基于大厚度半剛性基層配合比試驗分析*

鄒夢超 陳穎輝 歐明喜 李濤 后錢峰

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.廣東省冶金建筑設計研究院有限公司 廣州 510080)

0 引言

當前國內(nèi)半剛性基層多采用分層施工，但各層之間的粘結效果不甚理想，使整個半剛性基層分層受力，達不到預期強度設計要求。王軍[1]發(fā)現(xiàn)基層整體性欠佳是造成路面災害的主要原因之一，故采用一次施工完成的大厚度半剛性基層得到發(fā)展[2]，而如何合理確定大厚度半剛性基層中各集料最優(yōu)配合比則尤為重要[3]。根據(jù)材料組成的不同，常用的半剛性基層可分為石灰粉煤灰穩(wěn)定類、水泥穩(wěn)定類及水泥粉煤灰穩(wěn)定類[4]。對石灰粉煤灰穩(wěn)定類按結構劃分，又可分為懸浮型及密實型兩類。目前懸浮密實結構作為路面基層在工程中應用廣泛，但賈侃[5]、沙愛民等[6]研究發(fā)現(xiàn)懸浮密實結構在重復荷載作用下易出現(xiàn)疲勞破壞，導致局部失穩(wěn)。因此，為了提高半剛性基層的使用性能，本文針對上述問題，基于干線公路，主要研究大厚度半剛性基層構成骨架密實型結構時的粗細集料配合比，并對此結構進行相關分析，為今后的公路建設與發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗準備

1.1 原材料

(1)水泥。按照試驗需求，采用終凝時間<10 h而初凝時間>45 min的水泥，且嚴禁使用早快硬型和不安定性水泥[7]。試驗使用的水泥為云南華新東駿水泥有限公司提供的P.O42.5水泥，水泥摻量為5%。

(2)碎石。根據(jù)集料的分組規(guī)定，將碎石分為4組：A0組為0～5 mm、A1組為5～10 mm、A2組為10～20 mm、A3組為20～30 mm。依照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)[8]，可得到集料的基本物理性能如表1、表2所示。相關試驗表明:粒徑>4.75 mm的集料承擔外部荷載，屬于骨架的主要部分，粒徑<4.75 mm的集料為細集料，因此選取4.75 mm為粗細集料的界限。

表1 集料的物理指標

表2 碎石的篩分統(tǒng)計

1.2 集料裝配

將粗集料按照比例進行稱重，稱重后試樣分3份均勻裝入已知質量的容器中。第1份試樣裝填完后，將容器置放在直徑約30 mm的圓管上左右往返振動25次；振實后，緊接將第2份試樣裝入容器，同樣放置在圓管上前后振動25次；最后裝填第3份試樣，以相同的方法左右振動相應次數(shù)。當試樣完成振實后，刮平試樣表面，稱得容器總重，測得容器體積，根據(jù)ρ=m/v求得振實后的試樣密度。

2 配合比試驗

2.1 粗集料最佳配合比試驗

2.1.1Ⅰ級振實試驗

將A0、A1集料進行混合振實，混合料總重為10 kg， A1集料用量以5%逐步增加，起始比例為65∶35。振實試驗完成后，得到兩組混合料的不同配合比與振實密度的關系曲線，如圖1所示。在曲線上依次選取3個最大振實密度對應的A0∶A1比例，記為a1、a2、a3組。可以看出，Ⅰ級振實密度隨著A1集料所占比例的增加，呈先增大后減小的趨勢。振實密度增加是由于混合料間的空隙被A1集料填充，當混合料中A0∶A1比例為 45∶55 時，混合料整體振實密度達到最大值。隨著A1集料的進一步增加，混合料間的空隙不足以填充A1集料，混合料骨架被撐開，振實密度開始減小。 根據(jù)粒子干涉理論，此時集料間出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。通過Ⅰ級振實試驗，最終選取圖1中的a1(50∶50)、a2(45∶55)、a3(40∶60)等3組混合料進行Ⅱ級振實試驗。

