低溫環(huán)境下水泥穩(wěn)定碎石基層施工車輛軸載控制

王旻琪，馬士賓*，鄧建海，劉 劍

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，石家莊 050051)

水泥穩(wěn)定碎石材料是中國廣泛應(yīng)用的半剛性基層材料，具有強度高、剛度大、造價低等優(yōu)點[1]，但因其屬于溫度敏感性材料，在低溫條件下水泥水化過程緩慢，對其早期強度、壓縮模量等都有一定影響，尤其在中國北方地區(qū)冬季施工時，受當(dāng)?shù)販囟扔绊?，使得水泥穩(wěn)定碎石基層的養(yǎng)護時間大大延長，施工車輛軸載受到限制[2-3]。

摻加早強劑能夠有效增強水泥穩(wěn)定碎石早期強度，是解決低溫條件下水泥穩(wěn)定碎石材料早期強度低的有效方法[4]。2012年，河北工業(yè)大學(xué)魏連雨等[5]對低溫環(huán)境下的二灰穩(wěn)定碎石進行了力學(xué)性能研究，研究結(jié)果表明在低溫季節(jié)施工時，需要有效的措施來保障強度。2015年，宋云連等[6]探究了不同劑量早強劑對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗凍性與收縮性能的影響，通過試驗發(fā)現(xiàn)，早強劑能夠有效降低水泥穩(wěn)定碎石材料的抗凍性與收縮性能。但是目前中國各規(guī)范對施工期車輛的軸載沒有嚴(yán)格的規(guī)定，也沒有考慮施工車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

針對上述問題，對低溫養(yǎng)護條件下?lián)郊釉鐝妱┑乃喾€(wěn)定碎石材料進行室內(nèi)劈裂強度與壓縮模量試驗，采用KENPAVE力學(xué)分析軟件對5、0、-5 ℃低溫環(huán)境下?lián)郊釉鐝妱┑乃喾€(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層進行損傷分析，與抗拉彎強度與壓縮模量進行比較，提出在施工期間底基層不發(fā)生極限破壞時所需要的養(yǎng)護時間和允許的軸載范圍。為水泥穩(wěn)定碎石基層在冬季低溫條件下施工提供了科學(xué)依據(jù)，在保障強度的前提下加快施工進度，縮減工程成本。

1 低溫環(huán)境下水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能

1.1 室內(nèi)劈裂強度試驗

1.1.1 劈裂強度試驗方法與試件成型

采用密實骨架結(jié)構(gòu)，結(jié)合《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D51—2017)條文說明中表6-1推薦的級配，選定級配如表1所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石集料級配

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中無機結(jié)合料穩(wěn)定材料圓柱形試件制作方法的規(guī)定，利用振動壓實儀成型尺寸為Φ150 mm×150 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件，在低溫條件下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護結(jié)束后根據(jù)規(guī)范進行劈裂強度試驗。

對于Φ150 mm×150 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件，劈裂強度按式(1)計算：

(1)

式(1)中：P為試件破壞時的最大壓力，N；h為浸水后試件的高度，mm。

試驗針對水泥劑量5%的水泥穩(wěn)定材料，分別摻加水泥劑量0%、4%、8%的早強劑，在5、0、-5 ℃的低溫環(huán)境下進行7、14、28 d的養(yǎng)護。

1.1.2 劈裂強度試驗結(jié)果與分析

在養(yǎng)護溫度為5、0、-5 ℃條件下，不同早強劑摻量的水泥穩(wěn)定碎石試件劈裂強度如表2所示。

表2 不同養(yǎng)護溫度下試件劈裂強度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知：①對于三種養(yǎng)護溫度，在相同早強劑摻量的情況下，水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度均隨養(yǎng)生齡期的增加而增大，在7 d以內(nèi)的劈裂強度增長率最大，7～14 d次之，14～28 d的增長率最小;②在養(yǎng)護溫度相同時，早強劑摻量越大，劈裂強度越大。

1.2 單軸壓縮模量規(guī)律

1.2.1 單軸壓縮模量實驗方法

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)中對水泥穩(wěn)定碎石材料試件采用中間段法單軸壓縮法進行模量測定。

