低劑量水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)參數(shù)試驗研究

■陳 捷

(福建南平路橋養(yǎng)護工程有限公司，南平 353000)

0 前言

當(dāng)前我國瀝青混凝土路面基層常用材料主要是二灰穩(wěn)定類和水泥穩(wěn)定類材料，因其強度和剛度介于剛性基層(水泥混凝土和貧混凝土)和柔性基層(級配碎石)之間，所以被稱為半剛性基層[1]。長期以來，半剛性基層材料以強度高、穩(wěn)定性好、板體性好以及可就地取材等優(yōu)點，滿足了公路經(jīng)濟與技術(shù)方面的要求。但在優(yōu)點的背后也存在一些致命的缺陷：由于其剛度過大，實際上成為脆性材料，在重載作用下瀝青混凝土面層內(nèi)會出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力[2]，極易發(fā)生車轍等變形破壞；對溫度、濕度很敏感，所以在使用過程中會因溫度與濕度的變化產(chǎn)生溫縮、干縮裂縫，進而在荷載作用下基層裂縫會快速擴展到面層形成反射裂縫破壞路面的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了瀝青路面的服役壽命?？梢姡雱傂曰鶎訛r青路面往往并非因為疲勞性荷載作用導(dǎo)致基層材料或面層材料破壞，而是因各類早期病害而無奈進行大中修。

近年來，為了減少瀝青路面車轍病害和反射裂縫病害，采用了很多技術(shù)手段，如加厚瀝青面層、開發(fā)抗車轍材料、設(shè)置抗裂層等等[3]。這些手段雖然起到了一定程度的路用性能提升作用，但是往往需要較多的經(jīng)濟投入，對于公路建設(shè)尤其是干線公路建設(shè)，其性價比是很低的。低劑量水泥穩(wěn)定碎石(水泥含量一般不高于4%)由于水泥劑量使用較少，一方面其干縮、溫縮性能有本質(zhì)性的改變，可大大降低瀝青路面反射裂縫病害的產(chǎn)生[4-5]；另一方面其力學(xué)性能將有所改變，進而影響到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)特性，使得瀝青面層剪應(yīng)力大大降低，從結(jié)構(gòu)角度優(yōu)化了路面抗車轍性能[6]。低劑量水泥穩(wěn)定碎石基層在我國已然表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，且目前包括福建省在內(nèi)的多個省份都對低劑量水穩(wěn)基層有不斷的應(yīng)用探究[7]。

然而，隨著新瀝青路面設(shè)計規(guī)范的頒發(fā)，關(guān)于水穩(wěn)基層材料的設(shè)計參數(shù)有所變化，所以對低劑量水穩(wěn)基層材料力學(xué)參數(shù)需要重新認(rèn)識，以便更好地設(shè)計低劑量水穩(wěn)基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。鑒于此，本文從低劑量水穩(wěn)基層材料力學(xué)參數(shù)入手，室內(nèi)試驗研究其強度特性和模量特性，以期豐富低劑量水穩(wěn)基層材料的設(shè)計參數(shù)及驗證低劑量水泥穩(wěn)定碎石的適用性。

1 低劑量水泥穩(wěn)定碎石組成設(shè)計

(1)水泥

水泥選用32.5級普通硅酸鹽水泥，初凝時間為280min，終凝時間為380min，3d抗壓強度為3.3MPa，3d抗折強度為1.5MPa。

(2)集料

粗集料為石灰?guī)r碎石，分為四檔：19.0mm～31.5mm、9.5mm～19.0mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm，各項檢測指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)各規(guī)格集料的篩分結(jié)果，按照《公路路面基層施工試驗規(guī)范》(JTJ 034-2000)水泥穩(wěn)定碎石基層混合料級配范圍，設(shè)計得出集料試驗配合比見表1。

表1 混凝土礦料設(shè)計級配

(3)水

實驗所用水為飲用水。

(4)擊實試驗

配合比設(shè)計選擇2%、3%、4%、5%三種水泥劑量進行標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗確定各組混凝土的最佳含水量和最大干密度，見表2。

表2 混凝土組成設(shè)計指標(biāo)

2 試驗結(jié)果與分析

(1)無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度是水泥穩(wěn)定碎石的重要力學(xué)性能，反映了水泥穩(wěn)定碎石抵抗壓應(yīng)力作用的能力，是進行水穩(wěn)碎石組成設(shè)計的重要指標(biāo)，公路瀝青路面設(shè)計新、舊規(guī)范(2006版和2017版)[8-9]中均將7d無側(cè)限抗壓強度指標(biāo)作為水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)參數(shù)，只是兩版規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定有所不同，相比舊規(guī)范，新規(guī)范要求無側(cè)限抗壓強度值有所提高。為此，本文按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-T0805)[10]中規(guī)定試驗方法，制作試件進行6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，1 d浸水，檢測7 d飽水無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果如表3。

