影響著水泥穩(wěn)定碎石基層的質(zhì)量和使用壽命，水泥劑量過低，易導(dǎo)致基層強度不足，結(jié)構(gòu)承載力差，網(wǎng)裂、坑槽、松散等早期損害頻繁；水泥劑量過高，基層強度偏高、剛度大，易引發(fā)收縮開裂，導(dǎo)致基層橫向裂縫頻發(fā)，嚴重的會影響路面使用壽命[7]。表5試驗結(jié)果表明，三種水泥劑量下基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強度分別為4.5 MPa、5.1 MPa和5.71 MPa，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》中高速、一級公路基層范圍控制在4.0～6.0 MPa的要求。

圖1為在(20±2)℃溫度下標準養(yǎng)生30 d和90 d，三種水泥劑量下試件的彎拉強度，圖2為在(20±2)℃溫度下標準養(yǎng)生30 d和90 d，三種水泥劑量下試件的彎拉強度變化趨勢。

1)由圖1彎拉強度試驗結(jié)果可以看出：4.5%水泥劑量下，水穩(wěn)試件30 d齡期和90 d齡期抗彎拉強度值分別為0.59 MPa和0.78 MPa，30 d齡期彎拉強度是90 d齡期的75.2%；5.0%水泥劑量下，水穩(wěn)試件30 d齡期和90 d齡期抗彎拉強度分別為0.78 MPa和0.93 MPa，30 d齡期彎拉強度是90 d齡期的83.7%；5.5%水泥劑量下，水穩(wěn)試件30 d齡期和90 d齡期抗彎拉強度分別為0.89 MPa和1.05 MPa，30 d齡期彎拉強度是90 d齡期的84.5%；說明水泥劑量越高，水穩(wěn)碎石的抗彎拉強度越大，且彎拉強度增長速率越快。

2)由圖2彎拉強度變化曲線結(jié)果可以看出：養(yǎng)生齡期相同(不論是30 d或者90 d)，彎拉強度隨著水泥劑量的增加而增加，且與水泥劑量的增加呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。說明，在一定的水泥用量范圍內(nèi)，提高水泥劑量能夠增強水穩(wěn)混合料的粘結(jié)性，增加基層結(jié)構(gòu)強度。

3 結(jié) 論

a.采用4.5%、5.0%及5.5%三種水泥劑量下基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強度分別為4.5 MPa、5.1 MPa和5.7 MPa，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》中高速、一級公路基層強度范圍控制在4.0～6.0 MPa的要求，實際施工過程中，可將水泥穩(wěn)定碎石基層的施工水泥劑量波動范圍控制在5.0%±0.3%之間。

b.隨著水泥劑量和養(yǎng)生齡期的增加，水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強度隨之增加，在相同養(yǎng)生齡期和標準養(yǎng)生溫度下，30 d齡期的4.5%水泥劑量彎拉強度為5.5%水泥劑量的56.2%，90 d齡期的4.5%水泥劑量彎拉強度為5.5%水泥劑量的74.3%。

c.水泥穩(wěn)定碎石彎拉強度與水泥劑量具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。說明在一定的水泥用量范圍內(nèi)，提高水泥劑量能夠增強水穩(wěn)混合料的粘結(jié)性，增加基層結(jié)構(gòu)強度。

d.非標準小梁試件和三點彎曲加載模式的彎拉試驗方法是可行的，試驗結(jié)果可作為水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計技術(shù)參數(shù)。

[1] JTG/T F20—2015,公路路面基層施工技術(shù)細則[S].北京:人民交通出版社，2009.

[2] JTG E51—2009,公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2009.

[3] 李玉華，徐 靜.水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強度的試驗分析[J].沈陽大學學報(自然科學版),2013，25(5)：403-406.

[4] JTG D50—2006,公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[5] 馬 強，王金財，張登峰.S101線抗裂型水穩(wěn)碎石基層配合比設(shè)計與施工技術(shù)[J].建材世界,2017，38(2)：39-43.

[6] 徐 靜.水泥穩(wěn)定碎石基層抗彎拉性能試驗研究[D]．大連：大連理工大學，2013.

[7] 曹德金，熊 浩.抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石基層的強度影響因素研究[J].公路工程，2013(2)：108-110.