圖1 Ⅰ級振實試驗結果

2.1.2 Ⅱ級振實試驗

在Ⅰ級試驗的基礎上，將所確定的a1、a2、a3等3組混合料分別與A2集料進行混合。由于A2集料在混合料中比例應較小[9]，故試驗配合比起點為80∶20。每組試驗混合料質量控制在10 kg，其中A2集料以10%逐步增加，將各組混合料進行振實，得到a1、a2、a3組與A2集料混合后不同配合比與振實密度的關系曲線，如圖2所示。Ⅱ級振實試驗完成后，選取振實密度最大的兩組，記為M、N組。由圖可知，3組不同比例混合料的振實密度均呈先增加后減小的趨勢?；旌狭厦芏仍黾樱砻髟冖窦壵駥嵲囼灪?，A0、A1混合料中還存在著空隙，隨著A2集料的加入，Ⅰ級混合料中的空隙逐步被填充密實。當混合料振實密度達到峰值時，繼續(xù)增加A2集料，混合料密度開始逐漸減小，粗集料骨架被破壞，說明產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。

圖2 Ⅱ級振實試驗結果

在上述試驗中，當a1、a2組與A2集料的質量比為70∶30時，即為圖2中的b1、b2組，此時混合料振實密度較大，且b2組的大于b1組的。令b2為M，A0∶A1∶A2配合比為31.5∶38.5∶30；令b1為N，A0∶A1∶A2配合比為35∶35∶30。再以M、N組粗集料形成的骨架為基礎，進行細集料的填充，確定基層混合料中粗細集料的比例。

2.2 粗細集料最佳配合比確定

骨架密實型級配理論表明，粗集料不僅需要緊密排序，構成骨架嵌擠形式，而且骨架間的空隙需要由細集料和無機結合材料進行填充，形成骨架密實結構。在此次粗細集料配合比試驗中，保證水泥摻量、養(yǎng)護環(huán)境等條件相同，以7 d無側限抗壓強度為標準，對混合料進行抗壓強度試驗，以此探究粗細集料最佳配合比，結果如表3所示。由表可知，當混合料中細集料比例由20%增加到25%時，M、N組兩種配合比下混合料7 d無側限抗壓強度分別提高了15.95%和13.52%；當細集料比例由25%增加到30%時，兩種配合比下混合料7 d無側限抗壓強度分別降低了20.08%和20.53%；當粗細集料比例為60∶40時，混合料整體7 d無側限抗壓強度分別較最大值減小了42.39%和40.85%。

表3 7 d無側限抗壓強度 MPa

細集料還未摻入M、N兩組不同配合比的粗集料混合料中時，兩組粗集料結構為骨架空隙型。隨著細集料的增加，粗集料骨架間空隙逐漸被填充，由于水泥的膠凝作用，混合料間粗細集料的接觸面積大大增加，使兩者的粘結力也相應提高，從而使混合料整體抗側壓強度提高。當空隙被完全填充，結構轉為骨架密實型時，隨著細集料比例的繼續(xù)提高，混合料出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，其整體強度開始大幅降低，此時混合料結構從骨架密實型過渡到骨架懸浮型。

綜上，當混合料結構由骨架空隙型轉為骨架密實型時，集料的整體強度有小幅提高，但由骨架密實型轉為骨架懸浮型時，混合料強度大幅降低，說明干涉現(xiàn)象對無側限抗壓強度影響較大。因此，粗細集料最佳的配合比為75∶25，此時混合料為骨架密實型結構。

3 配合比分析

3.1 骨架型及級配曲線分析

多位學者研究指出，當集料間隙率VCAmix大于集料干搗實間隙率VCADRC時，集料為骨架懸浮型結構；當VCAmix與VCADRC相近時，集料為骨架密實型結構；當VCAmix小于VCADRC時，集料為骨架嵌擠型結構；當 VCAmix遠小于VCADRC時，集料為骨架空隙型結構[10-12]。令VCAmix=α，VCADRC=β，則

(1)

(2)

其中

(3)

(4)

