振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的路用性能研究

李雪連, 鞠志成, 周宇豪, 周梓涵, 王隨原

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院, 湖南 長沙 410114；2.公路養(yǎng)護技術國家工程實驗室, 湖南 長沙 410114；3.中國路橋工程有限責任公司, 北京 100011；4.湖北交通工程檢測中心有限公司, 湖北 武漢 430223)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層因其較好的承載力和板體性以及取材便利等優(yōu)勢,在我國和非洲、歐洲的部分國家廣泛應用[1]，然而,該類基層普遍存在易出現裂縫、強度與耐久性不足等問題[2]。目前,國內外對水泥穩(wěn)定碎石的研究主要集中在原材料的級配[3]、外加劑[4-5]及混合料的成型方法等方面[6-7],也有學者為改善攪拌效果,嘗試在傳統(tǒng)攪拌的過程中增加振動功能。王博[8]、徐周聰等[9]發(fā)現混合料中的細料和水泥在振動攪拌下會處于一定的振顫狀態(tài),可以解決細料和水泥之間的結團問題,同時,粗顆粒之間的有效碰撞次數也隨振動明顯增多,可提高水泥穩(wěn)定碎石的均勻性。余艷[10]發(fā)現振動作用不僅使得混合料之間的內摩擦力大大減小,而且增強了混合料之間的剪切作用及礦料間的對流作用,顯著提高攪拌效率。同時,有學者發(fā)現振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的強度也提高了[11-12]。Dong等[13-14]發(fā)現拌和振動強度越大,干縮性能越好,水泥穩(wěn)定碎石均勻性越好,試驗路面裂縫數量也更少,但對強度、模量及耐久性等并未進一步分析。張飛龍等[15]發(fā)現振動攪拌能改善水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能,在一定程度上降低水泥穩(wěn)定碎石因溫度變化出現開裂的風險?？梢?振動攪拌可提高攪拌效率和效果,但目前的研究主要集中在水泥穩(wěn)定碎石強度、干縮、溫縮等個別性能,還不夠系統(tǒng)。

因此,本文將系統(tǒng)地對比分析傳統(tǒng)和振動2種攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度、間接抗拉強度、回彈模量、干縮、溫縮和疲勞性能,為振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應用提供參考。

1 原材料及試件制備

1.1 水泥

采用海螺牌P.C 32.5R緩凝型水泥,其各項技術指標均滿足規(guī)范[16]要求,試驗結果見表1。

表1 水泥技術指標

1.2 集料

按照規(guī)范[17]對集料的各項技術指標進行檢測,粗集料的各項技術指標均滿足規(guī)范[16]要求,而細集料的含泥量略高,因此在使用前應對細集料進行清潔,具體見表2。

表2 集料技術指標

1.3 級配

所使用的集料共四檔,分別為10～30 mm碎石、10～20 mm碎石、5～10 mm碎石和0～5 mm石屑。根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[16]中C-B-3的推薦級配范圍確定級配,具體試驗級配見表3。

表3 試驗級配

1.4 試件制備與養(yǎng)生

在振動攪拌后,根據規(guī)范[18]中重型擊實試驗中的丙試驗方法進行擊實試驗。根據前期試驗結果,分別采用振動攪拌和普通靜力攪拌制備4.5%和5.0%水泥用量的各類試件。傳統(tǒng)和振動攪拌均使用德通DT60ZBW型小型振動攪拌機,拌和時間為2 min,振動攪拌時比傳統(tǒng)攪拌需多開啟振動裝置。攪拌時,振幅A為1.0 mm；振動圓頻率ω為201.1 rad/s；振動強度D=Aω2/g,g為重力加速度；A取值為4.13。無側限抗壓強度、間接抗拉強度及抗壓回彈模量的圓柱形試件尺寸均為：直徑為150 mm，高度為150 mm；而干縮試驗、溫縮試驗和疲勞試驗的中梁試件尺寸均為：100 mm×100 mm×400 mm,壓實頻率為30 Hz。成型后,試件均進行標準養(yǎng)生。

