抗裂型水泥穩(wěn)定碎石單軸壓縮模量和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析

韋洪峰

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

抗裂型水泥穩(wěn)定碎石通過減少細(xì)集料及膠結(jié)料，采用骨料嵌擠級(jí)配，降低含水量，減少無機(jī)結(jié)合料混合料干縮和溫縮，以減緩橫向裂縫病害，水泥劑量為2.5%～3.0%。相較于常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石，因其細(xì)集料和膠結(jié)料的減少，需有效評(píng)價(jià)和測(cè)定抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和抗疲勞性能，采用振動(dòng)拌和和常規(guī)拌和兩種拌和方式，對(duì)2.5%水泥劑量和3.0%水泥劑量的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石與4.5%水泥劑量的常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和疲勞性能進(jìn)行對(duì)比。

1 原料及配合比

選用項(xiàng)目為撫順通武線改造工程，二級(jí)公路，路面寬度為12m，本路段建設(shè)方案為：銑刨現(xiàn)有面層后，加鋪3cm細(xì)粒式瀝青混凝土+4cm中粒式瀝青混凝土+35cm抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層。基層用碎石均采自撫順市周邊石場(chǎng)，材料指標(biāo)及篩分如表1和表2。

表1 粗細(xì)集料指標(biāo)表

根據(jù)前期科研成果，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石采用表3設(shè)計(jì)級(jí)配范圍，與《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中C-B-3級(jí)配相比較，抗裂型水穩(wěn)碎石級(jí)配要求最大粒徑提高至37.5mm；提高了9.5～31.5mm礦料比例，19～31.5mm通過率明顯降低，降低幅度平均為12.3%和6%；為保證骨架空隙被足夠的細(xì)料填筑，該級(jí)配適當(dāng)提高了4.75mm以下細(xì)集料通過率。級(jí)配對(duì)比圖見圖1。

表2 集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 抗裂型級(jí)配與規(guī)范級(jí)配對(duì)比表

圖1 抗裂型級(jí)配與規(guī)范級(jí)配對(duì)比

采用振動(dòng)擊實(shí)成型法對(duì)抗裂型水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行配合比試驗(yàn)，2.5%水泥劑量最佳含水量為4.27%，最大干密度2.532g/cm3，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度7.6MPa，7d劈裂強(qiáng)度0.53MPa。

3.0%水泥劑量最佳含水量為4.39%，最大干密度為2.554g/cm3，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度7.7MPa，7d劈裂強(qiáng)度0.61MPa。

2 單軸壓縮模量

與頂面法抗壓回彈模量相比，單軸壓縮模量能夠更好地反應(yīng)水穩(wěn)材料的力學(xué)特性，而且操作相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中的要求，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彈性模量采用單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定。

彈性模量計(jì)算按下式計(jì)算：

式中：Ec—抗壓彈性模量，MPa；

Et—抗拉彈性模量，MPa;

Fr—最大荷載，N;

D—試件直徑，mm；

ε3—試件縱向應(yīng)變(荷載F=0.3Fr)。

水穩(wěn)碎石材料單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖2。

表4 通武線單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，抗裂型水穩(wěn)碎石材料的單軸壓縮模量平均值隨水泥劑量的增加而提高。2.5%水泥劑量的混合料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，說明2.5%水泥劑量時(shí)混合料試件的均勻性相對(duì)較差。

在相同拌和方式條件下抗裂型水穩(wěn)碎石的單軸壓縮模量低于常規(guī)級(jí)配水穩(wěn)碎石材料，材料剛度有所降低。在相同級(jí)配條件下，混合料經(jīng)過振動(dòng)拌和后，單軸壓縮模量平均值均有所提高。

與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(shù)(14000～28000MPa)相比，本項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果處于規(guī)范推薦范圍的下限及以下，其中2.5%水泥劑量時(shí)模量降低幅度最大。

(1)級(jí)配類型對(duì)單軸壓縮模量的影響

圖3 單軸壓縮模量(級(jí)配類型)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在相同的拌和方式下抗裂型級(jí)配的水穩(wěn)碎石材料的單軸壓縮模量平均值差異不明顯，常規(guī)級(jí)配總體上高于抗裂型級(jí)配混合料；在常規(guī)拌和和振動(dòng)拌和條件下常規(guī)級(jí)配的模量提高幅度分別為7%和9%。說明不同級(jí)配類型的混合料的剛度總體上無明顯差異，在振動(dòng)拌和條件下單軸壓縮模量提升效果相對(duì)明顯。

(2)拌和方式對(duì)單軸壓縮模量的影響

圖4 單軸壓縮模量(拌和方式)

由圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同的級(jí)配類型條件下，振動(dòng)拌和工藝對(duì)各種類型混合料的剛度均有不同程度提升作用，采用振動(dòng)拌和的水穩(wěn)碎石材料的單軸壓縮模量總體上高于常規(guī)拌和水穩(wěn)碎石材料。抗裂型和常規(guī)級(jí)配水穩(wěn)碎石的單軸壓縮模量振動(dòng)拌和后材料模量提升幅度分別為2%和5%。這主要是因?yàn)檎駝?dòng)拌和工藝能夠提高水穩(wěn)碎石混合料的均勻性，使細(xì)集料和結(jié)合料充分填充骨架空隙，能夠形成結(jié)構(gòu)性更加合理的骨架嵌擠-密實(shí)結(jié)構(gòu)。

3 彎拉強(qiáng)度

彎拉強(qiáng)度是水穩(wěn)基層材料的重要性能指標(biāo)，是影響無機(jī)結(jié)合料疲勞的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)路面基層結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力具有重要影響。彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)中T0851-2009開展試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中上下壓板平整并有足夠的剛度，可以均勻地連續(xù)加載卸載，可以保持固定荷載。加載速率為50mm/min，采用三分點(diǎn)加載方式。

彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，彎拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度基本一致，在相同3%水泥用量前提下，抗裂級(jí)配振動(dòng)拌和彎拉強(qiáng)度最大，常規(guī)級(jí)配常規(guī)拌和強(qiáng)度最低，前者強(qiáng)度提高幅度達(dá)45%以上。與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(shù)(1.5～2.0MPa)相比，2.5%水泥劑量的水穩(wěn)碎石材料彎拉強(qiáng)度不足，其余各組混合料的彎拉強(qiáng)度均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦范圍，且3.0%水泥劑量的抗裂型水穩(wěn)碎石試驗(yàn)結(jié)果大于規(guī)范推薦上限。

表5 通武線彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同級(jí)配和成型方式彎拉強(qiáng)度對(duì)比

(1)拌和方式對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響(圖6)

在相同的級(jí)配類型條件下，振動(dòng)拌和工藝對(duì)混合料的彎拉強(qiáng)度具有顯著的提升作用：經(jīng)過振動(dòng)拌和后，抗裂型和常規(guī)級(jí)配混合料彎拉強(qiáng)度分別提高30%和19%。與抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度類似，抗裂型級(jí)配混合料受拌和工藝的影響更為顯著。

圖6 拌和方式對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響

圖7 級(jí)配類型對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響

(2)級(jí)配類型對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響(圖7)

在相同的拌和條件下，抗裂型級(jí)配混合料的彎拉強(qiáng)度整體優(yōu)于常規(guī)級(jí)配混合料：在振動(dòng)拌和和常規(guī)拌和條件下，抗裂型級(jí)配混合料彎拉強(qiáng)度分別提高約20%和10%以上。

4 結(jié)論

綜合上述研究成果，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石降低了含水量、水泥劑量，減少了細(xì)集料含量，在材料組成上達(dá)到了對(duì)溫縮及干縮開裂因素的減緩效果，在承載能力和疲勞性能未見到顯著的降低，主要結(jié)論如下：

(1)抗裂型級(jí)配與常規(guī)級(jí)配的單軸壓縮模量差異較小，常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石單軸壓縮模量略高于抗裂型水泥穩(wěn)定碎石，與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(shù)(14000～28000MPa)相比，本項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果處于規(guī)范推薦范圍的下限范圍。

(2)總體上，抗裂級(jí)配的彎拉強(qiáng)度2.5%水泥劑量大于1MPa，3.0%水泥劑量大于2.3MPa，超出《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)水泥穩(wěn)定碎石彎拉強(qiáng)度上限。常規(guī)級(jí)配的彎拉強(qiáng)度在規(guī)范范圍上限范圍。

(3)振動(dòng)拌和條件下，抗裂型級(jí)配較常規(guī)級(jí)配的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度均提高30%以上；在常規(guī)拌和條件下，抗壓強(qiáng)度平均提升約為10%，彎拉強(qiáng)度提高19%以上?？沽研图?jí)配有利于提高水穩(wěn)碎石材料的彎拉強(qiáng)度，且振動(dòng)拌和工藝對(duì)于不同級(jí)配類型混合料均具有提高強(qiáng)度的作用，其中抗裂型級(jí)配受振動(dòng)拌和工藝的影響更為明顯。

(4)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和回歸方程確定了遼寧省抗裂型水泥穩(wěn)定碎石材料的設(shè)計(jì)參數(shù)取值范圍，彎拉強(qiáng)度1.7～3.0MPa，單軸壓縮模量13000～20000MPa。