基于CAVF法設計水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能研究

金龍飛 李傳海 馮志鵬 朱 穎

(1.山東高速建設管理集團有限公司 濟南 250014； 2.山東高速工程檢測有限公司 濟南 250002；3.山東高速基礎設施建設有限公司 濟南 250014)

半剛性基層瀝青路面是我國瀝青路面的主要結構形式，其占比超過95%[1]。半剛性基層廣泛應用，但其不可避免地會因為干燥收縮和溫度收縮產(chǎn)生開裂；并且半剛性材料收縮性越大，裂縫開口越寬，數(shù)量越多，間距越小[2]?；鶎恿芽p能夠通過層間剪切力擴展到面層，最終擴展為路面結構的反射裂縫[3]。反射裂縫破壞了路面結構的防水性，使外界水分通過開裂處進入路面結構，誘發(fā)水損害甚至結構性損害，極大地縮短了道路使用壽命[4]。滁州公路管理局提出并改進的填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石(F-LSBC)基層對改善水穩(wěn)開裂現(xiàn)象效果良好[5]。F-LSBC基層以大粒徑碎石為骨架，集料和水泥為填充料，填充大粒徑碎石骨架中的空隙，結合柔性基層與半剛性基層各自優(yōu)點的同時又克服了兩者的缺點。F-LSBC填充料與粗集料的級配根據(jù)工程經(jīng)驗判斷，從而影響該材料的應用效果。CAVF法(course aggregate void filling,CAVF)最早用于瀝青混合料設計[6]，其設計思路是實測粗集料的空隙，使細集料的體積、瀝青體積、礦粉體積和設計空隙之和等于主骨架的空隙體積，后經(jīng)許多專家學者進一步優(yōu)化總結得到[7]，但該方法暫未應用至水泥穩(wěn)定碎石混合料。區(qū)別于瀝青混合料的膠結料，水泥穩(wěn)定碎石材料所用的膠結料與水反應，水化生成凝膠黏結集料以提供強度。為此，本工作優(yōu)化CAVF法中設計空隙等參數(shù)設計水泥穩(wěn)定碎石混合料，并與骨架密實型混合料級配設計方法進行對比，研究不同設計方法的水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1水泥

采用中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，根據(jù)試驗規(guī)程測得水泥各項技術指標見表1。

表1 水泥的物理參數(shù)

1.1.2集料

采用各檔粗、細集料的篩分符合JTG F20-2015 《公路路面基層施工技術細則》[8],各檔集料的性能指標結果見表2。

表2 集料性能指標

1.2 混合料CAVF法設計

首先確定水泥用量為4.0%，根據(jù)貝雷法粗、細集料的定義原則第一控制篩孔為最大公稱粒徑的22%[9]，因此選擇20～30 mm和0～5 mm 2檔集料，根據(jù)式(1)～(3)，設定設計空隙分別為0、-5%、-10%，計算粗、細集料的比例，分別記作JP-0、JP-5、JP-10。骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料作為空白組，記作JP-A。4種混合料的級配曲線見圖1。

圖1 合成級配曲線圖

(1)

qc+qf+qs=100

(2)

(3)

式中：VCA為粗集料空隙率，%；ρc為粗集料的表觀密度，g/cm3；ρ(s)c為粗集料的緊裝密度，g/cm3；qc、qf、qs分別為粗集料、細集料、水泥的質量分數(shù)，%；Vυ為混合料的設計空隙，%。

1.3 試驗方法

試驗主要測試上述4個級配曲線制備的水泥穩(wěn)定碎石的物理參數(shù)(最大干密度和最佳含水率)和收縮性能參數(shù)(干縮系數(shù)和溫縮系數(shù))，所有試驗方法均按照JTG E51-2009 《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[10]執(zhí)行。

1.3.1擊實試驗

在4.0%的固定水泥含量下，通過擊實試驗分析不同級配制備的水泥穩(wěn)定碎石混合物。根據(jù)實踐經(jīng)驗，采用3.0%、3.5%、4%、4.5%、5%的含水率。繪制水穩(wěn)混合料的含水率-干密度關系曲線，從而確定其最佳含水率和最大干密度。

1.3.2干縮試驗

采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件。將試件在標準的養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d并浸泡在水中1 d，取出試件測量其初始長度L0，稱取初始質量m0；將試件放在干縮室內，開始1周內每天測量長度與質量，1周后每2 d測量長度和質量，試驗周期為1個月。在干縮試驗結束時，將試驗試件放入烘箱加熱直至恒重，為mp。根據(jù)式(4)～(8)計算試驗結果。

失水率：wi=(mi-mi+1)/mp

(4)

(5)

干縮應變：εi=δi/L0

(6)

干縮系數(shù)：αdi=εi/wi

(7)

(8)

1.3.3溫縮試驗

采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d并浸泡在水中1 d，養(yǎng)生結束時，將試件放入烘箱10 h，溫度設置為105 ℃，待試件完全干燥至恒重，然后放置在通風的地方冷卻到室溫，測量試件原始長度L0，然后放入試驗箱中進行試驗。本次試驗的溫度為0～50 ℃，每間隔10 ℃為1個梯度，試驗過程中，先將溫度控制在50 ℃，保溫3 h，接著開始按照0.5 ℃/min的速率降溫，待下降到下一溫度后，再保溫3 h，在保溫的最后5 min讀取數(shù)據(jù)，以此類推，直到溫度降至0 ℃。

