基于CT掃描試驗的水泥穩(wěn)定基層拱脹機(jī)理探究

程力

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

一、病害調(diào)查

（一）調(diào)查原則及范圍

基于自然地理條件、溫差、時間、材料及工藝差異性原則，本文選取了北疆地區(qū)G30連霍高速公路小草湖至烏魯木齊段、塔里木盆地西北緣G3012吐和高速公路阿克蘇至喀什段、S16麥喀高速公路麥蓋提至喀什段、S13三莎高速公路，以及塔里木盆地南緣G3012吐和高速公路墨玉至和田段開展了路面拱脹病害調(diào)查。

（二）病害特征

路面拱脹病害調(diào)查結(jié)果表明，路面拱脹具有3點特征。從地域分布來看，拱脹主要發(fā)生在環(huán)塔里木盆地沿線；從公路等級來看，拱脹主要發(fā)生在整體式的高速公路和一級公路；從工程建成年代來看，拱脹主要發(fā)生于近幾年建設(shè)的水穩(wěn)基層厚30cm以上、基層強(qiáng)度較高的高等級道路。此外，在早期建成的水穩(wěn)基層厚度薄、強(qiáng)度低的各等級公路未發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定基層拱脹情況。

（三）拱脹特征分析

經(jīng)過調(diào)查、分析拱脹發(fā)生路段路面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，拱脹路段主要有3個特點。從易溶鹽含量來看，發(fā)生拱脹的基層Na2SO4含量較未發(fā)生拱脹的基層平均高出14%、總含鹽量平均高出18%；從混合料級配來看，拱脹主要發(fā)生在使用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2006）表6.1和6.2中規(guī)定的級配范圍內(nèi)的基層，由施工期間檢測數(shù)據(jù)可知，拱脹段基層混合料級配普遍偏細(xì)；從施工工藝來看，拱脹主要發(fā)生在分層攤鋪或分層連續(xù)攤鋪路段，上下基層層間結(jié)合差，發(fā)生拱脹破壞時上下基層分離。

二、CT微觀試驗

本文通過工業(yè)CT掃描技術(shù)，分析基層材料溫度及含鹽量變化對水泥穩(wěn)定基層微觀結(jié)構(gòu)的影響，揭示了不同因素作用下水泥穩(wěn)定材料拱脹發(fā)展的內(nèi)在機(jī)理，試驗方案如表1所示。

表1 水泥穩(wěn)定砂礫試件指標(biāo)一覽表

表1 水泥穩(wěn)定砂礫試件指標(biāo)一覽表

（一）溫度影響分析

含鹽量為0.8%的水泥穩(wěn)定材料試件截面分別在-10℃、-5℃、0℃、10℃、20℃和30℃條件下的CT掃描圖像，如圖1所示。

圖1 不同溫度條件下水泥穩(wěn)定基層材料CT掃描圖像

對比試驗結(jié)果可知，試件溫度從-10℃上升至-5℃，斷面孔隙部分的面積略有減?。辉嚰囟葟?℃上升至10℃，斷面孔隙部分面積無明顯變化；試件溫度從10℃上升至20℃，斷面孔隙部分面積擴(kuò)大但不明顯，由此可知水泥穩(wěn)定基層材料在10℃開始發(fā)生拱脹變形；當(dāng)試件溫度從20℃上升至30℃，斷面孔隙面積明顯擴(kuò)大，由此可知試件體積開始膨脹，水泥穩(wěn)定材料發(fā)生了較大拱脹變形。

為進(jìn)一步驗證溫度變化對水泥穩(wěn)定材料試件的影響，試驗計算了CT掃描圖像中的孔隙比例，方法如圖2和圖3所示。

圖2 CT掃描圖像處理

圖3 CT掃描圖像處理

含鹽量0.8%的水泥穩(wěn)定材料試件的3個斷面，在不同溫度條件下斷面孔隙率變化曲線如圖4所示。

圖4 溫度對孔隙率的影響

對比圖4中3組數(shù)據(jù)可知，當(dāng)試件溫度從-10℃上升至0℃時，3個斷面的孔隙率略有減少，在0℃～10℃范圍內(nèi)，3個斷面的孔隙率未發(fā)生顯著變化，當(dāng)溫度高于10℃時，3個斷面的孔隙率迅速增大。因此，溫度變化對水泥穩(wěn)定材料空隙率的影響主要包括兩個方面：一方面隨著溫度升高，水泥穩(wěn)定材料發(fā)生膨脹，內(nèi)部空隙逐步增大；另一方面溫度在-10℃～0℃和20℃～30℃兩個范圍內(nèi)時，試件內(nèi)部析出形成Na2SO4·10H2O晶體導(dǎo)致試件體積膨脹，影響水泥穩(wěn)定材料拱脹的發(fā)展。

（二）含鹽量分析

溫度分別為5℃、-10℃時不同含鹽量條件下的試件CT掃描圖像如圖5所示。

圖5 不同含鹽量條件下水泥穩(wěn)定材料斷面的CT掃描圖像

通過上述圖像方法處理不同含鹽量下的CT掃描圖像后，可繪制出含鹽量分別為0.2%、0.4%、0.8%的水泥穩(wěn)定材料的斷面孔隙率變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 含鹽量對孔隙率的影響

由圖6可知，當(dāng)含鹽量為0.2%時，水泥穩(wěn)定材料試件的拱脹基本不受影響；當(dāng)含鹽量在0.2%～0.4%時，水泥穩(wěn)定材料試件的拱脹開始受影響；當(dāng)含鹽量達(dá)到0.8%時，含鹽量對水泥穩(wěn)定材料的拱脹影響顯著。在0.2%～0.8%的含鹽量范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定材料試件的拱脹與含鹽量呈非線性關(guān)系，含鹽量越高拱脹發(fā)展越快。隨著含鹽量的增大，集料表面的Na2SO4·10H2O結(jié)晶結(jié)構(gòu)的分布越密集，集料間擠壓越明顯，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定材料體積膨脹，促進(jìn)材料拱脹變形的發(fā)生。因此，在選用水泥穩(wěn)定基層材料時，必須嚴(yán)格控制含鹽量指標(biāo)。

三、結(jié)語

由試驗結(jié)果可知，影響水泥穩(wěn)定性的因素主要包括含鹽量和溫度。當(dāng)含鹽量在0%～0.2%時，試件拱脹基本不受影響；含鹽量在0.2%～0.4%時開始產(chǎn)生影響；含鹽量大于0.4%時拱脹影響顯著。當(dāng)溫度在0℃～10℃時，拱脹變形不明顯；10℃時開始發(fā)生較為明顯的拱脹變形；溫度越高拱脹變形逐步明顯。