機(jī)場(chǎng)道面水穩(wěn)基層性能影響因素試驗(yàn)研究

劉 瀟

（上海機(jī)場(chǎng)（集團(tuán)）有限公司建設(shè)指揮部，上海 200335）

水泥穩(wěn)定碎石作為半剛性材料中最普遍的一種，其憑借具有較高強(qiáng)度、剛度、水穩(wěn)性以及良好板體性等優(yōu)勢(shì)而被大量應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)中的基層或底基層。

國(guó)內(nèi)外對(duì)水穩(wěn)碎石的級(jí)配和性能之間的關(guān)系進(jìn)行了很多研究。楊瑞華等[1]參考SMA級(jí)配的設(shè)計(jì)思想，分析了5種不同級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，表明骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石具有較高的強(qiáng)度，改變水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的結(jié)構(gòu)類型即由傳統(tǒng)的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，可改善半剛性基層材料的力學(xué)性能。類似地，劉佳[2]、David Harold Timm[3]、高潤(rùn)[4]等都得到了相似的結(jié)果。

然而，影響水穩(wěn)碎石性能的因素是多方面的。水泥摻量對(duì)水穩(wěn)碎石強(qiáng)度的影響毋庸置疑，另有研究表明，不同成型方法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)碎石的性能有差異。由于研究單一影響因素具有一定的局限性，文章研究級(jí)配、水泥摻量、成型方式這3種影響因素，通過(guò)多因素試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配進(jìn)行多方面綜合研究，并以使用性能的優(yōu)劣作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)級(jí)配、成型方式、水泥摻量這幾個(gè)影響因素的占比，對(duì)于優(yōu)化水泥穩(wěn)定碎石相關(guān)設(shè)計(jì)能提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料性能

水泥采用的是藍(lán)天牌標(biāo)號(hào)為42.5普通硅酸鹽水泥。參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2005）中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)所選水泥進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，水泥技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)值均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20—2015）規(guī)定的質(zhì)量要求[5-6]。

參照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20—2015）中對(duì)于混合料集料顆粒相應(yīng)指標(biāo)的要求，并按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）中規(guī)定的相應(yīng)指標(biāo)試驗(yàn)方式對(duì)所選粗、細(xì)集料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)[6-7]。

此次集料產(chǎn)地選用的是四川省眉山市仁壽縣，石料為石灰?guī)r。進(jìn)行集料性能試驗(yàn)時(shí)，細(xì)集料的液限、塑限及塑性指數(shù)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[8]。

將細(xì)集料中0.3mm以下集料篩分出來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，得到細(xì)集料的液限ωL為24.1%，塑限指數(shù)ωP為16.9%，從而得出塑性指數(shù)IP為7.2。

將規(guī)范要求及相關(guān)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，集料試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求，選用集料性能優(yōu)良。

1.2 級(jí)配確定

根據(jù)各檔料的篩分?jǐn)?shù)據(jù)確定不同的各檔比例得到3種骨架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中的骨架空隙結(jié)構(gòu)曲線圖于9.5mm篩孔超出了級(jí)配下限，而為了保證骨架孔隙結(jié)構(gòu)的形成，此處允許超過(guò)規(guī)范范圍。根據(jù)3種不同結(jié)構(gòu)成型后的試件外觀即可看出區(qū)別，如圖2所示。

圖1 3種骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配曲線圖

圖2 3種成型后的試件表面

1.3 成型方法

文章選取成型方式作為影響因素，對(duì)比不同級(jí)配在傳統(tǒng)擊實(shí)成型與振動(dòng)成型兩種不同成型方式對(duì)混合料性能的影響。

1.4 水泥劑量

水泥劑量選取了4個(gè)水平：4.0%、4.5%、5.0%以及5.5%。

1.5 性能指標(biāo)測(cè)試方法

選取7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、7d劈裂強(qiáng)度以及90d干縮應(yīng)變作為評(píng)價(jià)級(jí)配及級(jí)配影響因素優(yōu)劣的性能指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

各工況下的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出：

（1）在傳統(tǒng)擊實(shí)法下和振動(dòng)擊實(shí)法下，各種水泥劑量下骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度最大，而骨架空隙結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度最小。

圖3 各工況的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

（2）水泥劑量每增加0.5%用量時(shí)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)所增加的強(qiáng)度值最大，說(shuō)明骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)可以使得水泥產(chǎn)生的作用最大化，此時(shí)水泥的使用效果最好。

