土凝巖膠凝材料穩(wěn)定碎石基層路用性能研究

楊善東, 王笑風(fēng), 游鵬, 楊博, 郭豪彥

(1.洛陽(yáng)市公路管理局, 河南 洛陽(yáng) 471000； 2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

目前，煤矸石、工業(yè)尾礦等固體廢棄物已被廣泛應(yīng)用于道路工程，研究者將固體廢棄物或用作道路填料，或用作生產(chǎn)膠凝材料的原材料等，這些途徑都使固態(tài)廢棄物得到有效的回收再利用，變廢為寶。

當(dāng)前，SSCM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于道路工程中，并表現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能。趙曉玉等利用SSCM改性輕質(zhì)粉黏土，研究結(jié)果表明土凝巖改良黏性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥改良黏性土強(qiáng)度高；榮云杰等研究了赤泥基DHT土凝巖土壤固化劑穩(wěn)定細(xì)粒土的效果，研究結(jié)果表明摻入DHT土凝巖的細(xì)粒土抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B性均有不同程度的提高；汲平等對(duì)DHT土凝巖穩(wěn)定材料水穩(wěn)定性、抗凍性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明DHT土凝巖穩(wěn)定材料相關(guān)指標(biāo)均不低于相應(yīng)水泥穩(wěn)定材料，具有良好的耐久性能。

該文所用的SSCM是一種由工業(yè)廢料經(jīng)一定工藝制備的新型材料，具備與水泥材料類似的膠凝作用。SSCM穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能、水穩(wěn)性能、凍融性能等已被廣泛研究，但對(duì)于收縮性以及疲勞性能的研究較少，為此，該文主要針對(duì)SSCM穩(wěn)定碎石基層的收縮性能以及疲勞性能進(jìn)行測(cè)試與分析，以得到SSCM穩(wěn)定碎石基層的路用性能。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

該文所用的膠凝材料為土凝巖材料和P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，兩種材料的物理與力學(xué)性能如表1所示；集料為0～26.5 mm石灰?guī)r，產(chǎn)自陜西，表觀密度為2.758 g/cm3，含泥量為0.72%，吸水率為0.71%，破碎值為20.6%。

表1 兩種膠凝材料及砂漿試件性能

1.2 成型方法

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石底基層/基層均采用骨架密實(shí)型級(jí)配，圖1為集料級(jí)配曲線。該文在以往試驗(yàn)基礎(chǔ)上固定膠凝材料的摻量：底基層：3.5%；基層：4.0%。兩種膠凝材料的摻入方式都為外摻，壓實(shí)度為0.98。該文將摻量為3.5%、4.0%SSCM的試件分別命名為d-SSCM、j-SSCM，將摻量為3.5%、4.0%CCM的試件分別命名為d-CCM、j-CCM。

圖1 骨架密實(shí)型無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類集料級(jí)配曲線

通過(guò)T0804—1994《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法》進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以確定該文中4種穩(wěn)定材料的最佳含水量和最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 最佳含水量和最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

參照T0843—2009《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法(圓柱形)》以及T0844—2009《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法(梁式)》分別成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件和100 mm×100 mm×400 mm的梁式試件。成型試件數(shù)量滿足該文進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)要求。試件成型后，參照T0845—2009《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生試驗(yàn)方法》進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生。

1.3 試驗(yàn)方法

參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量(頂面法，將單位壓力分為5等分，分別為0.085、1.170、0.255、0.340以及0.425 MPa)、干縮、溫縮(為準(zhǔn)確獲得試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變的變化，設(shè)定數(shù)據(jù)讀取頻率為20 min/次)以及疲勞(按照規(guī)范要求與實(shí)際情況，取0.80、0.75、0.7、0.65共4個(gè)應(yīng)力比對(duì)每組試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn))測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)摻入CCM和SSCM的4種穩(wěn)定碎石進(jìn)行了7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可知：膠凝材料相同時(shí)，摻量較高的j-SSCM和j-CCM具有更高的抗壓強(qiáng)度，j-SSCM比d-SSCM的抗壓強(qiáng)度提高25.5%；j-CCM比d-CCM的抗壓強(qiáng)度高約16.8%。膠凝材料摻量相同時(shí)，SSCM穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度明顯高于CCM穩(wěn)定碎石，摻量為3.5%時(shí)，前者比后者高約23.2%；摻量為4%時(shí)，前者比后者高約32.3%。說(shuō)明同等條件下，SSCM穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)明顯優(yōu)于CCM穩(wěn)定碎石，摻量越高，效果越顯著，表明采用SSCM材料代替水泥穩(wěn)定碎石用于公路工程底基層、基層是可行的。