表3 7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

將水穩(wěn)材料無側(cè)限抗壓強度平均值與水泥劑量的關(guān)系以折線表示，如圖 1所示。從圖中可以看出：水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度隨水泥劑量的增加而增加；水泥劑量在 2%～3%之間時，抗壓強度增長緩慢，在3%～5%間呈現(xiàn)快速增長的趨勢。當(dāng)水泥劑量為2%水平時由于水泥劑量太少，水泥在水泥穩(wěn)定碎石試件中所起的作用主要為膠結(jié)的作用，而并沒有使試件的強度得到質(zhì)的增加，這時的水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性質(zhì)偏于級配碎石，但是相比于級配碎石，它擁有更好的膠結(jié)能力使得基層的整體性更強[5]。而當(dāng)水泥劑量進一步增加，水泥的強度作用得以發(fā)揮，強度隨水泥劑量的增加才快速增長。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石水泥劑量與抗壓強度關(guān)系

進一步參照 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)中對于無側(cè)限抗壓強度代表值的標(biāo)準(zhǔn)可知，從抗壓強度指標(biāo)來看本文水泥劑量為5%水平的水穩(wěn)材料適用于各個公路等級、各個交通等級的基層或底基層；水泥劑量為4%的水穩(wěn)材料做基層應(yīng)用于高速公路、一級公路的僅適用于中、輕交通，做基層應(yīng)用于二級及以下公路時可放寬至重交通及以下，做底基層時可用用于各個交通等級；水泥劑量為3%的水穩(wěn)材料不適用于高速公路、一級公路的基層，在二級及以下公路基層應(yīng)用也僅適用于中輕交通，做底基層使用時可應(yīng)用高速公路、一級公路的中輕交通和二級及以下公路重交通、中、輕交通；水泥劑量為2%時僅能用作二級及以下公路的中輕交通?？梢姡瑥目箟簭姸戎笜?biāo)考慮，低劑量水穩(wěn)材料隨著水泥劑量的降低其適用范圍是越來越小。

(2)彎拉強度

車輛荷載作用下基層材料在瀝青路面結(jié)構(gòu)中承受彎拉作用，所以抗拉性能一直是水穩(wěn)碎石的一項重要力學(xué)性能。舊規(guī)范(2006版)中采用劈裂強度試驗(間接拉伸試驗)對水泥穩(wěn)定材料抗拉性能進行評價，但新規(guī)范(2017版)中已明確要求測試彎拉強度指標(biāo)進行評價。

將成型好的 400mm(長)×100mm(寬)×100mm(高)的梁式試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室內(nèi)養(yǎng)生至90d，然后按照公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-T0851)的試驗方法進行的三分點彎拉強度試驗，其加載速率為50mm/min，所得試驗結(jié)果表4和如圖2所示。

表4 彎拉強度試驗結(jié)果(90d)

圖2 水泥穩(wěn)定碎石彎拉強度隨水泥劑量變化

從圖2可以看出，隨著水泥劑量的增加，水穩(wěn)碎石彎拉強度基本呈現(xiàn)拋物線增長的趨勢。

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50－2017)中關(guān)于無機結(jié)合料層疲勞開裂驗算方程(B.2.1-1)將水穩(wěn)材料彎拉強度指標(biāo)與路面基層、底基層服役壽命建立了量化關(guān)系，由驗算方程可知，水穩(wěn)材料抗拉強度越大，其路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命也就越長。新規(guī)范中沒有像對無側(cè)限抗壓強度指標(biāo)有明確標(biāo)準(zhǔn)值一樣用于要求彎拉強度指標(biāo)，這是因為基層材料疲勞壽命能否達到設(shè)計要求并不完全由材料彎拉強度一方面決定。比如，對于抗拉強度較小的材料可以通過增加結(jié)構(gòu)層厚度以滿足疲勞開裂的驗算。所以，材料抗拉強度性能能否滿足路面結(jié)構(gòu)主要還是要通過具體的交通工況、設(shè)計壽命等條件下進行路面疲勞開裂驗算而定。然而，《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50－2017)中針對水泥穩(wěn)定粒料彎拉強度推薦了兩個范圍：通常對于級配好、水泥用量高、材料性能好、施工工藝好的材料達到1.5～2.0MPa；反之在 0.9～1.5MPa。 可見，對于本文低劑量(2%～4%)水穩(wěn)碎石材料，其彎拉強度基本處于第二范圍內(nèi)，甚至對于劑量2%的水穩(wěn)材料尚達不到第二等級要求，即工程應(yīng)用中需要加大結(jié)構(gòu)層厚度以滿足疲勞開裂驗算。