2 路用性能試驗

2.1 無側限抗壓強度試驗

2種攪拌方式及不同齡期下的水泥穩(wěn)定碎石無側限抗壓強度試驗結果如圖1所示。

從圖1可知,在相同水泥劑量和齡期條件下,振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石具備更高的無側限抗壓強度以及更小的強度變異系數Cv。振動攪拌可使水泥水化更充分且水化產物分布更均勻。規(guī)范中給定水泥穩(wěn)定碎石基層的設計強度為4.0 MPa[18],以此標準進行控制,振動攪拌僅需4.5%水泥,比傳統(tǒng)攪拌節(jié)省0.5%。可見,振動攪拌技術的應用能夠有效節(jié)約基層成本。當水泥劑量為4.5%時,振動攪拌技術對無側限抗壓強度的作為效果尤其突出,此結論與文獻[19]的研究結論一致。當水泥劑量增加到5%時,振動攪拌技術對水泥穩(wěn)定碎石強度的提高幅度略有降低。另外,采用振動攪拌的水泥穩(wěn)定碎石早期強度更高,可以在更短的齡期內達到規(guī)范要求，因此,采用振動攪拌技術能夠減少水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護時間,對于提高水泥穩(wěn)定碎石基層施工進度及施工效率具有重要意義[20]。

圖1 無側限抗壓強度和Cv值

2.2 間接抗拉強度試驗

不同齡期及2種攪拌方式下的水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強度試驗結果如圖2所示。

圖2 間接拉伸強度和Cv值

在圖2中,在相同水泥劑量和齡期條件下,與傳統(tǒng)攪拌相比,振動攪拌具備更高的間接抗拉強度,說明振動攪拌技術可明顯提高間接抗拉強度。另外,振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石在早期就能具備較高的間接拉伸強度，但與無側限抗壓強度相比,振動攪拌技術對水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強度提升效果略差。當水泥劑量為4.5%時,與傳統(tǒng)攪拌相比,振動攪拌的90 d無側限抗壓強度提升了22.4%,但間接抗拉強度僅為16%。這主要是由于水泥穩(wěn)定碎石的抗拉強度主要來源于水泥水化產物的膠結作用,而抗壓強度不僅取決于水化產物的膠結作用,同時還受到粗集料之間嵌鎖作用的影響[21]。

2.3 抗壓回彈模量試驗

水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量對路面的承載力和路面整體強度有著重要的影響。分別對齡期為28、90、180 d的2種攪拌方式水泥穩(wěn)定碎石進行抗壓回彈模量試驗。試驗時,荷載等級設定為5級,每級荷載作用次數200次；試驗前對試件施加0.3P荷載,預壓30 s，其中P為測試得到的水泥穩(wěn)定碎石破壞強度；荷載由低到高逐級加載,記錄試件的最大和最小變形,結果如圖3所示。

圖3 動態(tài)抗壓回彈模量

從圖3可知,在相同齡期及水泥劑量時振動攪拌的動態(tài)抗壓回彈模量均比傳統(tǒng)攪拌高,且隨著齡期和水泥劑量的增加,振動攪拌可更大幅度地提高水泥穩(wěn)定碎石的動態(tài)抗壓回彈模量。這主要因為振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石內凝聚成團的水泥顆粒被打散,水泥分布更均勻且水化更充分,使水泥與集料間的黏結力大幅增加。另外,在28 d后,振動攪拌抗壓回彈模量的增長率比傳統(tǒng)攪拌小。說明振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石在早期即可形成較高的抗壓回彈模量,利于施工。

2.4 干縮試驗

水泥穩(wěn)定碎石基層在濕度變化時易產生干縮裂縫,進而形成瀝青面層反射裂縫。文中對4.5%水泥劑量的2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石進行干縮試驗。試驗前將試件標準養(yǎng)護7 d,測其初始長度和初始質量,在收縮儀上安裝好后放入干縮室內(20±1)℃,相對濕度為(60±5)%。試驗開始的前7 d內每天記錄一次數據(精確至0.001 mm),并稱重；7 d后每2 d記錄一次數據,連續(xù)記錄23 d；從第二個月開始,每7 d記錄一次數據,直至數據趨于穩(wěn)定。試驗結束后,將標準試件放入烘箱內烘干至恒量并稱其質量。計算得到干縮應變和系數如圖4、5所示。

