較低劑量骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)與溫縮性能研究

張海龍，王冠軍，王東武 ，代金國(guó)，劉時(shí)俊

（1.山東華濰工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，山東 濰坊 261061；2. 山東綠達(dá)景觀工程有限公司，山東 濰坊 261041；3.濰坊公路發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261057；4.山東宏昌路橋集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261061；5. 山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

引言

水泥穩(wěn)定碎石（簡(jiǎn)稱(chēng)水穩(wěn)碎石）是我國(guó)路面結(jié)構(gòu)廣泛采用的基層或底基層材料，占到基層用量的85%（各級(jí)公路基層）至95%（高速公路基層）以上[1]。該材料的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生溫縮裂縫或干縮裂縫，進(jìn)而可能導(dǎo)致瀝青路面的反射裂縫，加速面層的開(kāi)裂破壞。水穩(wěn)碎石基層裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，與材料自身的收縮特性有著密切的聯(lián)系，材料的收縮變形越小，其形變產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也就越小，產(chǎn)生較大裂縫的可能性隨之降低；而影響收縮性能的內(nèi)在因素除了級(jí)配有一定影響外，水泥劑量影響會(huì)更大，較少水泥劑量的水穩(wěn)碎石必定具有較好的收縮性能，但在追求低劑量水穩(wěn)碎石時(shí)還需兼顧強(qiáng)度性能的要求，因此礦料級(jí)配的優(yōu)化設(shè)計(jì)是需要重視的問(wèn)題。在骨架空隙、骨架密實(shí)與懸浮密實(shí)型級(jí)配結(jié)構(gòu)中，骨架密實(shí)型為低劑量水穩(wěn)碎石的實(shí)現(xiàn)提供了可能。對(duì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的低劑量骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石的收縮性能進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)這類(lèi)材料的抗裂性能優(yōu)勢(shì)。

材料的收縮性能用收縮系數(shù)來(lái)衡量，根據(jù)產(chǎn)生收縮的機(jī)理不同分為溫縮系數(shù)和干縮系數(shù)。溫縮系數(shù)是指單位降溫下的自由收縮應(yīng)變量，反映了材料降溫后尺寸收縮的性能；干縮系數(shù)是指單位失水率下的自由收縮應(yīng)變量，反映了材料失水后尺寸收縮的性能。

1 低劑量骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石配比

1.1 骨架密實(shí)型礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1.1 設(shè)計(jì)理論

要實(shí)現(xiàn)較低劑量的水穩(wěn)碎石，需要較小的礦料間隙率，而骨架密實(shí)型具有較小礦料間隙率特征。文獻(xiàn)[2]給出了骨架密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)方法，提出了骨架密實(shí)型級(jí)配在粗細(xì)集料分界篩孔的通過(guò)率由公式（1）計(jì)算確定。

式中：x0—粗細(xì)集料分界篩孔通過(guò)率，%；Vca—合成粗集料的松裝骨架間隙率，以小數(shù)計(jì)；νfa—合成細(xì)集料的松裝間隙率，以小數(shù)計(jì)；γca—合成粗集料的毛體積相對(duì)密度；γfa—合成細(xì)集料的毛體積相對(duì)密度。

1.1.2 骨架密實(shí)型礦料級(jí)配

進(jìn)行骨架密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，首先分別進(jìn)行合成粗集料級(jí)配和細(xì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)，進(jìn)而參照文獻(xiàn)[3]通過(guò)試驗(yàn)獲得公式（1）中所包含的4個(gè)參數(shù)；然后，通過(guò)公式（1），并適當(dāng)考慮細(xì)集料的干涉作用，計(jì)算得到粗細(xì)分界篩孔通過(guò)率，即獲得骨架密實(shí)型級(jí)配。根據(jù)文獻(xiàn)[4]選擇級(jí)配的集料公稱(chēng)最大粒徑與級(jí)配碎石類(lèi)型，設(shè)計(jì)得到骨架密實(shí)級(jí)配見(jiàn)表1。為便于對(duì)比，表1中同時(shí)設(shè)計(jì)了級(jí)配偏粗的對(duì)比級(jí)配。

表1 設(shè)計(jì)的骨架級(jí)配及對(duì)比級(jí)配

1.2 低劑量水穩(wěn)碎石配比

礦料間隙率較小的骨架密實(shí)級(jí)配為使用較低的水泥劑量提供了條件與可能，究竟是否滿(mǎn)足水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度要求還需要試驗(yàn)驗(yàn)證。將2.5%～4.5%的水泥劑量認(rèn)定為較低劑量。依據(jù)文獻(xiàn)[4]，利用PO42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行2.5%、3.5%和4.5%三個(gè)劑量的擊實(shí)、制件與強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)表2、表3。

表2 骨架密實(shí)級(jí)配及對(duì)比級(jí)配水穩(wěn)碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 骨架密實(shí)級(jí)配及對(duì)比級(jí)配水穩(wěn)碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表3可知，在各水泥劑量下，骨架密實(shí)級(jí)配與對(duì)比級(jí)配的水穩(wěn)碎石在7 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值均符合文獻(xiàn)[4]規(guī)定的Rd≥5.0 MPa的要求；同樣水泥劑量時(shí)，跟對(duì)比級(jí)配相比，骨架密實(shí)級(jí)配的強(qiáng)度明顯增大，體現(xiàn)了級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要作用。

