低劑量水泥改性級(jí)配碎石力學(xué)指標(biāo)分析

周志剛，劉智仁，張軍

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

1 前言

大量工程應(yīng)用實(shí)踐和理論研究表明：在瀝青面層與半剛性基層之間設(shè)置級(jí)配碎石層是一種相對(duì)廉價(jià)而又可有效延緩反射裂縫的措施。但在實(shí)際工程中，還存在以下問(wèn)題：如巖石破碎篩分分檔不夠，難以調(diào)配出JTJ 034-2000、JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》推薦范圍內(nèi)的級(jí)配，混合料級(jí)配會(huì)超出規(guī)范范圍；又如清洗不干凈，含泥量較多，水穩(wěn)定性不足，造成級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層難以達(dá)到理想的強(qiáng)度和穩(wěn)定性狀態(tài)。為了解決工程應(yīng)用中級(jí)配碎石存在的不足，提出在級(jí)配碎石中摻加2%～3%的水泥，形成所謂的低劑量水泥改性級(jí)配碎石，以有效地增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，同時(shí)仍能保持碎石散粒材料的結(jié)構(gòu)特性，以減少半剛性基層瀝青路面反射開(kāi)裂，并繼續(xù)發(fā)揮級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層的排水性能。

關(guān)于低劑量水泥改性級(jí)配碎石，除了研究人員研究以外，近年道路工程界也開(kāi)展了一些有益的工作。于新等通過(guò)試驗(yàn)論證了低劑量水泥改善水泥處治碎石抗收縮開(kāi)裂性能的有效性；于保陽(yáng)等研究指出水泥劑量的變化對(duì)水穩(wěn)碎石的干縮、溫縮系數(shù)的影響具有一定的規(guī)律性；馬驍堯等通過(guò)試驗(yàn)指出CBR與摩爾-庫(kù)侖參數(shù)二者沒(méi)有明確的相關(guān)關(guān)系，基于三軸試驗(yàn)的摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則在評(píng)判級(jí)配碎石抗剪切破壞能力方面優(yōu)于CBR；王天亮等研究表明：水泥的摻加能有效地彌補(bǔ)粒徑缺失導(dǎo)致的強(qiáng)度降低現(xiàn)象；彭波、李龍剛等通過(guò)試驗(yàn)分析，推薦水泥微黏結(jié)級(jí)配碎石水泥劑量的合理范圍為2%～4%。

在路面工程混合料配合比設(shè)計(jì)中，一般需要提出合適的強(qiáng)度性能控制指標(biāo)及其要求，以評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的混合料是否符合路用要求。因此，該文主要針對(duì)多種級(jí)配加2%水泥劑量的改性級(jí)配碎石進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討低劑量水泥改性級(jí)配碎石相關(guān)力學(xué)指標(biāo)隨齡期的變化規(guī)律，對(duì)比分析加州承載比CBR、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量指標(biāo)之間的關(guān)系，參照級(jí)配碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，提出低劑量水泥改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)的強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及其控制標(biāo)準(zhǔn)、合適的養(yǎng)生齡期，為低劑量水泥改性級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)方法的制定提供依據(jù)。

2 原材料基本性能

試驗(yàn)所用的碎石及水泥均來(lái)源于廣西壯族自治區(qū)路網(wǎng)工程試驗(yàn)路，石料壓碎值為15.6%。為了便于級(jí)配設(shè)計(jì)研究，將現(xiàn)場(chǎng)所生產(chǎn)的集料篩分為8檔，即0～0.075、0.075～0.6、0.6～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～26.5、26.5～31.5 mm。然后對(duì)4.75～9.5、9.5～19、19～26.5、26.5～31.5 mm共4檔粗集料檢驗(yàn)其針片狀含量，分別為15.6%、17.3%、18.2%、12.9%。

對(duì)于細(xì)集料，分別測(cè)定每檔集料的砂當(dāng)量，然后按照組成比例計(jì)算合成的砂當(dāng)量。0～0.075、0.075～0.6、0.6～2.36、2.36～4.75 mm檔集料的砂當(dāng)量分別為66.3%、71.1%、74.7%、75.9%。

將篩分后的8檔集料按粒徑從小到大分別測(cè)得表觀密度為2.651、2.663、2.683、2.702、2.720、2.672、2.705、2.688 g/cm3。