2.2 彎拉強(qiáng)度

彎拉強(qiáng)度又稱抗折強(qiáng)度，是表征路面材料抵抗彎曲變形的能力，是半剛性基層路面材料的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，CCM和SSCM 4種材料穩(wěn)定碎石的90 d彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度

由圖3可知：膠凝材料種類相同，摻量不同時(shí)，摻量較大的j-SSCM和j-CCM具有更高的彎拉強(qiáng)度值，j-SSCM比d-SSCM高12%，而j-CCM比d-CCM高10%；膠凝材料摻量相同，種類不同時(shí)，SSCM穩(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度明顯高于CCM穩(wěn)定碎石，摻量為3.5%的d-SSCM比d-CCM提高約25%，摻量為4%的j-SSCM比j-CCM提高約27%。說(shuō)明由工業(yè)廢渣制成的土凝巖材料穩(wěn)定碎石的抗彎拉性能比水泥穩(wěn)定碎石的抗彎拉性能更加突出。

2.3 抗壓回彈模量

回彈模量是指路面基層材料在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與其相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值，能夠反映路面基層在彈性變形階段內(nèi)，在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力。CCM和SSCM穩(wěn)定碎石的90 d抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量

由圖4可知：兩種膠凝材料中，摻量較大的j-SSCM和j-CCM組獲得更優(yōu)的抗壓回彈模量值。摻量一致時(shí)，SSCM穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量明顯高于CCM穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量。當(dāng)摻量為3.5%時(shí)，增幅為37.5%，摻量為4%時(shí)，增幅為26.8%。較低摻量的SSCM穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量甚至超過(guò)高摻量的CCM的抗壓回彈模量，說(shuō)明水化進(jìn)程中SSCM產(chǎn)生了較多的水化產(chǎn)物，致使材料各相之間黏附力較大，宏觀性能上表現(xiàn)為材料的剛度和抗壓回彈模量較大。

圖5 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)試件失水率

2.4 干縮性能

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的干縮性能主要通過(guò)干縮失水率和干縮系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)。試件的累計(jì)失水率指試件的總失水量占試件干燥恒重的比例；干縮系數(shù)為干縮應(yīng)變與失水率的比值，其值越小表示試件的抗干縮能力越好。CCM和SSCM穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)試件累計(jì)失水率變化見(jiàn)圖5，干縮系數(shù)見(jiàn)圖6。

圖6 水泥和土凝巖穩(wěn)定碎石試件干縮系數(shù)

由圖5可知：混合料的失水過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段：① 1～7 d。這一階段曲線斜率最大，說(shuō)明混合料失水最快。由于混合料在前期水分較多時(shí)，除了水分蒸發(fā)外，混合料中的膠凝材料會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，消耗掉一部分水分，所以可以認(rèn)為水化反應(yīng)的快慢與反應(yīng)程度造成了這一階段曲線的差異。從圖中可以看出，這一階段的累計(jì)失水率：j-SSCM > d-SSCM > j-CCM > d-CCM。相同摻量，甚至低摻量下，摻入SSCM的混合料的失水率更大，說(shuō)明其水化反應(yīng)速率快，消耗了更多水分；② 8～20 d。這一階段累計(jì)失水率：j-CCM > j-SSCM > d-CCM > d-SSCM。這一階段，膠凝材料的摻量開(kāi)始起主導(dǎo)作用，摻量較大的混合料消耗的水分較多。另外需要注意的是，兩種摻量下?lián)饺隒CM的混合料的耗水量均大于摻SSCM的，這說(shuō)明盡管CCM的早期水化反應(yīng)速率較慢，但后期反應(yīng)速率可能超過(guò)了SSCM;③ >20 d。20 d后，失水率整體呈減緩趨勢(shì)，一方面膠凝材料水化反應(yīng)速率趨于平緩，另一方面，試件內(nèi)部空隙隨著水化反應(yīng)過(guò)程生成的水化產(chǎn)物不斷填補(bǔ)而減小，這一階段的失水率不斷減小，最終趨于平緩。

