水泥摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)指標(biāo)影響試驗(yàn)研究★

張 鵬 王立鵬 高天成

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

水泥穩(wěn)定碎石作為最主要的半剛性基層材料目前廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路建設(shè)中，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響道路的壽命。因此，針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石各項(xiàng)路用性能研究一直備受關(guān)注[1,2]。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量作為主要力學(xué)參數(shù)在工程質(zhì)量控制、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極其重要。學(xué)者圍繞這方面進(jìn)行了大量研究工作，在眾多影響因素(材料種類、水泥摻量、級(jí)配等)中發(fā)現(xiàn)：水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)參數(shù)受配合比影響較為顯著[3,4]。通過物理試驗(yàn)是獲取水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)的主要途徑，丁泓宇[5]通過大量室內(nèi)試驗(yàn)提出抗壓回彈模量隨水泥摻量增加呈線性增加，平均回彈模量每增加40%水泥劑量大約增加了0.5%。水泥摻量很少時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量與不摻水泥的級(jí)配碎石模量相差無幾。趙程飛[6]通過室內(nèi)物理試驗(yàn)指出隨著水泥劑量的增加，兩種類型骨架的水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)但增長(zhǎng)率因骨架結(jié)構(gòu)的不同而不一樣。較多的學(xué)者將研究重點(diǎn)放在水泥摻量對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石各指標(biāo)影響規(guī)律上，而對(duì)于指標(biāo)之間關(guān)系研究較少。本文通過室內(nèi)物理試驗(yàn)，研究無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等指標(biāo)隨水泥摻量的影響變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，分析無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量之間相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)由一種簡(jiǎn)單、易測(cè)指標(biāo)準(zhǔn)確推斷另一指標(biāo)的目的，為水泥穩(wěn)定碎石材料工程設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文基于骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)研究水泥摻量對(duì)力學(xué)指標(biāo)影響變化的一般性規(guī)律以及參數(shù)之間相關(guān)關(guān)系，制定以下具體研究方案：試驗(yàn)選用骨架密實(shí)型集料級(jí)配中值，水泥摻量選用5個(gè)水平(3.0%,3.5%,4.0%,4.5%,5.0%)，控制98%的壓實(shí)度、靜壓法成型相關(guān)圓柱型(試件直徑×高=150 mm×150 mm)，每組制得平行試塊13塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期，測(cè)試并分析7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90 d劈裂強(qiáng)度、90 d抗壓回彈模量與水泥摻量之間基本規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，分析90 d抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度關(guān)系比與水泥摻量之間相關(guān)關(guān)系。

2 原材料與試驗(yàn)

2.1 原材料分析

1)水泥。

試驗(yàn)水泥選用徐州某水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O42.5，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

2)集料。

試驗(yàn)所用粗、細(xì)集料產(chǎn)自徐州屬石灰?guī)r質(zhì)，集料的壓碎值檢測(cè)值為22.4%滿足規(guī)范[7]要求，其級(jí)配見表2。

表2 集料級(jí)配

試驗(yàn)用水為標(biāo)準(zhǔn)飲用水。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)集料級(jí)配與混合料配合比，按照J(rèn)TG E50—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[8]的規(guī)定選用丙類擊實(shí)方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，見圖1，分別確定不同水泥摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度和最佳含水量，見表3。

表3 各組最佳含水量、最大干密度匯總

組數(shù)擬合公式R2最佳含水量/%最大干密度g/cm3ay=-0.011 5x2+0.116x+2.168 30.995.02.460by=-0.006 9x2+0.053 3x+2.271 80.963.92.375cy=-0.007 5x2+0.057 2x+2.272 80.973.92.382dy=-0.009 8x2+0.084 1x+2.221 80.984.42.402ey=-0.010 5x2+0.089x+2.223 20.994.22.414

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)JTG E51—2009規(guī)范[8]要求對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在達(dá)到設(shè)計(jì)齡期前浸水24 h，放在CMT上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)，過程見圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水泥摻量與水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)參數(shù)影響分析

水泥摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間關(guān)系。

根據(jù)表4，繪制無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3表明：對(duì)于無外加劑的水泥穩(wěn)定碎石，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量呈現(xiàn)正線性相關(guān)趨勢(shì)，很好的驗(yàn)證了趙程飛[6]的觀點(diǎn)。水泥摻量越來越多則強(qiáng)度越易形成。即水泥摻量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。究其原因：水泥摻量很低時(shí)，水泥水化產(chǎn)生的混合物很少并且其自身的粘結(jié)力很小所以在級(jí)配碎石之間起到的聯(lián)結(jié)作用也就十分微弱。隨著水泥劑量的逐漸增加，水泥水化產(chǎn)生的混合物越來越多其自身粘結(jié)力增強(qiáng)并且能更好地充填水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部骨架的空隙，使結(jié)構(gòu)致密沒有軟弱面而自身完整性更好。從而宏觀的表現(xiàn)為隨著水泥摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度線性提高。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量量化關(guān)系式為：

