分步拌和抗裂型水泥穩(wěn)定碎石強度和模量規(guī)律

安平，徐欽升，丁偉，秦泗龍，閆翔鵬

1.日照公路建設有限公司，山東 日照 276800；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031

0 引言

在我國高速公路建設中，水泥穩(wěn)定碎石基層已發(fā)展成為高等級公路基層的主要結構類型[1-3]，且在今后相當長時間內仍將是高速公路基層建設的主流，與其他材料類型基層相比，水泥穩(wěn)定碎石基層整體性好，承載力強，抗壓強度大，抗壓回彈模量高，荷載分散作用好，是路面結構的主要承重層，可較好地保證荷載作用在瀝青路面上時整個路面結構不會因強度、模量不足或變形過大而發(fā)生破壞[4-6]。但大量工程應用實踐表明，水泥穩(wěn)定碎石基層在運營過程中出現(xiàn)了大量裂縫和耐久性差等問題[7-11]。為解決這些問題，研究人員從改變水泥穩(wěn)定碎石攪拌工藝技術開展研究：薛少青[12]研究了振動攪拌技術對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響；楊周曉政[13]研究分離式振動拌和技術對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響；肖棟[14]研究了振動攪拌條件下的水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能及工程應用；蔡長松等[15]研究了基于拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石基層性能；閆翔鵬等[16]研究了分步拌和技術對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響。工藝的改變提升了水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能，但多采用振動攪拌技術，對水泥穩(wěn)定碎石在不同拌和技術下力學性能變化規(guī)律研究較少，對減少水泥用量和用水量后混合料的性能指標變化規(guī)律的研究較少[17-20]。

本文研究分步拌和抗裂型水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的變化規(guī)律，分析不同水泥質量分數(shù)下分步拌和工藝和常規(guī)拌和工藝對水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量規(guī)律的影響，以期減少水泥用量,提升水泥穩(wěn)定碎石基層的耐久性，提高路面的工程質量。

1 試驗

1.1 方案

對基于常規(guī)拌和技術和分步拌和技術的水泥穩(wěn)定碎石混合料進行7 d無側限抗壓強度試驗和抗壓回彈模量試驗，分析不同拌和工藝、不同水泥質量分數(shù)和不同養(yǎng)護齡期下的水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的變化規(guī)律。

試驗方案為：在水泥質量分數(shù)分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，養(yǎng)護齡期分別為7、14、28 d條件下測試水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度；在水泥質量分數(shù)分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，測試水泥穩(wěn)定碎石混合料養(yǎng)護齡期為7 d的抗壓回彈模量。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石混合料的配合比

1.2.1 原材料

選定粒徑規(guī)格為>20～30、>10～20、>5～10 mm的優(yōu)質粗碎石集料及0～5 mm的優(yōu)質細碎石集料，集料指標均滿足文獻[21]的技術指標要求，主要檢測結果如表1所示。

表1 選用粗、細碎石集料的主要指標檢測結果

選用P.O 32.5水泥，主要技術指標如表2所示。

表2 水泥主要技術指標

選用可飲用自來水，主要技術指標如表3所示。

表3 所用水質分析試驗結果

1.2.2 級配

按照文獻[22]推薦級配范圍進行水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設計，合成級配如表4所示。

表4 水泥穩(wěn)定碎石混合料合成級配

2 試驗結果及數(shù)據分析

2.1 無側限抗壓強度

根據試驗方案并按照文獻[23]進行7 d無側限抗壓強度試驗，常規(guī)及分步拌和工藝、不同水泥質量分數(shù)下的水泥穩(wěn)定碎石混合料試驗結果如表5、6所示。

表5 常規(guī)拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料試驗結果

由表5、6可知：2種拌和工藝下的水泥穩(wěn)定碎石混合料的R均隨水泥質量分數(shù)的增大而增大；水泥質量分數(shù)相同時，采用分步拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料的R更大。原因是分步拌和技術可使水泥與水攪拌均勻，形成有一定稠度的水泥膠漿，減少或避免生成水泥團粒，提高水泥顆粒的擴散均勻度；分步拌和技術也可提升粗集料表面的裹附效果，集料凹陷部位可被拌和均勻的水泥膠漿有效填充，混合料內部的孔隙率降低，材料密度增大，界面處水泥顆粒體積濃度增大，水泥漿與粗集料界面的機械咬合作用增強，集料間的結合更穩(wěn)固，有效提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度。

