尺寸效應與成型工藝對無機結合料穩(wěn)定材料無側限抗壓強度的影響

鄒桂蓮，吳欣，劉新海

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2.廣東華路交通科技有限公司)

無側限抗壓強度表征無機結合料穩(wěn)定類材料的承載能力，是無機結合料穩(wěn)定材料配合比設計的決定性指標。已有研究表明：試件尺寸與成型條件是影響土木工程材料強度的主要因素。受室內試驗條件與現(xiàn)場設備條件的限制，無側限抗壓強度可以采用非標準尺寸的試件，但目前現(xiàn)行規(guī)范中：① 對非標準試件與標準試件之間的強度換算關系未給出明確說明；② 規(guī)范中推薦的成型方法為靜壓成型，規(guī)范要求路面基層、底基層壓實度達97%或98%以上，但室內靜壓成型試件壓實度往往達不到設計要求。隨著路面基層施工現(xiàn)場壓實機械與工藝的改進，壓實功增大，壓實度提高，甚至超過100%，現(xiàn)場無機結合料穩(wěn)定材料的強度高于室內試驗的強度值，導致試驗室設計與路面基層實際施工脫節(jié)，室內設計對現(xiàn)場的指導性變差；③ 目前已有的無機結合料穩(wěn)定材料的研究成果針對的是天然集料，隨著再生集料在路面基層中的推廣應用，研究結論是否也適用于再生集料值得探討。為此，研究采用天然集料與再生集料，探討試件尺寸、成型工藝、壓實度對水泥穩(wěn)定材料(CSM)與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料(CFSM)無側限抗壓強度的影響，提出非標準試件與標準試件之間的強度換算關系，推薦無機結合料穩(wěn)定材料的成型方法，分析尺寸效應產(chǎn)生的機理。

1 原材料與礦料級配

為使研究更具代表性，無機結合料穩(wěn)定材料采用半剛性基層中應用最廣泛的水泥穩(wěn)定材料與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料，研究采用的主要原材料的性能指標與礦料級配如下。

1.1 水泥

試驗采用海螺牌42.5號普通硅酸鹽水泥，主要性能指標如表1所示。

1.2 粉煤灰

采用的粉煤灰成分檢測結果如表2所示，滿足現(xiàn)行規(guī)范對粉煤灰的要求。

1.3 集料

天然集料選用花崗巖集料，再生集料選用建筑垃圾再生的再生集料。天然集料與再生集料的壓碎值分別為12.5%、27.1%。集料的吸水率和表觀密度如表3所示。

表1 水泥性能指標要求及試驗結果

表2 粉煤灰成分檢測結果

表3 集料的吸水率與表觀密度

1.4 級配

與懸浮密實型級配相比，骨架密實型級配的混合料形成了骨架嵌擠結構，抗壓強度高，抗裂性能好，因此越來越多地獲得推廣應用，該文采用的礦料級配如表4所示。

2 試驗方案設計

2.1 尺寸效應

尺寸效應是指準脆性材料的強度受材料自身性質以及試件或構件尺寸大小的影響而發(fā)生改變的性質。無機結合料穩(wěn)定材料與水泥混凝土等準脆性材料在不同試件尺寸下測得的強度存在一定的偏差。采用天然集料與再生集料，靜壓法成型φ100 mm×100 mm和φ150 mm×150 mm兩種圓柱形試件，研究水泥穩(wěn)定材料和水泥粉煤灰穩(wěn)定材料尺寸效應對7 d無側限抗壓強度的影響，水泥穩(wěn)定材料中的水泥摻量為最普遍采用的5%，水泥粉煤灰中無機結合料(水泥與粉煤灰)的比例與用量為前期研究確定的，試驗設計如表5所示。

表4 水泥穩(wěn)定材料與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料的礦料級配

表5 無機結合料穩(wěn)定材料試驗設計與編號

注：表格中的百分比均為質量百分比，水泥摻量、粉煤灰摻量為水泥、粉煤灰與干燥集料總質量的百分比。

2.2 成型工藝

壓實方法影響混合料成型后的集料分布狀態(tài)和密實度。研究采用靜壓成型和旋轉壓實成型兩種工藝，對比研究成型工藝對無機結合料穩(wěn)定材料強度的影響，試驗設計如表6所示。具體成型方法：靜壓法采用量程400～2 000 kN的壓力試驗機，應變控制加載模式，以1 mm/min的加載速率，直到上下壓柱壓入試模為止；旋轉壓實法設置旋轉壓實儀參數(shù)為基座旋轉角度1.250、旋轉速度30 r/min、壓力600 kPa，按操作要求成型壓實并記錄各旋轉壓實次數(shù)對應的試件高度。