以下試驗(yàn)中各種混合料中均摻入2%水泥，水泥取自現(xiàn)場(chǎng)袋裝P.C.32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果符合施工技術(shù)規(guī)范要求。

3 級(jí)配選擇及擊實(shí)試驗(yàn)

由于該文的試驗(yàn)級(jí)配碎石中摻入的水泥劑量低，不適合簡(jiǎn)單套用目前水泥穩(wěn)定碎石或級(jí)配碎石相關(guān)規(guī)范。為了結(jié)合級(jí)配碎石和水泥穩(wěn)定碎石兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此可選用JTJ 034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》和JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的級(jí)配碎石與水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配上下限，共4種級(jí)配，再結(jié)合兩條試驗(yàn)路按SAC法設(shè)計(jì)的級(jí)配，最終確定試驗(yàn)級(jí)配共6種，如表1所示。

采用JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的T0804-1994方法中的丙法，對(duì)上述6種級(jí)配碎石在摻加2%水泥后的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到各級(jí)配的最佳含水量與最大干密度，如表2所示。

表1 試驗(yàn)級(jí)配

表2 6種低劑量水泥改性級(jí)配碎石重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

4 強(qiáng)度差異性分析

水泥作為此次試驗(yàn)混合料的黏結(jié)劑，有利于提高集料的黏聚力，同時(shí)其強(qiáng)度和模量會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而不斷增加。試驗(yàn)中或許存在以下3種情形：同種材料使用不同試驗(yàn)方法；不同材料使用同一種試驗(yàn)方法；相同材料及試驗(yàn)方法下進(jìn)行不同齡期的試驗(yàn)；使得試驗(yàn)結(jié)果存在著差異?，F(xiàn)行的相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，加州承載比CBR與7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別被用于評(píng)價(jià)級(jí)配碎石和水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度，故該文擬采用CBR與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為強(qiáng)度指標(biāo)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，下面將對(duì)不同級(jí)配混合料在不同齡期時(shí)的不同強(qiáng)度指標(biāo)開(kāi)展差異性分析，藉此確定低劑量水泥改性級(jí)配碎石強(qiáng)度試驗(yàn)所需養(yǎng)生齡期及合適的級(jí)配設(shè)計(jì)強(qiáng)度控制指標(biāo)。

此節(jié)試驗(yàn)中的兩種混合料級(jí)配分別為水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配上限(SS)和級(jí)配下限(SX)。按照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，7、14 d齡期的每組平行試驗(yàn)數(shù)量為13個(gè)。因?yàn)榧?jí)配下限混合料粗集料多、細(xì)集料少，而且改性級(jí)配碎石水泥劑量少，容易使得試件前期無(wú)法形成足夠的強(qiáng)度而導(dǎo)致脫模松垮，因此統(tǒng)一在試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h之后脫模，然后再進(jìn)行包裹浸水養(yǎng)生。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 低劑量水泥改性級(jí)配碎石強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分析表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)過(guò)程，總結(jié)如下：

(1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。試驗(yàn)結(jié)果不存在異常點(diǎn)，同時(shí)抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)小于15%，CBR的變異系數(shù)小于12%，滿足規(guī)范要求。

(2) 強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。表中數(shù)據(jù)表明，CBR值的變異系數(shù)遠(yuǎn)小于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)，并且與級(jí)配無(wú)關(guān)。同時(shí)由于試驗(yàn)過(guò)程中存在部分級(jí)配下限混合料的7 d齡期抗壓強(qiáng)度試件脫模松垮的問(wèn)題，因此采用CBR值作為評(píng)價(jià)低劑量水泥改性級(jí)配碎石的強(qiáng)度指標(biāo)更有優(yōu)勢(shì)。另外，可考慮將14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為輔助指標(biāo)，以便于驗(yàn)證CBR指標(biāo)控制下設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。

(3)CBR指標(biāo)試件的齡期。雖然7 d齡期的CBR值的變異系數(shù)大于14 d齡期的變異系數(shù)，但是7 d齡期CBR值的變異系數(shù)本身就較小，且試件所用養(yǎng)生時(shí)間縮短了一半，有利于縮短試驗(yàn)進(jìn)度。因此采用7 d齡期試件進(jìn)行CBR試驗(yàn)更為合適。