實際工程中水泥穩(wěn)定碎石基層一般設計無側限抗壓強度為4.5～5.0 MPa，在保證設計強度的前提下，分步拌和技術所用水泥質量分數(shù)最小約為3.0%～3.5%，常規(guī)拌和技術所用水泥質量分數(shù)最小約為4.0%～4.5%，證明采用分步攪拌技術可在同一水泥質量分數(shù)下提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度。若要求同一無側限抗壓強度，可減少水泥用量，也間接表明分步拌和工藝可改善混合料抗裂性能。

由表6可知：在不同的水泥質量分數(shù)下，分步拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料Cv明顯小于常規(guī)拌和，Cv約減小24%～47%(同一水泥質量分數(shù)下，分步拌和工藝的Cv與常規(guī)拌和工藝的Cv的差與常規(guī)拌和工藝的Cv的比值)，表明分步拌和工藝可有效改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌和狀態(tài)，提升混合料拌和均勻性。

表6 分步拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料試驗結果

水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側限抗壓強度增量

式中：σf為分步拌和混合料7 d無側限抗壓強度；σc為常規(guī)拌和混合料7 d無側限抗壓強度。

根據表6試驗數(shù)據，計算2種拌和工藝、不同水泥質量分數(shù)下水泥穩(wěn)定碎石混合料的Eσ，如表7所示。

表7 2種拌和工藝、不同水泥質量分數(shù)下水泥穩(wěn)定碎石混合料的Eσ

由表7可知：水泥穩(wěn)定碎石混合料所用水泥質量分數(shù)較低時，基于分步拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側限抗壓強度約比常規(guī)拌和技術高28.44%；隨著水泥質量分數(shù)增加，強度增長趨勢逐漸減小?？傮w來看，分步拌和工藝在相同水泥質量分數(shù)下7 d無側限抗壓強度更高；若要求同一無側限抗壓強度，可減少水泥穩(wěn)定碎石混合料的水泥用量，提高混合料抗裂性能。

2.2 抗壓回彈模量

參照文獻[24]要求對2種拌和工藝下的水泥穩(wěn)定碎石混合料進行抗壓回彈模量試驗，采用UTM-100萬能試驗機進行加載(分6級加載，單位壓力為0.5～0.7 MPa，加載速率為1 mm/min，正式試驗前，先預壓2次)，2種拌和工藝、不同水泥質量分數(shù)水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量結果如表8所示。

表8 不同水泥質量分數(shù)時2種拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量

由表8可知：2種拌和工藝下的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量均隨水泥質量分數(shù)的增大而升高；與常規(guī)拌和工藝相比，相同試驗條件下，基于分步拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量更高；在水泥質量分數(shù)較低時，分步拌和成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量更大，約比其常規(guī)拌和高29.07%；隨水泥質量分數(shù)的增大，分步拌和成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量增長幅度逐漸減小，但總體來看，在相同水泥質量分數(shù)下分步拌和工藝可獲得更高的抗壓回彈模量，強度/剛度更大，變形更小，基層耐久性相對更佳；在相同抗壓回彈模量指標要求前提下，基于分步拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料可以在水泥質量分數(shù)較低時滿足要求，降低混合料的水泥用量，可有效減少水泥穩(wěn)定碎石的開裂，提升混合料的抗裂性能。

3 結論

1)相同條件下，基于分步拌和與常規(guī)拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側限抗壓強度和抗壓回彈模量整體變化趨勢一致，均隨水泥質量分數(shù)的增大而增大。

2)同一水泥質量分數(shù)下，分步拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度和抗壓回彈模量更大。

3)分步拌和工藝可在相同7 d無側限抗壓強度和抗壓回彈模量設計指標下，降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的水泥質量分數(shù)，縮減成本。