表6 靜壓和旋轉壓實成型對比試驗方案設計

3 試驗結果與分析

3.1 尺寸效應對強度的影響

為研究尺寸效應對CSM和CFSM 強度的影響，按表5的試驗設計成型試件，試件經(jīng)標準養(yǎng)生后，7 d無側限抗壓強度試驗結果如表7所示。為了更直觀地分析試驗結果，φ150 mm×150 mm尺寸試件(B組)的7 d無側限抗壓強度代表值與φ100 mm×100 mm尺寸試件(A組)的7 d無側限抗壓強度代表值的比值以B/A表示。

表7 不同尺寸試件的強度代表值

由表7可知：無論采用天然集料還是再生集料，隨試件尺寸增大，無機結合料穩(wěn)定材料7 d無側限抗壓強度隨之增大，尺寸效應明顯。再生粗集料摻量達到80%時，兩種混合料的7 d無側限抗壓強度代表值達到最大值，100%使用再生粗集料的CSM和CFSM 強度也高于天然集料，這是因為再生集料的表面裹覆了豐富的水泥砂漿，有利于無機結合料穩(wěn)定材料的強度發(fā)展。水泥穩(wěn)定材料與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料φ150 mm×150 mm試件的強度代表值是φ100 mm×100 mm的1.29～1.37倍，隨著再生集料用量提高，尺寸效應略有放大。施工單位有尺寸效應統(tǒng)計資料的按統(tǒng)計結果取值，沒有統(tǒng)計資料的，推薦取試驗研究統(tǒng)計結果的中間值，即7 d無側限抗壓強度Rφ150 mm/Rφ100 mm=1.35。

3.2 尺寸效應機理分析

由試驗結果可知，無機結合料穩(wěn)定類材料的無側限抗壓強度隨試件尺寸的增大而增大，這與水泥混凝土試件的尺寸效應相反，且尺寸效應的影響也更顯著，產(chǎn)生這一相反結論的根本原因在于無機結合料穩(wěn)定類材料和混凝土強度產(chǎn)生的主要來源不同。水泥混凝土強度的來源主要是水泥膠結料的黏結作用，抗壓強度的尺寸效應主要是環(huán)箍效應造成的，同時也受試件徑高比、強度、缺陷等影響。

無機結合料穩(wěn)定材料強度低，抗壓強度主要來源于集料之間的嵌擠力和摩檫力，膠結料的黏結作用有限。φ150 mm×150 mm試件與φ100 mm×100 mm試件的唯一區(qū)別是大小兩種試件橫截面受到的橫向約束作用力不同(圖1)。試件外部松散區(qū)對核心受壓區(qū)的橫向膨脹起著約束作用，集料之間產(chǎn)生指向圓心的摩擦力徑向分力，使得核心區(qū)材料近似于三向受壓狀態(tài)，從而提高了核心區(qū)材料的荷載承受能力。尺寸試件越大核心區(qū)材料面積占比越大，荷載承受能力也越大，這又反過來提高徑向摩擦力的約束作用(核心受壓區(qū)箭頭更密集)，使得試件整體的抗壓強度得以提高。

圖1 試件尺寸對橫截面約束力(骨料嵌擠力

3.3 成型工藝與壓實度對強度的影響

為研究成型工藝對無機結合料穩(wěn)定材料強度的影響，室內采用靜壓法和旋轉壓實法成型直徑為φ150 mm的圓柱形試件，采用全天然集料無機結合料穩(wěn)定材料以及100%再生粗集料無機結合料穩(wěn)定材料對比研究，多組試驗的7 d無側限抗壓強度試驗結果如表8、圖2所示。

表8 靜壓法成型試件的強度代表值

圖2 旋轉壓實次數(shù)對壓實度、抗壓強度的影響

由表8可知：① 無論采用水泥還是水泥粉煤灰作為結合料，無機結合料類穩(wěn)定材料的抗壓強度都隨壓實度的提高顯著增長；② 靜壓成型法的壓實度較低，為96%～97%，不能滿足高等級路面基層98%壓實度的設計要求，更低于目前路面基層施工現(xiàn)場的壓實度。

