低劑量抗裂水穩(wěn)基層力學(xué)性能試驗分析

郭東紅

（山西交控數(shù)字交通科技有限公司，山西 太原 030000）

引言

縮裂是半剛性基層的通病，在溫度和濕度發(fā)生變化時產(chǎn)生開裂，進而造成面層結(jié)構(gòu)的破壞。采用低劑量（2%～4%）水泥穩(wěn)定類基層，可有效減少縮裂，提高基層的穩(wěn)定性[1]。為了更全面地研究低劑量水穩(wěn)基層材料的力學(xué)性能，選取水泥劑量為2%、3%、4%三種類型的基層材料，測試其無側(cè)限抗壓強度彎拉強度和彈性模量等指標(biāo)，并建立試驗段，檢測基層的回彈模量和彎沉值，分析低劑量水泥穩(wěn)定類基層各方面力學(xué)性能是否符合要求。

1 低劑量水穩(wěn)碎石基層力學(xué)參數(shù)試驗

1.1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果分析

無側(cè)限抗壓強度作為水穩(wěn)碎石類基層的重要物理力學(xué)指標(biāo)，可以反映基層材料抵抗壓應(yīng)力作用的能力[2]，選取水泥劑量為2%、3%、4%三種類型的基層材料進行7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗。結(jié)合《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中的相關(guān)規(guī)定制作試件，6 d 標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)生后，浸水1 d，測試7 d 無側(cè)限抗壓強度值，試驗結(jié)果見表1。

表1 不同劑量7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

隨水泥劑量的增加，水穩(wěn)碎石基層的7 d 無側(cè)限抗壓強度不斷提高，且增長速度有所提高。當(dāng)水泥劑量為2%時，由于水泥含量較低，水泥水化產(chǎn)物少，在碎石中的膠結(jié)作用不顯著，基層材料的強度也較小，此時的水穩(wěn)碎石基層在力學(xué)性質(zhì)上更接近于級配碎石。但隨著水泥劑量的增加，水泥的膠結(jié)作用不斷顯現(xiàn)出來，強度和整體穩(wěn)定性也不斷提高。

1.2 彎拉強度試驗結(jié)果分析

在車輛荷載作用下，瀝青路面基層材料承受彎拉作用[3]?！豆窞r青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中規(guī)定，通過檢測基層材料的彎拉強度指標(biāo)對抗拉性能進行評價。彎拉強度試驗所選取的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生90 d，按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中的相關(guān)規(guī)定對基層材料的彎拉強度進行測定，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同劑量90 d 彎拉強度試驗結(jié)果

分析表2 數(shù)據(jù)可知，隨著水泥劑量的增加，水穩(wěn)碎石基層彎拉強度不斷增加，且水泥劑量由2%增加到3%時，彎拉強度增長幅度較大。結(jié)合《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中對水穩(wěn)基層材料的相關(guān)規(guī)定，彎拉強度與路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命相關(guān)。水穩(wěn)基層材料的彎拉強度越大，路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命越長。當(dāng)彎拉強度值處于1.5 ～2.0 MPa 時，說明水泥穩(wěn)定碎石基層材料級配良好，整體性能好；當(dāng)彎拉強度值處于0.9 ～1.5 MPa 時，說明水泥穩(wěn)定碎石基層材料級配和整體性能相對較差。低劑量水穩(wěn)碎石基層基層材料的彎拉強度檢測值均位于0.9 ～1.5 MPa，在設(shè)計與施工應(yīng)適當(dāng)增加基層結(jié)構(gòu)厚度。

1.3 彈性模量試驗結(jié)果分析

彈性模量是水泥穩(wěn)定基層材料的重要力學(xué)性能參數(shù)，可以反映荷載作用下基層的變形特性[4]?！豆窞r青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中規(guī)定了采用彈性模量中間段試驗方法作為水穩(wěn)基層材料彈性模量的檢驗方法，按照此方法進行試驗并繪制不同水泥劑量彈性模量的變化曲線，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同劑量90 d 單軸壓縮模量試驗結(jié)果

分析表3 數(shù)據(jù)可以得出，水穩(wěn)碎石基層材料的彈性模量隨水泥劑量的增加而增加，且增加幅度較大。彈性模量越大，水穩(wěn)碎石基層材料在荷載作用下所產(chǎn)生的變形越小。彈性模量不是越大越好，雖然基層結(jié)構(gòu)的變形變小，但路面結(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)力會顯著增加，容易造成瀝青面層剪切破壞。