（3）振動(dòng)擊實(shí)成型法可以提高3種結(jié)構(gòu)下的抗壓強(qiáng)度，傳統(tǒng)法下5.0%～5.5%水泥對(duì)應(yīng)強(qiáng)度此時(shí)可由4.0%～4.5%水泥劑量實(shí)現(xiàn)。這說(shuō)明振動(dòng)擊實(shí)成型讓骨料重新位移排列后可以形成更好的骨料分布狀態(tài)，提高了由骨料本身帶來(lái)的骨架強(qiáng)度。在水泥劑量較低范圍時(shí)，三種結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度提升效果較為明顯，隨著水泥劑量的增大，強(qiáng)度提升效果會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樗鄤┝枯^低時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)的改善作用較大，水泥劑量較高時(shí)，抗壓強(qiáng)度主要由水泥貢獻(xiàn)。

（4）水泥劑量對(duì)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響可以視為線性。根據(jù)對(duì)線性回歸的斜率進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比可知，水泥劑量影響作用由大到小排序?yàn)楣羌苊軐?shí)振動(dòng)＞懸浮密實(shí)振動(dòng)＞骨架密實(shí)傳統(tǒng)＞骨架孔隙振動(dòng)＞懸浮密實(shí)傳統(tǒng)＞骨架空隙傳統(tǒng)。

2.2 7d劈裂強(qiáng)度

各工況下的7d劈裂強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。

圖4 各工況的7d劈裂強(qiáng)度結(jié)果

根據(jù)圖4可以看出：

（1）在傳統(tǒng)擊實(shí)法下和振動(dòng)擊實(shí)法下，各種水泥劑量下骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的7d劈裂強(qiáng)度最大，而骨架空隙結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度最小。

（2）水泥劑量每增加0.5%用量時(shí)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)所增加的強(qiáng)度值也為最大，同樣證明骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)可以使得水泥產(chǎn)生的作用最大化。

（3）振動(dòng)擊實(shí)成型法可以提高3種結(jié)構(gòu)下的劈裂強(qiáng)度，傳統(tǒng)法下5.0%～5.5%水泥對(duì)應(yīng)強(qiáng)度此時(shí)可由4.0%～4.5%水泥劑量實(shí)現(xiàn)。

（4）水泥劑量對(duì)7d劈裂強(qiáng)度的影響可以視為線性。根據(jù)對(duì)線性回歸的斜率進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比可知，水泥劑量影響作用由大到小排序?yàn)楣羌苊軐?shí)振動(dòng)＞懸浮密實(shí)振動(dòng)＞懸浮密實(shí)傳統(tǒng)＞骨架密實(shí)傳統(tǒng)＞骨架空隙振動(dòng)＞骨架空隙傳統(tǒng)。

2.3 90d干縮應(yīng)變

各工況下的90d干縮應(yīng)變結(jié)果如圖5所示。

圖5 各工況的90d干縮應(yīng)變結(jié)果

根據(jù)圖5可以看出：

（1）在傳統(tǒng)擊實(shí)法下和振動(dòng)擊實(shí)法下，3種結(jié)構(gòu)干縮應(yīng)變都會(huì)隨著水泥劑量的增大而逐漸增加。其中，各種水泥劑量下骨架空隙結(jié)構(gòu)的干縮應(yīng)變最小，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的干縮應(yīng)變最大。這是由于懸浮結(jié)構(gòu)，各級(jí)集料均被次級(jí)集料所隔開(kāi)，不能直接靠攏形成骨架，從而造成集料顆?；ハ酄恐坪图s束的能力最小，在收縮力的作用下最容易發(fā)生微移動(dòng)，體現(xiàn)在宏觀干縮應(yīng)變最大。骨架空隙結(jié)構(gòu)本身就已形成骨架嵌擠作用，嵌擠作用的存在減弱了干縮應(yīng)力的影響，同時(shí)結(jié)構(gòu)中存在明顯可見(jiàn)的空隙部分，而空隙部分周圍的細(xì)集料與水泥混合體在干縮應(yīng)力的作用下，會(huì)更容易在空隙處形成眾多微裂紋，該微裂紋的產(chǎn)生可以使得干縮應(yīng)力得到一定程度釋放，所以減弱了干縮應(yīng)力帶來(lái)的影響。

（2）振動(dòng)擊實(shí)成型法可以降低3種結(jié)構(gòu)下的干縮應(yīng)變：同一干縮應(yīng)變下，振動(dòng)法相比傳統(tǒng)法可多摻水泥劑量約0.5%。水泥劑量較小范圍時(shí)，采用振動(dòng)擊實(shí)降低干縮應(yīng)變的效果較水泥劑量較大范圍時(shí)更顯著一點(diǎn)。