由圖2可知：① 隨著旋轉壓實次數(shù)的增長，無機結合料穩(wěn)定材料的壓實度持續(xù)提高，隨之而來的，7 d無側限抗壓強度快速提高，壓實度從96%提高至99%，抗壓強度提高1倍以上；② 水泥粉煤灰穩(wěn)定材料的壓實度一直在水泥穩(wěn)定材料的下方，說明水泥粉煤灰穩(wěn)定材料組更難壓實，從表4可以看出，水泥粉煤灰組的礦料級配較粗，因此需要的壓實功較大。

由試驗結果可知：旋轉壓實次數(shù)為90次時，水泥穩(wěn)定材料能滿足98%壓實度要求；旋轉壓實次數(shù)為105次，水泥粉煤灰穩(wěn)定材料能滿足98%壓實度的要求。

比較靜壓和旋轉壓實兩種成型工藝條件下試件的壓實度和抗壓強度，旋轉壓實次數(shù)為70次時，水泥穩(wěn)定材料的壓實度與靜壓法相當，此時混合料的7 d無側限抗壓強度代表值為采用靜壓成型的1.08倍；旋轉壓實次數(shù)為67次時，水泥粉煤灰穩(wěn)定材料試件的壓實度與靜壓法相當，此時混合料的7 d無側限抗壓強度代表值為采用靜壓成型的1.05倍，表明在相同壓實度條件下，旋轉壓實成型試件的抗壓強度略高于靜壓成型試件的強度。這是因為旋轉壓實過程有助于集料的取向分布，使集料位于更穩(wěn)定的狀態(tài)，也更有利于密實狀態(tài)的形成；靜壓成型只有垂直力，不能重新分布集料及集料取向，如果追求更大的壓實度，可能造成較軟弱集料的破碎，特別是使用再生集料時，再生集料強度低、壓碎值大，更易被壓碎。與靜壓法相比，旋轉壓實法的揉搓擠壓作用對再生集料的破壞較小，能夠更真實地模擬實際道路施工攤鋪后的壓實情況?？紤]到靜壓法成型試件的壓實度與集料分布狀態(tài)與實際工況相差較大，而旋轉壓實法通過改變壓實次數(shù)達到實際工況狀態(tài)，且集料分布與取向跟實際壓實狀態(tài)更接近，考慮到旋轉壓實設備也逐漸普及，建議CSM和CFSM室內配合比設計階段采用旋轉壓實法成型試件，壓實次數(shù)由壓實曲線確定。

4 結論

通過研究試件尺寸效應和成型工藝對CSM和CFSM 7 d無側限抗壓強度的影響，得出以下主要結論：

(1) CSM和CFSM 存在顯著的尺寸效應，無側限抗壓強度隨試件尺寸的增加而增大。因此，建議當采用非標準試件時，施工單位有尺寸效應統(tǒng)計資料的按統(tǒng)計結果取值，沒有統(tǒng)計資料的，推薦7 d無側限抗壓強度Rφ150 mm/Rφ100 mm=1.35。研究同時表明：此換算關系基本不受集料是否為再生集料的影響。

(2) CSM和CFSM 試件的抗壓強度受壓實度影響顯著，壓實度提高，強度迅速增長，建議加強施工現(xiàn)場的壓實。相同壓實度條件下，旋轉壓實成型試件的強度略高于靜壓成型試件強度。

(3) 旋轉壓實法通過改變壓實次數(shù)達到實際工況狀態(tài)，且集料分布與取向跟實際壓實狀態(tài)更接近，考慮到旋轉壓實設備也逐漸普及，建議CSM和CFSM室內配合比設計階段采用旋轉壓實法成型試件。

(4) 旋轉壓實的壓實度受礦料級配、設備等因素的影響，因此建議壓實次數(shù)由實測的壓實曲線確定。

(5) 再生集料的CSM和CFSM 強度高于天然集料。再生集料的表面裹覆了豐富的水泥砂漿，且表面更為粗糙，有利于無機結合料穩(wěn)定材料的強度發(fā)展。