式中，P1，P2，…，Pi為各組混合料中粗集料(粒徑>4.75 mm)的比例；γf為混合料毛體積密度；γCA為粗集料骨架的毛體積密度；γS為振實密度，由振實試驗得出；γ1，γ2，…，γi為各組集料密度。

計算得出表3中10組不同配合比的VCAmix和VCADRC，如圖3所示。由圖可知，粗集料之間的間隙率均隨混合料中細集料的減少而減小。當細集料所占比例為30%(J3)時，即VCAmix和VCADRC相近，混合料中細集料充分填充粗集料間的空隙，結構為骨架密實型；當細集料比例為25%時，即為圖中J4、P4，滿足VCAmix小于VCADRC，表明此級配具有骨架性；同理可知，J5和P5也滿足上述要求，均具有骨架性，但對于J5，VCAmix小于VCADRC，表明P5結構為骨架空隙型。綜上，J3、J4、J5、P4、P5均滿足VCAmix小于VCADRC或兩者相近的要求，集料都具有骨架性特征。

圖3 不同級配下的VCAmix和VCADRC

依據(jù)表3中10組不同配合比粗細集料，得到各分組的篩孔通過率如圖4所示。圖中的上下限為《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中C-B-1的級配范圍?？梢钥闯?，10組級配均在規(guī)范上下限附近波動，但幅度較小。其中，J1、J2、P1、P2組的級配曲線均在規(guī)范上限以上，表明上述混合料中粗集料含量較少，在此級配下的混合料骨架性難以保證；而J5、P5組的級配曲線均在規(guī)范下限以下，表明此級配下混合料中粗集料含量較大，需謹慎采用；而J3、J4、P3、P4組的級配曲線都在規(guī)范區(qū)間內(nèi)，表明此級配下混合料骨架滿足要求，其中J4、P4組級配粗集料含量均大于J3、P3組，且J4、P4組級配曲線形似“S”，表明此配合比下混合料級配合理，此時結構為骨架密實型。

(a)J1～J5組

因此，從規(guī)范級配范圍分析，J3、J4、P3、P4組級配滿足要求；但從集料骨架性分析，J4、J5、P4、P5組級配更優(yōu)，故上述J3、J4、J5、P3、P4、P5組級配均符合要求。

3.2 7 d無側限抗壓強度

根據(jù)表3中試驗所得的7 d無側限抗壓強度，可得不同級配下的強度對比，如圖5所示。 由圖可知，J1～J5組與P1～P6組無側限抗壓強度均是先增大后減小。根據(jù)一級重載交通應力為4～6 MPa，因此只有J4、J5、P4、P5組滿足規(guī)范強度要求。

圖5 各級配7 d無側限抗壓強度對比

混合料配合比分析中，依據(jù)骨架性判定標準VCAmix小于VCADRC，J3、J4、J5、P4、P5組滿足要求；依據(jù)規(guī)范級配范圍考慮，J3、J4、J5、P3、P4、P5組級配也滿足要求；最后考慮7 d無側限抗壓強度，J4、J5、P4、P5組同樣滿足要求。綜上，可依據(jù)J4、J5、P4、P5組集料確定骨架密實型結構關鍵篩孔通過率范圍，如表4所示。

表4 7 d骨架密實型配合比的關鍵篩孔控制范圍

4 結論

(1)Ⅰ、Ⅱ級填充振實試驗后，當混合料中粗集料各分組A0、A1、A2的比例為31.5∶38.5∶30 和35∶35∶30時，混合料振實密度較高，集料的骨架性也能滿足要求。

(2)混合料中粗集料在滿足骨架性的基礎上，加入一定比例的細集料，當粗細集料的配合比為75∶25時，混合料的嵌擠效果達到最好，在該配合比下，粗細集料構成骨架密實型結構。

(3)在10組不同配合比的混合料分析中，依據(jù)骨架性、級配和7 d無側限抗壓強度要求，確定大厚度半剛性基層骨架密實型結構的關鍵篩孔尺寸分別為9.5、4.75、2.36 mm，該尺寸下通過率范圍分別為50%～57%、33%～38%、19%～25%。