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中雖沒有對水穩(wěn)基層材料的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值做出規(guī)定，但給出了兩個范圍：14 000 ～20 000 MPa 和20 000 ～28 000 MPa。水泥劑量為4%的水泥穩(wěn)定碎石基層材料的彈性模量為16 345 MPa，在14 000 ～20 000 MPa范圍內(nèi)，但水泥劑量為2%、3%的水泥穩(wěn)定碎石基層材料的彈性模量不在這兩個范圍內(nèi)。

2 試驗路段檢測結(jié)果分析

2.1 依托項目概況

山西省內(nèi)某道路改造工程，全長10.789 km。公路建設(shè)等級為二級，K3+293—K4+130 段、K4+560—K14+081.933 段路基寬10 m，路面寬8.5 m；設(shè)計速度60 km/h。路面基層采用低劑量抗裂水泥穩(wěn)定基層，設(shè)計厚度為34 cm，基層厚度為16 cm，底基層厚度為18 cm。施工中建立試驗段，分別鋪筑100 m 水泥劑量為2%、3%和4%低劑量抗裂水穩(wěn)碎石基層，養(yǎng)生后通過試驗確定基層的彎沉值和成型情況。

2.2 現(xiàn)場取芯檢測

在基層養(yǎng)生10 d 后進行現(xiàn)場鉆芯取樣，查看基層結(jié)構(gòu)的成型情況。在水泥劑量為2%、3%和4%的低劑量水穩(wěn)碎石基層上取芯10 個，取芯后發(fā)現(xiàn)水泥劑量為2%的水穩(wěn)碎石基層成型質(zhì)量較差，大部分開裂，基本沒有取出完整的芯樣。水泥劑量為3%的水穩(wěn)碎石基層成型較好，可以取出完整的芯樣。水泥劑量為4%的水穩(wěn)碎石基層成型質(zhì)量最好，芯樣完整，具有良好的抗裂性能。通過現(xiàn)場取芯，可以得出水泥劑量越高，基層成型質(zhì)量越好，強度越高。

試驗路段完工1 a后，再次對水泥劑量為2%、3%、4%的水穩(wěn)碎石基層鉆芯取樣，均能取出完整芯樣，說明低劑量水穩(wěn)碎石基層完整性良好，可以滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）要求。

2.3 彎沉試驗

試驗段對三種劑量的基層進行承載板試驗和彎沉試驗，測得回彈模量和彎沉值見表4、表5。

表4 承載板試驗結(jié)果

表5 彎沉試驗結(jié)果

通過分析表4 和表5 數(shù)據(jù)得出：（1）隨著水泥劑量的增加，基層頂面回彈模量隨之變大；（2）隨水泥劑量的增大，彎沉值不斷下降。試驗結(jié)果表明，水泥劑量為4%的基層平均回彈模量約為2%時的3倍，說明隨水泥劑量提高，基層的抗變形性能顯著提高。

2.4 路面彎沉檢測

采用落錘式彎沉儀（FWD）在不中斷的情況下進行檢測。通過試驗確定各路面結(jié)構(gòu)層的回彈模量，并計算路表彎沉值。選取試驗路段完工后30 d、108 d和250 d 的路段檢測路表彎沉值，試驗結(jié)果見表6 和表7。

分析表6 和表7 數(shù)據(jù)可知：（1）完工后30 d，水泥劑量為2%的水穩(wěn)碎石基層路表彎沉值較大，基層回彈模量較小，水泥劑量為4%最大，3%居中，說明隨水泥劑量的增加，路表彎沉值不斷變小，基層回彈模量不斷增加。（2）完工后250 d，路表彎沉值相近，水泥劑量為2%和3%的基層頂面回彈模量相近，水泥劑量為4%最大。

表6 試驗段路表彎沉值（FWD）檢測結(jié)果

表7 基層回彈模量計算值/MPa

3 結(jié)語

（1）隨著水泥劑量的增加，基層無側(cè)限抗壓強度、彎拉強度、彈性模量隨之增加，工程設(shè)計中適當(dāng)增加基層厚度以提高力學(xué)性能。（2）對7 d 齡期的基層在試驗路段鉆芯取樣進行觀察，水泥劑量為2%的基層成型質(zhì)量較差，但竣工1 a 后鉆芯取樣均能取出完整的芯樣，說明低劑量抗裂水穩(wěn)基層強度和整體穩(wěn)定性良好。（3）采用FWD 法對完工后路表彎沉值進行檢測，檢測結(jié)果表明不同水泥劑量路面彎沉值和基層回彈模量存在較大差異，且隨著水泥劑量的增加，路表彎沉值不斷變小，基層回彈模量不斷增加。