級(jí)配對(duì)多孔水泥碎石性能的影響

高 攀， 黃 歡

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

長期以來,半剛性基層瀝青路面為我國高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)主要形式,據(jù)統(tǒng)計(jì)國內(nèi)高等級(jí)公路中85%以上為半剛性基層,半剛性基層為不透水結(jié)構(gòu)。無論水泥混凝土路面還是瀝青路面,水是造成路面結(jié)構(gòu)損壞的重要原因[1]。大量的路面損壞狀況調(diào)查和路面使用經(jīng)驗(yàn)表明,進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由水[2]是造成或加速路面損壞的最重要原因之一。使用多孔水泥碎石結(jié)構(gòu)將水排出,是減少路面結(jié)構(gòu)水損害的有效措施之一。

多孔水泥碎石混凝土是目前國內(nèi)外開發(fā)應(yīng)用具有生態(tài)功能的混凝土[3，4]。水泥漿的黏結(jié)力和集料之間的嵌擠作用為多孔水泥碎石提供強(qiáng)度。

要保證多孔水泥碎石具有合格的排水性能,其應(yīng)該不含或者含有少量細(xì)集料。因此,集料配比影響著其強(qiáng)度的大小和排水能力的強(qiáng)弱。

本試驗(yàn)采用了單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配。單集料級(jí)配碎石粒徑為4.75～9.5 mm,雙集料級(jí)配采用4.75～9.5 mm和9.5～15 mm兩種碎石粒徑。無細(xì)集料。

1 原材料

1.1 原材料

(1) 下承層驗(yàn)收處理。試驗(yàn)采用巢湖海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。水泥的相關(guān)性能指標(biāo)應(yīng)符合公路工程相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求,尤其是凝結(jié)時(shí)間,不宜采用早強(qiáng)或凝結(jié)時(shí)間較短的水泥。其主要性能指標(biāo)見表1。

1.2 集料

由于集料對(duì)多孔水泥碎石的強(qiáng)度和空隙率有著較大的影響且多孔水泥碎石混凝土水泥用量相比較大,水泥石與集料的粘結(jié)強(qiáng)度是多孔水泥碎石中最薄弱的環(huán)節(jié),因此集料應(yīng)不含有害雜質(zhì)。其含泥量及針片狀含量應(yīng)滿足要求。集料與集料之間點(diǎn)接觸,質(zhì)地堅(jiān)硬耐久才能保證多孔水泥碎石的強(qiáng)度要求,因此集料不能破碎,故對(duì)其壓碎值亦提出要求。此外,集料的最大粒徑應(yīng)滿足要求。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 石料基本性能指標(biāo)

為了得到更加合理的兩種粗集料的配比,使得成型的結(jié)構(gòu)具有更大的密實(shí)度。本實(shí)驗(yàn)采用同體積振動(dòng)的方法將2種粗集料以不同的體積比混合在一起放在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí),得到振動(dòng)后體積最小的混合集料為最佳集料體積比。將4.75～9.5 mm和9.5～15 mm兩種集料按照不同的的體積比混合在一起,經(jīng)在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)后,若兩種集料不互相嵌擠,則兩種集料的體積會(huì)充滿試筒的整個(gè)空間。振動(dòng)后若兩種集料的混合料高度下降,則說明兩種集料互相嵌擠。按9.5～15 mm和4.75～9.5 mm兩種集料以9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5不同的體積比例進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)兩種集料的堆積密度計(jì)算出所需的集料質(zhì)量再放入同一試筒內(nèi)振動(dòng)至試筒上蓋不再下降(振動(dòng)2 min),根據(jù)試筒上蓋下降的高度來判斷兩種集料嵌擠的密實(shí)程度,下降高度越大則說明兩種集料嵌擠越好,混合料越密實(shí)。此處切不可根據(jù)密度的大小來衡量混合料的密實(shí)度,因4.75～9.5 mm的集料的振實(shí)密度大,此集料占比越多則振實(shí)密度越大,不能反映兩種集料的堆積嵌擠程度。

表3 雙級(jí)配配比試驗(yàn)

從表3中可知,隨著9.5～15 mm和4.75～9.5 mm兩種集料體積比從9∶1到5∶5的變化中,振動(dòng)之后混合料下降的高度先增大后減小,在兩種集料的體積比為7∶3時(shí)經(jīng)振動(dòng)所得到的混合料下降高度最大。說明隨著兩種集料體積比從9∶1到5∶5的過程中,混合料振動(dòng)后的嵌擠程度先增大后減小,在體積比7∶3時(shí)相對(duì)比較密實(shí),故選取7∶3為兩種集料的體積比,根據(jù)兩種集料的振實(shí)密度得到它們的單位體積質(zhì)量比為2.2647∶1。

2 配合比設(shè)計(jì)過程

2.1 確定擊實(shí)次數(shù)