（3）水泥劑量對(duì)90d干縮應(yīng)變的影響可以視為線性。根據(jù)對(duì)線性回歸的斜率進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比可知，水泥劑量影響作用由大到小排序?yàn)閼腋∶軐?shí)傳統(tǒng)＞骨架密實(shí)傳統(tǒng)＞懸浮密實(shí)振動(dòng)＞骨架密實(shí)振動(dòng)＞骨架孔隙傳統(tǒng)＞骨架空隙振動(dòng)。

3 敏感性分析

3.1 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為研究指標(biāo)進(jìn)行極差分析與方差分析，限于文章篇幅，僅展示極差分析結(jié)果如表1所示，下同。

極差分析結(jié)果表明，3種因素對(duì)抗壓強(qiáng)度都具有高度顯著影響。根據(jù)表1所示極差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響程度由高到低的次序?yàn)楣羌芙Y(jié)構(gòu)、擊實(shí)成型方式、水泥劑量，故通過(guò)改善骨架結(jié)構(gòu)和擊實(shí)成型方式來(lái)提高水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度比提高水泥劑量更為顯著，該方式可以不以犧牲抗干縮性能作為代價(jià)而提高抗壓強(qiáng)度。

表1 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析表

3.2 7d劈裂強(qiáng)度

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的7d劈裂強(qiáng)度作為研究指標(biāo)進(jìn)行極差分析與方差分析，極差分析結(jié)果如表2所示。

表2 7d劈裂強(qiáng)度極差分析表

極差分析結(jié)果表明，3種因素對(duì)7d劈裂強(qiáng)度都具有高度顯著影響。根據(jù)表2極差分析結(jié)果可知，3種因素中對(duì)7d劈裂強(qiáng)度影響程度由高到低的次序?yàn)楣羌芙Y(jié)構(gòu)、擊實(shí)成型方式、水泥劑量。與抗壓強(qiáng)度一致，通過(guò)改善骨架結(jié)構(gòu)和擊實(shí)成型方式來(lái)提高水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強(qiáng)度比提高水泥劑量更為顯著，該方式可以不以犧牲抗干縮性能作為代價(jià)而提高劈裂強(qiáng)度。

3.3 90d干縮應(yīng)變

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的90d干縮應(yīng)變作為研究指標(biāo)進(jìn)行極差分析與方差分析，極差分析結(jié)果如表3所示。

表3 90d干縮應(yīng)變極差分析表

極差分析結(jié)果表明，3種因素對(duì)90d干縮應(yīng)變都具有高度顯著影響。根據(jù)表3極差分析結(jié)果可知，3種因素中對(duì)90d干縮應(yīng)變影響程度由高到低的次序?yàn)楣羌芙Y(jié)構(gòu)、水泥劑量、擊實(shí)成型方式。其中，骨架結(jié)構(gòu)與水泥劑量的影響程度很相近，兩者都可以很大程度地影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗干縮性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度最大，而骨架空隙結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度最小，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)可以使得水泥產(chǎn)生的作用最大化。

（2）采用振動(dòng)擊實(shí)成型方式時(shí)，可提高3種級(jí)配的結(jié)構(gòu)使用性能：4.0%～4.5%水泥劑量下即可實(shí)現(xiàn)擊實(shí)法下5.0%～5.5%水泥劑量對(duì)應(yīng)強(qiáng)度。

（3）對(duì)于7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和7d劈裂強(qiáng)度，骨架結(jié)構(gòu)影響最大，擊實(shí)成型方式次之，水泥劑量最小；對(duì)于90d干縮應(yīng)變，骨架結(jié)構(gòu)與水泥劑量影響相近，擊實(shí)成型方式影響相對(duì)較小。

（4）水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配設(shè)計(jì)建議采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，擊實(shí)成型方式建議采用振動(dòng)擊實(shí)成型方式，同時(shí)兩者的結(jié)合可在水泥劑量較低時(shí)使水泥發(fā)揮更大的作用，在水泥劑量為4.0%時(shí)就基本可滿足機(jī)場(chǎng)規(guī)范中對(duì)水穩(wěn)基層抗壓強(qiáng)度的要求（≥4MPa），實(shí)現(xiàn)減少水泥劑量，減小干縮應(yīng)變的同時(shí)能夠較好地保證使用性能。