(3)彈性模量

彈性模量反映了水泥穩(wěn)定材料在荷載作用下的變形特性，是重要的力學(xué)參數(shù)，顯著影響路面的承載能力和整體結(jié)構(gòu)強度。而且路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布也決定于水穩(wěn)材料層的彈性模量。舊規(guī)范(2006版)中對水泥穩(wěn)定材料彈性模量試驗要求采用“頂面法”(T0808)進行評價。交通部西部交通建設(shè)科技項目 “基于多指標(biāo)的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究”課題對比了動態(tài)壓縮回彈模量、動態(tài)彎拉模量、歐洲標(biāo)準(zhǔn)壓縮回彈模量、中間段法單軸壓縮彈性模量和頂面法回彈模量等試驗方法。結(jié)果表明，前四種方法的測試結(jié)果接近，能更好地反映無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性，且中間段法單軸壓縮試驗操作相對簡單。所以，新規(guī)范在附錄E中規(guī)定了彈性模量中間段試驗方法作為彈性模量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。由此，本文采用公路瀝青路面設(shè)計新規(guī)范(2017版)附錄E中試驗方法評價低劑量抗裂水穩(wěn)基層的彈性模量，試驗結(jié)果見表5和圖3。

從圖3可以看出，水泥穩(wěn)定碎石彈性模量隨水泥劑量增加表現(xiàn)為線性增加。相比于抗壓強度或彎拉強度指標(biāo)，彈性模量指標(biāo)并不是越大越好，這是因為：雖然彈性模量越大代表了材料承受相同應(yīng)力下變形越小，但是對于處于層狀結(jié)構(gòu)的路面中的水穩(wěn)材料，其模量越大會顯著增加其承擔(dān)的拉應(yīng)力，且增加瀝青層的受剪破壞的概率。

表5 單軸壓縮模量試驗結(jié)果(90d)

圖3 水泥穩(wěn)定碎石彈性模量隨水泥劑量變化

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50－2017)中針對水穩(wěn)材料彈性模量同樣沒有給出標(biāo)準(zhǔn)值，但是同彎拉強度指標(biāo)一樣也給出了兩個常見范圍：14000～20000MPa和20000～28000MPa。根據(jù)本文的試驗結(jié)果可以看出，水泥劑量為4%時彈性模量還處于水穩(wěn)材料的第二代表范圍，但對于2%、3%劑量的水穩(wěn)材料彈性模量已不在規(guī)范中給出的常用范圍，這也說明了低劑量水穩(wěn)基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與常規(guī)水穩(wěn)材料是不同的。

3 結(jié)論

本文以2%～5%水泥劑量的水穩(wěn)碎石材料為研究對象，室內(nèi)試驗了其力學(xué)參數(shù)，并與新瀝青路面設(shè)計規(guī)范進行了對比分析，得到了以下結(jié)論：

(1)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度隨水泥劑量增加而增加；低劑量水泥穩(wěn)定碎石根據(jù)水泥劑量不同適用的公路等級、交通情況、結(jié)構(gòu)層類型有顯著區(qū)別；若要用在高等級、重交通道路結(jié)構(gòu)中，需考慮采用加大結(jié)構(gòu)層厚度的方法來降低材料所承受的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。

(2)水泥穩(wěn)定碎石彎拉強度隨水泥劑量增加表現(xiàn)為拋物線增加趨勢；低劑量水穩(wěn)碎石材料彎拉強度基本處于規(guī)范中常用代表值的第二范圍內(nèi)，甚至對于劑量2%的水穩(wěn)材料尚達不到第二范圍要求，即工程應(yīng)用中需要加大結(jié)構(gòu)層厚度以滿足水穩(wěn)碎石層疲勞開裂驗算。

(3)水泥穩(wěn)定碎石彈性模量隨水泥劑量增加表現(xiàn)為線性增加；低劑量水穩(wěn)碎石材料彈性模量顯著低于規(guī)范中代表值范圍，表明低劑量水穩(wěn)碎石瀝青路面力學(xué)特性將與常規(guī)瀝青路面有所不同，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時不能直接借鑒普通水穩(wěn)碎石路面結(jié)構(gòu)。