由于本試驗(yàn)的多孔水泥穩(wěn)定碎石不含細(xì)集料,擊實(shí)試驗(yàn)中很容易將依靠點(diǎn)與點(diǎn)接觸的集料擊破,如集料破碎則多孔水泥碎石試件的強(qiáng)度下降和空隙率降低。此方法可以用于多孔水泥穩(wěn)定碎石,但確定混合料最大干密度的過程中擊實(shí)次數(shù)很難掌握。鑒于此,對(duì)于多孔水泥碎石采用一種變通的擊實(shí)次數(shù),即擊實(shí)次數(shù)是使得石料被擊實(shí)且石料不被擊碎或少量被擊碎的標(biāo)準(zhǔn)確定。

擊實(shí)次數(shù)15次或20次，對(duì)應(yīng)的試件內(nèi)部出現(xiàn)較多的粗集料被擊碎的現(xiàn)象,說明粗集料被擠壓過度,按此密度成型會(huì)使試件內(nèi)部的粗集料被壓碎而影響試件的強(qiáng)度和空隙率。擊實(shí)10次的密實(shí)度較5次的密實(shí),且只有少許的粗集料被壓碎,故選取擊實(shí)次數(shù)為10次。擊實(shí)次數(shù)10次的單集料級(jí)配擊實(shí)試驗(yàn)見表4。

表4 單集料級(jí)配擊實(shí)試驗(yàn)

2.2 確定水灰比

本節(jié)采用靜壓成型,由成型試件的無側(cè)線強(qiáng)度來選擇合理的水灰比。

成型直徑、高均為100 mm的圓柱形試件,根據(jù)表4中不同水灰比擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的濕密度來計(jì)算成型試件所需原材料用量,將三個(gè)試件在一起拌和,拌和前各種材料的用量均乘以1.02的擴(kuò)大系數(shù),拌和完畢后,稱量成型一個(gè)試件所需用量,靜壓成型。成型后的試件放在養(yǎng)護(hù)室中,24 h后進(jìn)行脫膜,脫膜后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件的7 d抗壓強(qiáng)度見表5。

表5 水灰比不同的單集料級(jí)配7 d抗壓強(qiáng)度

水灰比從0.34增加到0.40過程中,試件的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比增加而增大。水灰比從0.40增加到0.44的過程中,試件的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增加而減小。

從表5可知，0.40的水灰比試件強(qiáng)度最大,故選擇0.40的水灰比成型試件是合理的。

2.3 水泥用量

對(duì)多孔水泥碎石基層來說,水泥用量是一個(gè)很重要的影響因素。如果水泥用量較多,會(huì)降低其排水性能且造價(jià)高。水泥用量少,則不能提供基層所需強(qiáng)度。多孔水泥碎石的強(qiáng)度指標(biāo)在一定程度上取決于水泥用量,隨著水泥用量的增加,多孔水泥碎石基層的強(qiáng)度也將顯著地提高。為了研究水泥用量對(duì)多孔水泥碎石基層的影響,進(jìn)行不同水泥用量的單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),水灰比0.40,試件為直徑和高均為100 mm的圓柱體,成型方式為靜壓。7 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表6。

表6 兩種級(jí)配抗壓強(qiáng)度

從表6中可以看出,在一定的水泥用量范圍內(nèi),無論是單集料級(jí)配還是雙集料級(jí)配,隨著水泥用量的增加,試件的強(qiáng)度逐漸增大。

當(dāng)單級(jí)配水泥用量16%時(shí),水泥碎石強(qiáng)度為6.2 MPa,與水泥用量8%強(qiáng)度2.2 MPa相比,強(qiáng)度提升了1.82倍。對(duì)雙集料級(jí)配來說,水泥用量8%時(shí)試件的強(qiáng)度僅為2.6 MPa,但水泥用量16%時(shí)試件的強(qiáng)度高達(dá)9.7 MPa,強(qiáng)度提升了2.73倍?？梢娝嘤昧繉?duì)試件強(qiáng)度有著較大的影響。

從表6中還可以看出,在同一水泥用量的情況下,雙集料級(jí)配的抗壓強(qiáng)度大于單集料級(jí)配的抗壓強(qiáng)度。所以雙集料級(jí)配的結(jié)構(gòu)更加合理。

從單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配的強(qiáng)度可以看出,試件的骨架結(jié)構(gòu)和粗集料間的咬合也影響著多孔水泥碎石試件的強(qiáng)度。

3 空隙率測定

3.1 空隙率概述

多孔水泥碎石作為排水基層,具有滿足要求的排水能力是基本要求。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中排水能力的強(qiáng)弱通常是通過空隙率(尤其是有效空隙率)來反應(yīng)。