試件的傳感器布置如圖1所示。

圖1 壓縮模量傳感器布置

按式(2)計算壓縮模量E：

(2)

式(2)中：E為彈性模量，MPa；Fr為最大荷載,N；D為試件直徑，mm；ε3為加載達到0.3Fr時試件縱向壓應(yīng)變，ε3=Δl/L,其中Δl為壓向變型量，L為變形前試件高度。

試驗針對水泥含量為5%的水泥穩(wěn)定材料，分別摻加水泥劑量0%、4%、8%的早強劑，在5、0、-5 ℃的低溫環(huán)境下進行7、14、28 d的養(yǎng)護。

1.2.2 單軸壓縮模量試驗結(jié)果與分析

在養(yǎng)護溫度為5、0、-5 ℃條件下，不同早強劑摻量下的水泥穩(wěn)定碎石壓縮模量變化規(guī)律如表3所示。

表3 養(yǎng)護溫度5 ℃時試件壓縮模量

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知：①在相同的養(yǎng)護溫度與相同早強劑摻量的情況下，水泥穩(wěn)定碎石材料的壓縮模量隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，且在前7 d內(nèi)的壓縮模量增長率最大;②隨著養(yǎng)護溫度的升高，早強劑對壓縮模量的增強效果就越大。

2 施工路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)規(guī)范提出的新建公路瀝青路面設(shè)計中，采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)組合不同，其設(shè)計指標(biāo)也不相同。當(dāng)基層類型和底基層類型均為無機結(jié)合料穩(wěn)定類時，設(shè)計指標(biāo)為無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力和瀝青混合料層永久變形量[7]。需要選擇合適的養(yǎng)護齡期與施工車輛軸載，以保障在施工過程中路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生斷裂破壞。

在BZZ—100 kN的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，雙圓均布垂直荷載當(dāng)量圓直d徑的計算公式為

(3)

式(3)中：P為作用在車輪上的壓力，kN；p為輪胎接觸壓強，kPa。

中國現(xiàn)行的路面設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ—100 kN的輪載P=100 kN中采用式(4)：

A=0.008P+156

(4)

式(4)中：A為車輛輪胎接地面積，cm2；P為車輪胎壓力，kN。

通過對現(xiàn)場施工車輛的調(diào)查，施工車輛軸載最大可達到300 kN，選取最大車輛軸載為300 kN進行荷載分析計算。表4為施工車輛軸載統(tǒng)計，表5為軸重與輪胎接地面積的對應(yīng)關(guān)系，荷載分析位置如圖2所示。

表4 施工車輛軸載調(diào)查統(tǒng)計表

表5 軸重與輪胎接地面積的對應(yīng)關(guān)系

圖2 荷載分析位置

使用KENPAVE路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件進行瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的分析與處理[8-9]。KENPAVE路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件以固體地基理論為分析原理，通過將路面結(jié)構(gòu)參數(shù)與荷載參數(shù)等數(shù)據(jù)文件輸入LAYERINP模塊中，對圓形均布荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的數(shù)據(jù)在KENLAYER模塊中進行分析；荷載狀況與荷載位置在LGRAPH模塊中進行顯示，完成對瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的分析與設(shè)計。

3 低溫環(huán)境下施工車輛對基層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

采用力學(xué)分析軟件KENPAVE，對早強劑摻量為4%，水泥含量為5%的水泥穩(wěn)定碎石基層在養(yǎng)護溫度為5、0、-5 ℃下，分析車輛軸載的變化對底基層層底最大拉應(yīng)力的影響，與抗彎拉強度與壓縮模量進行比較。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)，在路面結(jié)構(gòu)驗算時，無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的壓縮模量應(yīng)乘以結(jié)構(gòu)層模量調(diào)整系數(shù)0.5，5%水泥劑量的劈裂強度與抗彎拉強度存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系[10]，如式(5)所示：

Rs=0.380e1.374Ri

(5)