5 加州承載比CBR分析

通常進(jìn)行加州承載比(CBR)試驗(yàn)時(shí)需要先測(cè)量其膨脹量。膨脹量試驗(yàn)采用14 d齡期的試件。結(jié)果如表4所示。

表4 不同級(jí)配混合料膨脹量

由表4可以看出：細(xì)集料較多的級(jí)配上限混合料的膨脹量大于細(xì)集料較少的級(jí)配下限混合料的膨脹量，但對(duì)于所測(cè)試的6種級(jí)配混合料，其膨脹量均已很小，在實(shí)際中可不考慮其影響。因此在后續(xù)的CBR值試驗(yàn)中不再進(jìn)行試件的膨脹量測(cè)定。

對(duì)6種級(jí)配混合料進(jìn)行不同齡期的加州承載比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖1所示。

國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有關(guān)于CBR值與齡期的擬合關(guān)系，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可用CBR=a(1-T-b)進(jìn)行CBR值與齡期T關(guān)系的擬合。此關(guān)系式參數(shù)的擬合結(jié)果如表5、圖2所示，數(shù)據(jù)表明擬合精度較高，同時(shí)關(guān)系式中的a值可認(rèn)為是CBR最終的穩(wěn)定值。

表5 不同級(jí)配混合料不同齡期的CBR值

圖1 不同級(jí)配混合料CBR值隨齡期的變化

圖2 不同級(jí)配混合料CBR值和齡期的擬合曲線

分析表5及圖1、2可以得出以下結(jié)論：

(1) 各級(jí)配混合料的CBR值隨著齡期的增長(zhǎng)而增加，7 d到14 d齡期的CBR值增加最快；14 d到28 d齡期的CBR值的增加速度逐漸變?。?8 d到60 d齡期的CBR值的增加率已經(jīng)很小，基本維持在5%左右；60 d以后混合料的CBR值變化更小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(2) 7 d齡期的CBR值和14 d齡期的CBR值分別占最終穩(wěn)定值的65%和75%，說(shuō)明7 d齡期或14 d齡期的混合料已具備水泥水化反應(yīng)完全后的大部分強(qiáng)度。結(jié)合第3節(jié)的結(jié)論，可以推斷出，用7 d齡期或14 d齡期的CBR強(qiáng)度作為檢驗(yàn)低劑量水泥改性級(jí)配碎石級(jí)配設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)具備可行性。

(3) 級(jí)配對(duì)混合料的CBR值影響顯著。齡期相同時(shí)級(jí)配上限混合料的CBR值均大于級(jí)配下限混合料的CBR值，說(shuō)明對(duì)CBR值的影響顯著的是級(jí)配中細(xì)集料的含量。

(4)CBR指標(biāo)大小的確定。表6為現(xiàn)行的JTJ/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》和JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于級(jí)配碎石的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合表5可知：試驗(yàn)結(jié)果中CBR最小值為級(jí)配JX的169.9%，除重交通時(shí)的高速公路和一級(jí)公路的基層，其他情況均滿足規(guī)范要求。另外，14 d齡期的CBR最小值為188.4%，也超過(guò)了重交通時(shí)高速公路和一級(jí)公路基層的CBR值要求的180%。故可以預(yù)測(cè)，隨著齡期的延長(zhǎng)，低劑量水泥改性級(jí)配碎石的CBR最終穩(wěn)定值足以保證其用作任何交通條件下任意等級(jí)公路的級(jí)配碎石基層。所以，采用7 d齡期的CBR值作為低劑量水泥改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是可行的。并且，建議將160%作為 7 d齡期CBR值的最低標(biāo)準(zhǔn)，將180%作為14 d齡期CBR值的最低標(biāo)準(zhǔn)。

6 抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量分析

表3中試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于低劑量水泥改性級(jí)配碎石，7 d齡期的抗壓強(qiáng)度比14 d齡期抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)大，并且部分7 d齡期的抗壓強(qiáng)度試件因其粗集料多、細(xì)集料少，試件成型時(shí)容易損壞。因此，對(duì)6種級(jí)配混合料進(jìn)行14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及抗壓回彈模量的測(cè)定，不再測(cè)定其他齡期的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量。

表6 級(jí)配碎石材料的CBR強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)采用φ150 mm×150 mm的大試件，壓實(shí)度控制為98%。根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，采用頂面法測(cè)定14 d齡期2%劑量水泥改性級(jí)配碎石的抗壓回彈模量。