Rc=2.04B-2.558(R2=0.99)。

2)劈裂強(qiáng)度與水泥摻量之間關(guān)系。

其實(shí)，何為“人渣”？人們都各有其標(biāo)準(zhǔn)和判斷。有說“人渣”就是社會(huì)敗類、人類渣滓、下腳料、爛到極點(diǎn)的“垃圾人”，就是自私自利、不擇手段、不顧他人、盡占便宜的“自私鬼”，就是無信無義、過河拆橋、恩將仇報(bào)、損人害友的“真小人”，就是不知廉恥、猥褻下流、道德敗壞、品質(zhì)惡劣的“小流氓”，就是虛頭巴腦、花里胡哨、云山霧罩、沒句實(shí)話的“白話蛋”；也有說就是文學(xué)形象中的潑皮牛二、王婆、阿Q以及戲劇中的婁阿鼠、刁小三等丑角，還有說就是方言說的慫懶奸饞壞的“狗食”、游手好閑不務(wù)正業(yè)的“二流子”、不明事理不講道理的“混蛋”、品行不良的“壞蛋”等等。以上這些或綜合或側(cè)重的解釋，也大都是從道德品行視角評(píng)判的。

根據(jù)表4，繪制劈裂強(qiáng)度與水泥摻量之間的關(guān)系曲線，見圖4。

圖4與圖3相比，可發(fā)現(xiàn)其規(guī)律和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系基本一致，劈裂強(qiáng)度隨著水泥摻量的提高而線性遞增，且斜率也幾近相同。這就意味著適當(dāng)增加水泥摻量可以明顯提高其劈裂強(qiáng)度。究其原因：水泥對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度的作用機(jī)理與其對(duì)無側(cè)限抗壓作用機(jī)理一樣，水泥劑量的增加導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈加致密其劈裂強(qiáng)度也就隨著水泥劑量的增加直線上升。劈裂強(qiáng)度與水泥摻量量化關(guān)系式為：

Ri=0.12B+0.332(R2=0.99)。

3)抗壓回彈模量與水泥摻量之間關(guān)系。

根據(jù)表4，繪制抗壓回彈模量與水泥摻量之間的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5表明：抗壓回彈模量與水泥摻量的關(guān)系類似以上兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)與水泥摻量的關(guān)系規(guī)律，隨水泥劑量的增加水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。究其原因：水泥水化后產(chǎn)物的作用機(jī)理對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度影響表現(xiàn)一樣。水化物存在使得水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部之間的物質(zhì)粘結(jié)力增強(qiáng)，宏觀的表現(xiàn)為抗壓回彈模量、抗壓強(qiáng)度以及劈裂強(qiáng)度的增加?？箟夯貜椖Ａ颗c水泥摻量量化關(guān)系式為：

Ec=137.7B+1 362.3(R2=0.98)。

3.2 劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量相關(guān)關(guān)系分析

通過此次大量的物理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：抗壓回彈Ec與劈裂強(qiáng)度比值與水泥摻量之間存在一定的線性關(guān)系，繪制它們之間的關(guān)系曲線，見圖6。

圖6表明，抗壓回彈模量與劈裂強(qiáng)度比值與水泥摻量的關(guān)系，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)其關(guān)系圖像與以上幾個(gè)關(guān)系圖像不同，隨水泥劑量的增加抗壓回彈模量與劈裂強(qiáng)度比值反而呈線性減小的趨勢(shì)。其量化表達(dá)為：

Ec/Ri=-326.44B+3 540.5(R2=0.95)。

由于試驗(yàn)的各種人為原因或自然因素，可能存在不同的差異，現(xiàn)對(duì)抗壓回彈模量與劈裂強(qiáng)度之比與水泥摻量的圖像進(jìn)行驗(yàn)證。付春梅等人[9]在研究水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能時(shí)，采用統(tǒng)一的水泥摻量為4%，測(cè)得90 d劈裂強(qiáng)度為0.697 MPa，同期的抗壓回彈模量為1 624 MPa，二者比值為2 330。對(duì)比關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)：從圖像中推出水泥摻量為4%時(shí)其對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)為2 270，與付春梅等人[9]實(shí)驗(yàn)值誤差僅為2.7%。曾夢(mèng)瀾等人[10]在研究水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能中，水泥摻量4%采用靜壓法成型的試樣90 d抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度分別為1 170 MPa，0.56 MPa二者比值為2 090與上圖對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)2 270相比誤差為-7.9%。在試塊無其他材料外加的情況，實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)系圖可以很好的驗(yàn)證水泥摻量與回彈模量與劈裂強(qiáng)度的比值之間關(guān)系，能夠達(dá)到知其二求其一的效果，對(duì)于實(shí)際水泥穩(wěn)定碎石的工程質(zhì)量起到一定參考作用。

4 結(jié)語

本文通過物理試驗(yàn)，基于骨架密實(shí)型級(jí)配，研究水泥摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量以及參數(shù)關(guān)系比之間影響規(guī)律，獲得以下結(jié)論：

1)抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量均隨著水泥摻量增加而線性增加；

2)抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度關(guān)系比與水泥摻量呈線性負(fù)相關(guān)；

3)通過抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度、水泥摻量三個(gè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，在實(shí)際工程中對(duì)于不易測(cè)得的指標(biāo)值可以通過已知的兩個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行推測(cè)預(yù)算，對(duì)于實(shí)際工程起到一定的參考作用有利于工程質(zhì)量的控制。