式(5)中：Ri為劈裂強度，MPa；Rs為抗彎拉強度，MPa。

3.1 分層攤鋪施工

分層攤鋪施工方案是在下基層養(yǎng)護完成之后再進行上基層的攤鋪，兩基層攤鋪的時間間隔為7、14 d[11]，因此，在下基層養(yǎng)護完成后，檢驗其能否承受上基層攤鋪時的荷載，且在荷載作用下不發(fā)生彎拉破壞，是判斷該施工方案是否合理的一個依據(jù)[9]。

3.1.1 養(yǎng)護溫度5 ℃

當(dāng)養(yǎng)護溫度為5 ℃時，水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)參數(shù)以及不同養(yǎng)護齡期下的底基層最大層底拉應(yīng)力如表5、表6所示。

表5 養(yǎng)護溫度為5 ℃時水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)參數(shù)

表6 養(yǎng)護溫度為5 ℃時水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應(yīng)力

由表6可知，隨著軸載的增加，水泥穩(wěn)定碎石底基層基層的層底最大拉應(yīng)力也逐漸增加。通過與劈裂強度進行比較，當(dāng)?shù)谆鶎釉? ℃的養(yǎng)護溫度下養(yǎng)護7、14 d后，進行上基層的攤鋪，車輛對底基層產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力均大于抗彎拉強度。

3.1.2 養(yǎng)護溫度0 ℃

養(yǎng)護溫度為0 ℃時，水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)參數(shù)以及不同養(yǎng)護齡期下的底基層最大層底拉應(yīng)力如表7、表8所示。

表7 養(yǎng)護溫度為0 ℃時水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)參數(shù)

表8 養(yǎng)護溫度為0 ℃時水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應(yīng)力

由表8可知，隨著軸載的增加，水泥穩(wěn)定碎石底基層的層底最大拉應(yīng)力也逐漸增加。通過與劈裂強度進行比較，當(dāng)?shù)谆鶎釉? ℃的養(yǎng)護溫度下養(yǎng)護7、14 d后，進行上基層的攤鋪，車輛對底基層產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力均大于抗彎拉強度。

3.1.3 養(yǎng)護溫度-5 ℃

養(yǎng)護溫度為0 ℃時，水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)參數(shù)以及不同養(yǎng)護齡期下的底基層最大層底拉應(yīng)力如表9、表10所示。

表9 養(yǎng)護溫度為-5 ℃時水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)參數(shù)

表10 養(yǎng)護溫度為-5 ℃時水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應(yīng)力

由表10可知，隨著軸載的增加，水泥穩(wěn)定碎石底基層基層的層底最大拉應(yīng)力也逐漸增加。通過與劈裂強度進行比較，當(dāng)?shù)谆鶎釉?5 ℃的養(yǎng)護溫度下養(yǎng)護7、14 d后，進行上基層的攤鋪，車輛對底基層產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力均大于抗彎拉強度。

3.2 連續(xù)攤鋪施工

連續(xù)攤鋪施工的具體方案是對路面的上下層使用相同的壓路機進行碾壓，即在路面下層處理完工后，跳過養(yǎng)護階段，直接進行上一層的攤鋪碾壓[12]。

3.2.1 養(yǎng)護溫度5 ℃

養(yǎng)護溫度為5 ℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石基層在不同養(yǎng)護齡期下的底基層最大層底拉應(yīng)力如表11所示。

表11 水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應(yīng)力(5 ℃)

圖3 層底最大拉應(yīng)力與軸載關(guān)系曲線(5 ℃)

由圖3可知，在相同軸載作用下，養(yǎng)護14 d后進行施工，底基層產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力大于養(yǎng)護7 d后進行施工所產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力。隨著軸載增大，層底拉應(yīng)力增大，且呈一次線性關(guān)系。軸載為變量x，層底最大拉應(yīng)力為變量y，養(yǎng)護7 d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力與軸載的線性關(guān)系式為y7=0.005 2x+0.012 5，R2=0.999 9；養(yǎng)護14 d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力與軸載的線性關(guān)系為y14=0.005 4x+0.010 9，R2=1。為使底基層層底不發(fā)生破壞，應(yīng)使關(guān)系式中y小于7 d或14 d的抗彎拉強度，以此控制施工車輛軸載，因此養(yǎng)護溫度為5 ℃時，養(yǎng)護7 d后施工軸載應(yīng)小于157 kN，養(yǎng)護14 d后施工軸載應(yīng)小于244 kN。