圖4 2種水泥穩(wěn)定碎石的干縮應變

從圖4可知,2種攪拌的干縮應變均為先增大再逐漸趨于平緩,且干縮均主要發(fā)生在早期。振動攪拌的干縮應變在30 d基本穩(wěn)定,但傳統(tǒng)攪拌在40 d才穩(wěn)定。這主要因為振動攪拌的水化反應主要集中在早期,隨著齡期增長內部的水泥水化反應速率降低,混合料的失水收縮和水泥水化時的碳化收縮均減小,故其干縮更早趨于穩(wěn)定，因此,振動攪拌可縮短養(yǎng)護周期和提高施工效率。振動攪拌干縮應變曲線一直處于傳統(tǒng)攪拌下方,說明在相同齡期時振動攪拌的干縮應變均明顯比傳統(tǒng)攪拌的小,即干縮性能比傳統(tǒng)攪拌好。振動攪拌可有效降低水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮開裂風險。

從圖5可知,在相同齡期時,振動攪拌的干縮系數基本比傳統(tǒng)攪拌小,即干縮性能優(yōu)于傳統(tǒng)攪拌,這與干縮應變的試驗結果一致。水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮主要由內部的毛細管張力作用和吸附水的分子間力導致的[22]。在振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石中,水泥水化更加充分,細料分散更加均勻,且內部結構更加致密。隨著齡期增長,當混合料失水時,由于振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石中的大孔徑毛細管減少,大孔徑毛細管失水所產生的壓力差就較小,其內部的收縮應力也較小,故振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的干縮性會更好。振動攪拌的干縮系數變異性比傳統(tǒng)攪拌的低，說明振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能更加穩(wěn)定[23]，其主要原因是振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石更加均勻,壓實后水均勻地分布在水泥穩(wěn)定碎石基層內部。失水收縮時,基層中各部位散失的水分也是均勻的,故收縮變形較為均勻且干縮性能更加穩(wěn)定。

圖5 2種水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數

2.5 溫縮試驗

當溫度驟降或低溫時,半剛性基層容易產生溫縮裂縫。分別對4.5%水泥劑量的2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石進行溫縮試驗。試驗前將梁式試件進行標準養(yǎng)護7 d,然后試件安裝在收縮儀上,并放入高低溫交變試驗箱內,溫度范圍為-25 ℃～60 ℃。試驗時,溫度從60 ℃以0.5 ℃/min的速率下降至-25 ℃,并分別記錄60、40、20、10、0、-10 ℃、-25 ℃時收縮儀的讀數,結果如圖6所示。

圖6 2種水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數

從圖6可知,振動攪拌的溫縮系數在各個溫度區(qū)間均比傳統(tǒng)攪拌小,即溫縮性能更好。主要是因為水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數與粗骨料表面水泥漿體厚度成正比[24],在振動攪拌時粗骨料表面的掛漿厚度均勻,而在傳統(tǒng)攪拌時粗骨料表面水泥漿體厚度分布不均勻,在未完全水化的地方往往較薄。此外,在-25～-10 ℃時,振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數比傳統(tǒng)攪拌下降了22.4%；而在40～60 ℃時,僅下降了13.5%。可見,在低溫時振動攪拌對水泥穩(wěn)定碎石溫縮性能的改善效果更明顯。

2.6 疲勞試驗

當各種荷載的重復作用達到一定次數后,水泥穩(wěn)定碎石基層會出現疲勞破壞。分別對4.5%水泥劑量的2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石在伺服萬能試驗機(UTM)上進行三點彎曲疲勞試驗。試驗前,先測試件的彎拉強度,確定0.6、0.7、0.8和0.9共4個應力比,加載頻率為10 Hz,結果見表4。