14 d齡期的抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量關(guān)系

由圖3可以看出：級(jí)配對(duì)于14 d齡期的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的影響非常顯著。同類(lèi)型級(jí)配，細(xì)集料含量越大，其混合料的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量越大。因此，在施工時(shí)對(duì)低劑量水泥改性級(jí)配碎石基層級(jí)配的選擇和優(yōu)化非常重要。同時(shí)14 d齡期的抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量具有很高的正相關(guān)性，可分別用線性擬合和冪函數(shù)擬合，兩種擬合精度都很高。

7 CBR值與抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量的關(guān)系

抗壓回彈模量與CBR試驗(yàn)的力學(xué)原理不同。室內(nèi)抗壓回彈模量主要反映了材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，不包括塑性變形，而CBR則反映了材料主要抵抗塑性變形的能力，在貫入過(guò)程中有時(shí)也會(huì)含有極少量的回彈變形，但與總變形2.5 mm或5 mm相比完全可以忽略。

各國(guó)道路研究者一直比較關(guān)注抗壓回彈模量與CBR值之間的關(guān)系。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)，通常采用回彈模量作為材料的計(jì)算參數(shù)，但其檢測(cè)較為麻煩，而CBR的測(cè)試比回彈模量方便，故實(shí)際工作中人們經(jīng)常建立回彈模量與CBR值的換算公式，通過(guò)CBR測(cè)試得到回彈模量。但目前關(guān)于CBR與抗壓回彈模量之間關(guān)系的研究主要集中在土基及級(jí)配碎石基層，而對(duì)低劑量水泥改性級(jí)配碎石材料則研究甚少。

下面采用國(guó)內(nèi)外對(duì)于土基CBR與抗壓回彈模量關(guān)系常用的冪函數(shù)E=a·(CBR)b，對(duì)該文的低劑量水泥改性級(jí)配碎石的7、14 d齡期的CBR值與14 d齡期的抗壓回彈模量、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到圖4～7所示結(jié)果。

圖4 7 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓回彈模量關(guān)系

圖5 14 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓回彈模量關(guān)系

圖6 7 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖7 14 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓強(qiáng)度關(guān)系

擬合結(jié)果表明：無(wú)論是7 d齡期還是14 d齡期的CBR值與14 d齡期的抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度均具有良好的擬合度，其中抗壓強(qiáng)度與CBR值的相關(guān)性更高。因?yàn)榍笆鲅芯康玫? d齡期CBR值最小值為160%，14 d齡期CBR值最小值為180%，通過(guò)14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量與7、14 d兩類(lèi)齡期CBR值的擬合公式，可知14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低標(biāo)準(zhǔn)為1.3 MPa，14 d齡期的抗壓回彈模量最低值為260 MPa。

8 結(jié)論

針對(duì)低劑量水泥改性級(jí)配碎石，通過(guò)加州承載比CBR試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓回彈模量試驗(yàn)，探討了相關(guān)力學(xué)指標(biāo)隨齡期和級(jí)配的變化規(guī)律，對(duì)比分析了低劑量水泥改性級(jí)配碎石3個(gè)力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)強(qiáng)度差異性分析，指出將CBR值作為評(píng)價(jià)改性級(jí)配碎石的強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更有優(yōu)勢(shì)。并建議采用7、14 d齡期的CBR值，其最低標(biāo)準(zhǔn)分別為160%和180%。

(2) 通過(guò)分析不同級(jí)配混合料CBR值與齡期之間的關(guān)系，推薦采用CBR=a(1-T-b)來(lái)擬合CBR值與齡期的關(guān)系，并得到了不同級(jí)配混合料的擬合關(guān)系參數(shù)。

(3) 建立了7 d齡期和14 d齡期的CBR值、14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和14 d齡期的抗壓回彈模量三者之間的回歸關(guān)系公式。根據(jù)7、14 d齡期的CBR最低標(biāo)準(zhǔn)要求，14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低限度為1.3 MPa，抗壓回彈模量最低值為260 MPa。

(4) 按照現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范關(guān)于級(jí)配碎石的CBR強(qiáng)度要求，低劑量水泥改性級(jí)配碎石可用作任何交通等級(jí)下的任意等級(jí)公路的級(jí)配碎石基層和底基層。