3.2.2 養(yǎng)護溫度0 ℃

養(yǎng)護溫度為0 ℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石基層在不同養(yǎng)護齡期下的底基層最大層底拉應(yīng)力如表12所示。

表12 水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應(yīng)力(0 ℃)

圖4 層底最大拉應(yīng)力與軸載關(guān)系曲線(0 ℃)

由圖4可知，在相同軸載作用下，養(yǎng)護14 d后進行施工，底基層產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力大于養(yǎng)護7 d后進行施工所產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力。隨著軸載增大，層底拉應(yīng)力增大，且呈一次線性關(guān)系。軸載為變量x，層底最大拉應(yīng)力為變量y，養(yǎng)護7 d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力與軸載的線性關(guān)系式為y7=0.005x+0.011 4，R2=0.1；養(yǎng)護14 d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力與軸載的線性關(guān)系為，y14=0.005 2x+0.01，R2=0.1。為使底基層層底不發(fā)生破壞，應(yīng)使關(guān)系式中y小于7 d或14 d的抗彎拉強度，以此控制施工車輛軸載，因此養(yǎng)護溫度為0 ℃時，養(yǎng)護7 d后施工軸載應(yīng)小于136 kN，養(yǎng)護14 d后施工軸載應(yīng)小于156 kN。

3.2.3 養(yǎng)護溫度-5 ℃

養(yǎng)護溫度為-5 ℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石基層在不同養(yǎng)護齡期下的底基層最大層底拉應(yīng)力如表13所示。

表13 水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應(yīng)力(-5 ℃)

從圖5可以看出，在相同軸載作用下，養(yǎng)護14 d后進行施工，底基層產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力大于養(yǎng)護7 d后進行施工所產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力。隨著軸載增大，層底拉應(yīng)力增大，且呈一次線性關(guān)系。軸載為變量x，層底最大拉應(yīng)力為變量y，養(yǎng)護7 d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力與軸載的線性關(guān)系式為y7=0.004 7x+0.010 8，R2=0.1；養(yǎng)護14 d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力與軸載的線性關(guān)系為，y14=0.004 9x+0.011 5，R2=1。為使底基層層底不發(fā)生破壞，應(yīng)使關(guān)系式中y小于7 d或14 d的抗彎拉強度，以此控制施工車輛軸載，因此養(yǎng)護溫度為-5 ℃時，養(yǎng)護7 d后施工軸載應(yīng)小于115 kN，養(yǎng)護14 d后施工軸載應(yīng)小于118 kN。

4 結(jié)論

(1)通過在不同養(yǎng)護溫度與不同早強劑劑量的水泥穩(wěn)定碎石試件的劈裂強度的發(fā)展規(guī)律，可以得出：低溫環(huán)境下，與早強劑摻量為0%的水泥穩(wěn)定碎石時間相比，早強劑摻量為4%、8%的水泥穩(wěn)定碎石材料劈裂強度提升12%～24%和20%～37%。

(2)隨著養(yǎng)護溫度與早強劑摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石材料壓縮模量均會增加，其中養(yǎng)護溫度對壓縮模量影響較大；在相同水泥含量下，早強劑摻量越大，7 d的壓縮模量越大，但隨著早強劑的摻量增加，提升效果越小。

(3)基于分層攤鋪施工方案，通過軟件模擬運算分析，在基層低溫養(yǎng)護溫度為5、0、-5 ℃的條件下，水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)護7 d與14 d后，上基層施工時產(chǎn)生的底基層層底最大拉應(yīng)力均大于抗彎拉強度，不宜進行上基層攤鋪工作。

(4)基于連續(xù)攤鋪施工方案，通過軟件模擬運算分析，在基層低溫養(yǎng)護溫度為5、0、-5 ℃的條件下，水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)護7 d與14 d后，面層施工時所產(chǎn)生的底基層層底最大拉應(yīng)力，隨著軸載的增加呈線性相關(guān)。在養(yǎng)護溫度為5 ℃時，可在養(yǎng)護14 d后，使用軸載小于244 kN的車輛進行施工。