表4 疲勞結果

根據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[18]中推薦的單對數疲勞方程lgN=a+bσ/S(其中a、b為回歸系數,N為荷載作用次數),對其分別進行線性回歸求疲勞方程,并對方程的顯著性進行分析,相關參數系數見表5。

表5 統(tǒng)計參數與回歸參數表

根據表5中的回歸參數可得50%保證率時振動攪拌和傳統(tǒng)攪拌的疲勞方程分別為式(1)、(2)。

lgN=11.891-10.090σ/S，

(1)

lgN=11.583-11.959σ/S。

(2)

根據線性回歸結果,對50%保證率時的線性回歸效果進行檢驗,結果見表6。

表6 回歸效果檢驗

由表6可知,2個疲勞方程的回歸結果顯著,2種攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石50%保證率時的疲勞方程可靠。根據50%保證率的疲勞方程,分別計算2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石在保證率為95%時的疲勞方程。對于Fα(1,n-2),查t分布表,可得2種攪拌的疲勞方程在保證率為95%時的偏差值Δ=0.960。對于疲勞試驗,置信區(qū)間取下限時為最不利情況,故2種攪拌的水泥穩(wěn)定碎石在95%保證率時的疲勞方程分別為式(3)、(4)。

振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程：

lgN=11.891-10.090σ/S-0.96=10.931-10.090σ/S

；

(3)

傳統(tǒng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程：

lgN=11.583-11.959σ/S-0.96=10.623-11.959σ/S。

(4)

從圖7可知,2種攪拌的疲勞方程都是顯著的。振動攪拌的標準偏差S=1.052,而傳統(tǒng)攪拌的標準偏差S=1.180,說明振動攪拌疲勞方程的離散性更小。

圖7 95%保證率時的疲勞曲線

在單對數疲勞方程中,截距a值越大,表明高應力水平下材料抗疲勞性能越好；疲勞曲線的斜率|b|值越大,意味著疲勞壽命對應力水平越敏感[25-26]。從疲勞方程可知,振動攪拌的|b|值比傳統(tǒng)攪拌小,但a值比傳統(tǒng)攪拌大，因此,振動攪拌的疲勞壽命受應力影響較小,在高應力水平下的抗疲勞性能更好,疲勞壽命更長。從能量和損傷的角度來看,荷載作用在基層時,水泥穩(wěn)定碎石通過內部的彈性變形和塑性變形消耗荷載作用產生能量,在卸載后,彈性變形部分的能量可被釋放出來,基層本身不產生損傷，但基層的塑性變形是不可恢復,這部分能量的消耗則會對半剛性基層的內部結構造成破壞。在荷載重復作用下,半剛性基層內部的損傷逐漸累積,結構整體的強度降低，剩余壽命不斷縮短,直至發(fā)生疲勞破壞[26]。而在振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石中,水泥水化充分且分布均勻,集料與水化產物黏結更加緊密,抗塑性變形能力更強,內部不易產生損傷,故抗疲勞性能更好。

3 結語

① 振動攪拌技術可提高水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度、間接抗拉強度和動態(tài)抗壓回彈模量,并減小變異系數即提高均勻性。振動攪拌技術對低劑量水泥穩(wěn)定碎石強度的改善效果更明顯,且對無側限抗壓強度的影響比間接抗拉強度大。

② 振動攪拌技術可減小干縮應變、失水率、干縮系數和溫縮系數,使干縮與溫縮性能更好且更早趨于穩(wěn)定,特別是對低溫時溫縮性能的改善作用更明顯。

③ 振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程的截距a值較大,斜率|b|值較小,故疲勞性能更好,使用壽命更長且變異性更小、更穩(wěn)定。

雖然系統(tǒng)地開展了大量的振動水泥穩(wěn)定碎石性能的研究,但是水穩(wěn)基層易遭受沖刷導致路面承載力下降,今后還應考慮對振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷、抗凍融及抗侵蝕性能方面進行研究。