2 溫縮性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 梁式試件成型方法

依據(jù)文獻(xiàn)[5]中T0844—2009梁式試件成型方法，用長(zhǎng)方體試模靜壓成型尺寸為10 cm×10 cm×40 cm的中梁試件。依據(jù)最大干密度、最佳含水率以及98%壓實(shí)度計(jì)算單個(gè)試件的材料用量；進(jìn)行集料的烘干、加水拌和，然后悶料12 h。在靜壓成型前，將試料補(bǔ)足預(yù)留含水量和加入水泥拌和均勻，將上下壓塊和試模內(nèi)壁涂上潤(rùn)滑油，將試料分3層填入試模中，每層均輕輕搗實(shí)。靜壓成型后保持壓力2 min再取下，為保證成型的試件脫模時(shí)不易發(fā)生斷裂，成型后放置時(shí)間延長(zhǎng)至18～20 h。脫模后試件放進(jìn)塑料袋中封閉移入養(yǎng)護(hù)室并覆蓋上濕毛巾養(yǎng)護(hù)7 d，養(yǎng)護(hù)最后1 d取出浸水24 h。

2.2.2 溫縮試驗(yàn)

依據(jù)文獻(xiàn)[5]中T0855—2009試驗(yàn)方法進(jìn)行溫縮試驗(yàn)。飽水后的試件擦去水分，置于烘箱中烘干10 h以上直至恒重，然后置于干燥通風(fēng)環(huán)境冷卻至常溫，之后測(cè)量初始長(zhǎng)度。試件兩端面貼上玻璃片，將收縮儀移入高低溫交變箱中并放置涂抹了潤(rùn)滑油的玻璃棒，將試件放在玻璃棒上并保證方向與收縮儀一致，在兩側(cè)端面的中心裝上千分表開(kāi)始試驗(yàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 溫縮試驗(yàn)

考慮到山東省一般情況下工程的環(huán)境溫度變化范圍，試驗(yàn)降溫范圍選為40～-10 ℃，每10 ℃為一個(gè)溫度等級(jí)，同時(shí)試驗(yàn)濕度設(shè)定為0%，為干燥環(huán)境。每次交變箱達(dá)到指定溫度后恒溫3 h，在恒溫結(jié)束前5 min讀取千分表讀數(shù)。兩支千分表的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度總和為試件降溫過(guò)程中的總收縮長(zhǎng)度。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，溫縮系數(shù)：

式中：li—第i個(gè)溫度區(qū)間千分表讀數(shù)和平均值，mm；ti—設(shè)定的第i個(gè)溫度區(qū)間，℃；Lo—試件初始長(zhǎng)度，mm；εi—第i個(gè)溫度區(qū)間下的平均收縮應(yīng)變；αt—溫縮系數(shù)，×10-6/℃。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取3.5%、4.5%的水泥劑量對(duì)骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石進(jìn)行溫縮試驗(yàn)，對(duì)比級(jí)配僅選擇3.5%的水泥劑量，計(jì)算得到各溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 各溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)

由表4可知，在40～-10 ℃溫度區(qū)間中，骨架密實(shí)級(jí)配不同劑量下的溫縮系數(shù)較為接近，而對(duì)比級(jí)配的溫縮系數(shù)要略小于骨架密實(shí)級(jí)配；在10～0 ℃溫度區(qū)間內(nèi)兩者的溫縮系數(shù)下降幅度均較大；溫度下降至-10 ℃后，骨架密實(shí)級(jí)配、對(duì)比級(jí)配的溫縮系數(shù)均略有上升，水泥劑量較大的一組上升較為明顯，而水泥劑量較為接近的2組溫縮系數(shù)也較為接近；推測(cè)在0 ℃溫度時(shí)，混合料中的殘留的少量水分開(kāi)始結(jié)冰產(chǎn)生一定的體積膨脹，抵消了整體結(jié)構(gòu)的部分收縮，而在-10 ℃溫度時(shí)，混合料中水泥石部分的收縮應(yīng)變比集料部分的收縮應(yīng)變大，導(dǎo)致劑量較大的混合料溫縮系數(shù)較大。

通過(guò)溫縮性能試驗(yàn)可知：（1）相同水泥劑量下，對(duì)比級(jí)配的溫縮系數(shù)略低于骨架密實(shí)級(jí)配的溫縮系數(shù)，表明對(duì)比級(jí)配溫縮性能較好，這與對(duì)比級(jí)配的水穩(wěn)碎石具有較大的空隙率有關(guān)。（2）在骨架密實(shí)級(jí)配的不同水泥劑量下，溫縮系數(shù)隨水泥劑量減少而下降，即溫縮性能提升。

由無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)和溫縮試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果可得：（1）骨架密實(shí)級(jí)配結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度更高、骨架強(qiáng)度更好，在強(qiáng)度、剛度的試驗(yàn)表現(xiàn)較優(yōu)，但溫縮系數(shù)大于對(duì)比級(jí)配，表明溫縮性能不及對(duì)比級(jí)配的好。（2）由于骨架密實(shí)級(jí)配的細(xì)集料含量較高，在40～20 ℃區(qū)間內(nèi)具有較大的溫縮變形，因此在溫度較高的地區(qū)保證基本承載能力的情況下，除了控制水泥劑量外還應(yīng)控制細(xì)集料的含量。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）基于較小的礦料間隙率既能保障粗集料顆粒充分嵌擠，又可為利用較少的水泥劑量提供可能性的理念，建立了較低劑量骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，按該方法可獲得較低水泥劑量且強(qiáng)度較高的骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石。（2）無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)表明，與級(jí)配較粗的水穩(wěn)碎石相比，水泥劑量相同時(shí)骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石具有明顯的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。（3）溫縮試驗(yàn)表明，與骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石相比，水泥劑量相同時(shí)級(jí)配較粗的水穩(wěn)碎石的溫縮性能稍?xún)?yōu)于前者，但強(qiáng)度有所降低；骨架密實(shí)型級(jí)配的水穩(wěn)碎石隨水泥劑量增大，溫縮性能在降低。