空隙是指水泥細(xì)集料漿填充粗集料骨架空隙后的剩余部分,它由三部分組成,連通空隙、半連通空隙以及封閉空隙,三者之和為全空隙。空隙率(也稱全空隙率)是全空隙體積占混合料總體積的百分比,有效空隙率則是指有效空隙體積占混合料總體積的百分比。連通空隙是相互連通的空隙,可以作為排水的通道,當(dāng)水量較多時(shí)作為暫時(shí)儲(chǔ)水之用。封閉空隙外界的水無法進(jìn)入。半連通空隙,也稱死斷孔隙,它有一端與其他孔隙連通,另一端封閉[5],僅有一端與其他空隙連通,可以作為儲(chǔ)水之用。從排水的功效來講,空隙又分為有效空隙和無效空隙。有效孔隙是指互相連通的,不為結(jié)合水所占據(jù)的那一部分孔隙[6]。有效空隙是起著排水的功能,雖然半連通空隙中的水是相對(duì)靜止的,但其中的水在疏干時(shí)能排出,對(duì)于排水也是有效的[7],因此連通空隙和半連通空隙都屬于有效空隙。空隙率和有效空隙率與排水基層的泄水和儲(chǔ)水能力緊密相關(guān)。

3.2 空隙率的測量

對(duì)于多孔水泥碎石試件,量體積法和膠帶密貼蠟封法是常用的空隙率測量方法。量體積法因其操作簡便,且適用于形狀規(guī)整、沒有可見損壞的試件。而膠帶密貼蠟封法適用于掉角缺邊的試件。試驗(yàn)采用量體積法。

量體積法:有效空隙率的測試是水中稱重法[8],就是利用物體的體積在數(shù)值上等于其在水中失去的質(zhì)量,用這種測量試件體積的方法簡單方便。

將養(yǎng)生完畢后的試件放入水中浸泡24 h,可觀察直至無氣泡冒出即可,在水中稱量其恒重m1。取出試件,待試件中的水大多數(shù)流出試件,放入烘箱中烘干至恒重,稱重為m。根據(jù)下述公式計(jì)算出空隙率和有效空隙。有效空隙率和全空隙率的計(jì)算公式如下:

ne=(1-m0-m1v0ρw)×100

n0=(1-m0v0ρt)×100

式中:ne為試件的有效空隙率,%;no為試件的全空隙率,%;m1為試件浸水24 h后的水中質(zhì)量,g;m為試件烘干質(zhì)量,g;ρw為水的密度,g/cm3;ρt為混合料的最大理論密度,(g/cm3)。

ρt=100+ρc+ρc4100γsa+ρcγc+ρc×14×34

式中:ρc為水泥的劑量,即水泥與集料的質(zhì)量百分比,%;γsa為集料的合成表觀相對(duì)密度;γc為水泥的相對(duì)密度,此處取3.1。

為了探究成型試件的空隙率,做了單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配的空隙率試驗(yàn),每組成型3個(gè)試件,試件的水灰比為0.40。成型后放入養(yǎng)護(hù)室24 h后脫模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d。試件養(yǎng)生完成后,用游標(biāo)卡尺量進(jìn)行直徑和高度的測量,試件的高度量取3次,取平均值,計(jì)算出體積V。試驗(yàn)的結(jié)果見表7。

表7 試件的空隙率

參考東南大學(xué)采用重正化群方法對(duì)透水結(jié)構(gòu)層材料空隙的研究,得出透水結(jié)構(gòu)層材料所形成連通孔隙的臨界空隙率[9]為17.33%。所以單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配試件的空隙率均滿足要求。

在水灰比、水泥用量相同時(shí),雙集料級(jí)配的空隙率小于單集料級(jí)配的空隙率。在滿足空隙率要求的同時(shí),雙集料級(jí)配的抗壓強(qiáng)度較高,雙集料級(jí)配更加合理。

4 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)采用水泥、粗集料、經(jīng)試驗(yàn),各檢測指標(biāo)符合規(guī)范要求。

(2) 本試驗(yàn)采用了單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配。單級(jí)配碎石粒徑為4.75～9.5 mm,雙集料級(jí)配采用4.75～9.5 mm和9.5～15 mm兩種碎石粒徑。雙集料級(jí)配,根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn),得出兩種集料的體積比7∶3。

(3) 根據(jù)擊實(shí)后混合料的破碎程度以及擊實(shí)后的密實(shí)狀態(tài),選擇擊實(shí)次數(shù)為10次。根據(jù)成型的多孔水泥穩(wěn)定碎石試件的強(qiáng)度可知,水灰比0.40是合理的。

(4) 隨著水泥用量的增加,不論單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配試件,空隙率減小、有效空隙率也減小。單集料級(jí)配和雙集料級(jí)配試件的空隙率均滿足要求。在水灰比、水泥用量相同時(shí),雙集料級(jí)配的空隙率小于單集料級(jí)配的空隙率。在滿足空隙率要求的同時(shí),雙集料級(jí)配的抗壓強(qiáng)度較高,雙集料級(jí)配更加合理。