根據(jù)下列公式計算溫縮應變和溫縮系數(shù)。

(9)

(10)

式中：ti為第i個溫度區(qū)間的千分表讀數(shù)和的平均值，mm；ti為溫度控制程序設定的第i個溫度區(qū)間，℃；εi為第i個溫度區(qū)間的溫縮應變；αi為第i個溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)。

2 試驗結果分析

2.1 擊實結果分析

{HJ最大干密度和最佳含水率的匯總結果見圖2。圖2結果顯示，骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率均高于CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石混合料。骨架密實結構能夠逐級填充骨架中的空隙，使混合料結構更加密實；而CAVF法設計的水穩(wěn)混合料的骨架采用20～30 mm粗集料，僅用細集料(0～5 mm)填充，無法達到完全填充狀態(tài)，造成體系中空隙較多，使得混合料的最大干密度和最佳含水率減小。

圖2 不同級配的最佳含水率和最大干密度

同樣的，按照CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石，混合料的最大干密度和最佳含水率與設計空隙絕對值成正相關關系。相較于JP-0，JP-10的最大干密度從2.384 g/cm3增加至2.429 g/cm3，提高了1.89%，最佳含水率從3.7%增加至3.9%，提高了5.40%。從級配JP-0到JP-10，體系中的細集料占比增加，密實度增加，使混合料的最佳含水率和最大干密度逐步提高。

2.2 干縮結果分析

水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮試驗結果見表3，干縮應變、總干縮系數(shù)與級配的相關結果分別見圖3、圖4。

圖3 干縮應變與養(yǎng)護齡期的關系

圖4 干縮應變變化速率

表3 水泥穩(wěn)定碎石干縮試驗結果

由表3可知，隨著養(yǎng)護時間的增加，各級配試件的累計干縮量和累計失水率逐漸增加，表現(xiàn)出一致的規(guī)律。其中CAVF法設計的混合料試件的干縮量在第15 d后遞增速率減緩，失水率在第5 d后趨于平穩(wěn)；而對比組混合料試件的干縮量約在第25 d后趨于平緩，第11 d后的失水率結果波動較小。CAVF法設計的混合料隨著設計空隙絕對值的增加，試件的總干縮量和累計失水率呈現(xiàn)遞增趨勢，JP-10比JP-0混合料試件的累計干縮量增加了17.7%，比JP-5的累計干縮量增加了5.8%。對比2種水穩(wěn)混合料級配設計方法，CAVF法設計的混合料試件的干縮量與失水率均低于骨架密實型的水穩(wěn)混合料，其抵抗收縮變形能力較強，表現(xiàn)出較好的抗裂性能。由圖3可見，干縮應變結果表現(xiàn)出與干縮量相同的試驗結果，隨著養(yǎng)護齡期的延長，干縮應變值不斷增加。養(yǎng)護齡期內的骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的干縮應變值達到了312×10-6，而按照CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的最大干縮應變值為182.5×10-6，僅為骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的58.5%。

由圖4可見，數(shù)值越大，說明干縮應變變化越快。骨架密實型混合料試件在養(yǎng)護齡期至21 d時，干縮應變速率遠遠高于CAVF法混合料試件，養(yǎng)護齡期21 d后，干縮應變速率趨于平穩(wěn)，應變速率變化值在2.5×10-6/d波動。CAVF法混合料試件在養(yǎng)護齡期至15 d后，干縮應變速率趨于平緩，應變速率變化值在1.25×10-6/d波動，為傳統(tǒng)骨架密實型混合料試件應變速率的50%。

2.3 溫縮結果分析

溫縮試驗結果見圖5。

圖5 不同級配水泥穩(wěn)定碎石的溫縮變化規(guī)律

由圖5可見，不同級配設計方法成型的混合料試件，其溫縮系數(shù)呈現(xiàn)以下的變化：在溫度下降的過程中，溫縮系數(shù)逐漸減小，并且其數(shù)值變化較大的時期為降溫初期，在后期變化逐漸變小，均在10～0 ℃的時候降低到最低點。水泥穩(wěn)定碎石材料試件在溫度較高時，材料發(fā)生了熱膨脹，體積相比常溫時有所增加，這為后續(xù)降溫過程提供了收縮的空間，溫度剛開始下降時，試件迅速產(chǎn)生反應，體積收縮較大。在收縮過程中，集料和結合料貼合越來越緊密，強度慢慢增加。隨著溫度的降低，試件內部材料接觸越來越緊，體積變小，因為集料與集料、結合料接觸點變多，形成了較高的強度，可接受的收縮空間變小，因此溫度越低，收縮量越小。這說明混合料的收縮性能會隨著溫度的降低而有所提高。

對比不同級配設計方法，可以看出，采用CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的溫縮系數(shù)均小于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件。骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的平均溫縮系數(shù)值為7.249×10-6℃-1，而采用CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石混合料JP-0試件的平均溫縮系數(shù)僅為前者的61.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗溫縮變形的能力。

3 結論

1) 干縮試驗結果表明，采用改進的CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石混合料，其失水率、干縮應變、干縮系數(shù)均小于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料。前者的最大干縮應變值僅為后者的58.5%，總干縮系數(shù)為后者的70.3%，具有良好的抵抗干縮變形能力。

2) 溫縮試驗結果表明，采用改進的CAVF法設計的水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)均小于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料，前者的平均溫縮系數(shù)為后者的61.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗溫縮變形能力。