由圖6可知：① 混合料的干縮系數(shù)在養(yǎng)護(hù)階段起始位置較小，但隨著時(shí)間的推移不斷增大，且增長(zhǎng)速率保持先增大后減小，最后趨于平緩的趨勢(shì)。試件的干縮系數(shù)與膠凝材料的摻量有很大關(guān)系；② 當(dāng)混合料的干縮系數(shù)隨膠凝材料摻量的增大而增大；當(dāng)膠凝材料摻量相同時(shí)，摻入SSCM的干縮系數(shù)較小。說(shuō)明SSCM具備較好的抗干縮能力。

2.5 溫縮性能

半剛性材料中存在固、液、氣三相。固相為半剛性材料中的集料與膠凝材料，液相為混合料內(nèi)部的水分，氣相即混合料空隙中的氣體。當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，混合料產(chǎn)生體積上的收縮，這種收縮基于三相的共同作用，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，三相中起主要作用的是固相和液相。該試驗(yàn)采用的4種試件在級(jí)配相同的前提下調(diào)整膠凝材料摻量，且溫縮試驗(yàn)前已將試件烘干，排除了水分對(duì)收縮過(guò)程的影響，所以該文的溫縮變化只從固相上考慮。原材料中不同物質(zhì)具有不同熱變形性，例如C-S-H熱脹系數(shù)為10×10-6～20×10-6/℃，具有較高的熱變形性，而集料的熱變形性卻較小。

圖7為CCM和SSCM穩(wěn)定碎石試件的溫縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知：4種穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)均保持先增大、再平穩(wěn)、后減小的規(guī)律。將整個(gè)溫縮過(guò)程分為3個(gè)部分：高溫區(qū)(60～50 ℃)、中溫區(qū)(40～30 ℃)和常溫區(qū)(20 ℃)。求出各個(gè)溫度區(qū)間的平均溫縮系數(shù)，見(jiàn)圖8。

圖7 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)

圖8 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石平均溫縮系數(shù)

結(jié)合圖7、8可知：高溫區(qū)試件的溫縮系數(shù)較小，但保持較大的增長(zhǎng)速率；在中溫區(qū)趨于平緩，達(dá)到峰值；低溫區(qū)內(nèi)又不斷減小。3個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，4種試件的平均溫縮系數(shù)基本保持相同的大小規(guī)律，即：j-SSCM > d-CCM > d-SSCM > j-CCM。溫縮系數(shù)為溫度應(yīng)變與溫差的比值，其值越小表示材料的抗溫縮能力越強(qiáng)。摻量較大的兩種膠凝材料穩(wěn)定碎石表現(xiàn)出兩種極端，j-SSCM的平均溫縮系數(shù)最大，說(shuō)明其抗溫縮能力最弱，而j-CCM正相反，抗溫縮能力最強(qiáng)。說(shuō)明為了獲得較好的抗溫縮能力，可增大CCM的摻量，減小SSCM的摻量。

2.6 疲勞性能

表3為CCM和SSCM穩(wěn)定碎石在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。下文對(duì)數(shù)據(jù)具體處理過(guò)程及運(yùn)算過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述。

表3 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

Weibull函數(shù)和 Weibull 分布是一種概率密度分布函數(shù)，可以用來(lái)描述材料強(qiáng)度的數(shù)據(jù)分布。Weibull 密度函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其存在最小安全壽命，利用該分布理論，在 99%高存活率范圍內(nèi)所給出的安全壽命仍然符合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)Weibull 函數(shù)，如果失效概率-lnln(1/p)和 lgNi存在良好的線性關(guān)系，那么疲勞壽命的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果就符合 Weibull 分布，并可以根據(jù)-lnln(1/p)和 lgNi的關(guān)系式計(jì)算出一定失效概率(存活率)下的對(duì)數(shù)疲勞壽命估計(jì)值。其中，p

