水泥穩(wěn)定碎石耐久性增強(qiáng)技術(shù)

馬軍旗

(中國水利水電第四工程局有限公司，云南 玉溪 652500)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石基層材料在長期服役過程中易出現(xiàn)裂縫和唧漿等病害，這主要是由于干縮和溫縮的共同作用造成半剛性基層的開裂，且裂縫逐漸向上擴(kuò)展反射至路面表層，從而導(dǎo)致雨水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在行車荷載和動(dòng)水壓力的反復(fù)作用下不斷沖刷半剛性基層而產(chǎn)生唧漿，致使基層強(qiáng)度降低?；诖?，很多研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了研究：黃興等從拌合工藝的角度發(fā)現(xiàn)，在水泥劑量和級(jí)配一定的情況下采用振動(dòng)拌合工藝，其抗干縮和溫縮性能明顯優(yōu)于靜壓法[1]；孫杰慧等對(duì)加入基層中的水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量進(jìn)行了研究，測(cè)算了不同水泥用量下不同齡期的回彈模量、干縮和溫縮性能，發(fā)現(xiàn)水泥劑量在5%～5.5%之間最為合適[2]；孫家瑛等研究了在混凝土中加入聚丙纖維后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)纖維摻量在0.2%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高了30%左右，脆性降低[3]。本文在許多團(tuán)隊(duì)研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)通過提升工藝、外摻材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)手段，改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能和抗沖刷性能，提高耐久性。

1 耐久性增強(qiáng)技術(shù)類型

對(duì)于增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的耐久性，可從充分激發(fā)水泥作用和優(yōu)化混合料結(jié)構(gòu)形式入手，并可通過摻加纖維等增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)。

1.1 激發(fā)水泥作用

傳統(tǒng)的強(qiáng)制式攪拌工藝由于攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速和效率低、攪拌存在速度梯度和低效區(qū)、攪拌參數(shù)與物料間的匹配性不足等原因，導(dǎo)致混合料中有10%～30%的水泥顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，水泥顆粒的比表面積下降，造成水泥水化不充分，水泥作用未能全部發(fā)揮。振動(dòng)攪拌工藝是一種通過釋放激振力來強(qiáng)化攪拌過程的有效手段，通過在強(qiáng)制式攪拌工藝的基礎(chǔ)上加入振動(dòng)攪拌，使得物料之間發(fā)生很好的對(duì)流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，各組分充分彌散，提高了物料的均勻性，水泥水化更充分，激發(fā)水泥發(fā)生全能作用，提升混合料強(qiáng)度。

1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式

水泥穩(wěn)定碎石混合料的結(jié)構(gòu)形式主要有懸浮密實(shí)、骨架密實(shí)和骨架空隙3種。懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)根據(jù)最大密度理論設(shè)計(jì)，采用連續(xù)級(jí)配，混合料中集料粒徑從大到小組合排列，細(xì)集料較多，粗集料含量較少，無法形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)采用嵌擠密實(shí)原則設(shè)計(jì)，粗集料含量增加，形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，細(xì)集料主要用來填充骨架結(jié)構(gòu)中的空隙，由此最大程度地發(fā)揮粗集料的骨架嵌擠作用和細(xì)集料的填充黏結(jié)作用。因此，采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有比懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的性能，可通過級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，抵抗干縮和溫縮引起的裂縫，提高混合料的抗裂性能。

1.3 添加纖維材料

纖維具有優(yōu)異的斷裂拉伸強(qiáng)度[4]，將纖維增強(qiáng)體加入水泥穩(wěn)定碎石中，利用纖維的橋接、拉拔作用，顯著增加基體的抗拉強(qiáng)度，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的開裂，提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂效果。此外，在拉應(yīng)力作用下，纖維能夠有效減弱裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，抑制裂縫的擴(kuò)展。

2 試驗(yàn)方案

基于重型擊實(shí)法開展水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計(jì)，礦料合成級(jí)配和目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果分別如表1、2所示。

表1 合成級(jí)配

表2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

為了分析以上3種技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的增強(qiáng)作用，分別開展了不同攪拌工藝、不同級(jí)配類型和不同纖維摻量[5-7]對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度和抗沖刷性能的影響。由此制定的試驗(yàn)方案如表3所示，其中纖維種類為聚酯纖維。

表3 試驗(yàn)方案

3 耐久性影響因素分析

3.1 拌合工藝的影響

對(duì)比分析了采用振動(dòng)攪拌工藝和普通強(qiáng)制式攪拌工藝[8-10]對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出以下幾點(diǎn)。

圖1 振動(dòng)拌合與普通拌合工藝結(jié)果對(duì)比

(1)隨著水泥用量的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、7 d劈裂強(qiáng)度逐漸增加，28 d、30 min沖刷質(zhì)量損失率逐漸減小，表明隨著強(qiáng)度的逐漸形成，混合料的抗沖刷性能不斷提高。

(2)相對(duì)普通拌合工藝，振動(dòng)拌合水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高30.5%和10.6%，而沖刷質(zhì)量損失率降低13.7%，說明在振動(dòng)拌合條件下，混合料分散更均勻，整體強(qiáng)度和抗沖刷性能得到一定提高，耐久性增強(qiáng)，其中提高最為明顯的是抗壓強(qiáng)度，其次為抗沖刷性能，劈裂強(qiáng)度的提升相對(duì)較小。

3.2 添加纖維材料的影響

對(duì)比分析了添加0.05%聚酯纖維與未添加纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，相比未添加纖維，添加聚酯纖維的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高6.8%和11.9%，而沖刷質(zhì)量損失率降低23.6%，說明在聚酯纖維的橋接和拉拔作用下，混合料的整體耐久性得到提升，其中最為顯著的是抗沖刷性能，其次是抗裂性能，添加纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升相對(duì)較小。

圖2 普通水穩(wěn)與纖維水穩(wěn)結(jié)果對(duì)比

3.3 級(jí)配類型的影響

對(duì)比分析了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)與懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響，如圖3所示。結(jié)果表明，相比懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高11.6%和4.6%，而沖刷質(zhì)量損失率降低19.5%，說明骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的耐久性，其中抗沖刷性[11]能提升最為顯著，其次為抗壓強(qiáng)度[12-14]，劈裂強(qiáng)度的提升效果相對(duì)一般。

3.4 耐久性增強(qiáng)效果分析

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析不同影響因素對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響程度，如圖4所示。結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。

圖4 3種增強(qiáng)技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石耐久性的提升效果對(duì)比

(1)3種耐久性增強(qiáng)技術(shù)中，拌合工藝和級(jí)配類型對(duì)混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升最為顯著，添加纖維對(duì)混合料抗沖刷性能的提升最為顯著。

(2)對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升最為顯著的是拌合工藝，對(duì)于抗裂性能[15]和抗沖刷性能提升最為顯著的是添加纖維。

4 結(jié) 語

本文通過提升拌合工藝、添加纖維和優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗沖刷性開展了室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究，分析了不同因素對(duì)混合料耐久性的影響，主要結(jié)論如下。

(1)水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗沖刷性能隨著水泥用量的增加得到明顯提高，添加水泥有利于提升水泥穩(wěn)定碎石的耐久性。

(2)采用振動(dòng)拌合工藝、添加纖維和優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)均可一定程度地提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的耐久性。

(3)采用振動(dòng)拌合工藝和骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，添加纖維有利于提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能和抗沖刷性能，從而減少裂縫和唧漿等病害的產(chǎn)生。

對(duì)3種耐久性增強(qiáng)技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究分析，建議后續(xù)開展對(duì)彈性模量、疲勞性能等方面的研究。