為保證率，可由式(1)計(jì)算得出：

(1)

式中：n為同一應(yīng)力比下平行試件的數(shù)量；i為將同一應(yīng)力比下的疲勞壽命從小到大進(jìn)行排序后的次序。

對(duì)不同應(yīng)力比下-lnln(1/p)與 lgNi進(jìn)行線性擬合，得到兩者的線性方程，并計(jì)算保證率為50%和95%下的疲勞壽命對(duì)數(shù)值，結(jié)果列于表4。

表4 不同保證率下CCM和SSCM穩(wěn)定碎石的對(duì)數(shù)疲勞壽命

該文中疲勞方程采用如式(2)所示的單對(duì)數(shù)疲勞方程。在不同保證率下，對(duì)應(yīng)力水平與 lgNi進(jìn)行線性擬合，得到兩者的線性方程(以保證率為95%為例，擬合結(jié)果列于圖9)，并計(jì)算保證率為50%和95%下的疲勞方程，結(jié)果列于表5。

表5 不同保證率下CCM和SSCM穩(wěn)定碎石疲勞壽命方程

lgN=a+bσ/S

(2)

式中：σ/S為應(yīng)力水平；a,b為參數(shù)。

圖9中，擬合曲線的斜率表示試件對(duì)應(yīng)力的敏感程度，斜率越大，試件對(duì)應(yīng)力就越敏感。由圖9可知：① 4種試件擬合曲線的斜率很相近，但略有差異，斜率大小排序?yàn)椋簀-CCM > j-SSCM > d-SSCM > d-CCM，結(jié)果表明膠凝材料摻量較大的穩(wěn)定碎石試件對(duì)應(yīng)力水平更敏感，且高摻量SSCM和低摻量CCM試件在應(yīng)力變化時(shí)表現(xiàn)更優(yōu)異。同一應(yīng)力水平下，疲勞壽命越大，說(shuō)明試件的抗疲勞性能越好；② 同一應(yīng)力水平下，摻SSCM的試件疲勞壽命較小，說(shuō)明摻SSCM的試件抗疲勞壽命性能較差。

圖9 CCM和SSCM穩(wěn)定碎石疲勞壽命擬合曲線

3 結(jié)論

(1) 相同摻量下，SSCM穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度均優(yōu)于CCM穩(wěn)定碎石，且摻量越高，效果越顯著。與CCM穩(wěn)定碎石相比，摻量為3.5%時(shí)，SSCM穩(wěn)定碎石的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約23.2%，彎拉強(qiáng)度提高約25%；摻量為4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高32%，彎拉強(qiáng)度提高27%。

(2) SSCM穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量明顯高于CCM穩(wěn)定碎石。與CCM穩(wěn)定碎石相比，摻量為3.5%時(shí)，SSCM穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量提高了37.5%；摻量為4%時(shí)，提高了26.8%。

(3) CCM和SSCM穩(wěn)定碎石的干縮過(guò)程相似，大致可分為3個(gè)階段。CCM和SSCM的摻量越大，穩(wěn)定碎石的抗干縮能力越差；摻量相同時(shí)，SSCM穩(wěn)定碎石具備更好的抗干縮能力。

(4) 對(duì)于兩種膠凝材料的4種試件，其平均溫縮系數(shù)具有相似的規(guī)律，即：j-SSCM > d-CCM > d-SSCM > j-CCM。說(shuō)明相同摻量下，SSCM穩(wěn)定碎石抗溫縮能力相對(duì)較差，實(shí)際工程應(yīng)用中，為了獲得較好抗溫縮能力，應(yīng)合理控制SSCM摻量。

(5) 膠凝材料摻量較大的穩(wěn)定碎石試件對(duì)應(yīng)力水平更敏感，且高摻量SSCM和低摻量的CCM試件在應(yīng)力變化時(shí)表現(xiàn)更優(yōu)異。同一應(yīng)力水平下，摻SSCM的試件抗疲勞壽命性能較差。