低摻量水泥改善級配碎石力學(xué)和收縮規(guī)律分析

岳愛軍, 邱華, 馮永平

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 桂林 541004; 2.廣西壯族自治區(qū)公路發(fā)展中心, 南寧 530029)

水泥穩(wěn)定碎石混合物受到多種變量的影響,包括水泥含量、水泥類型、水分含量、養(yǎng)護(hù)時間、壓實(shí)度、骨料類型等[1]。目前對于水泥穩(wěn)定碎石抗裂性的提升主要包括級配設(shè)計,通過降低細(xì)集料含量來優(yōu)化骨料級配對提高收縮性能有積極影響[2-3];預(yù)先切割裂縫和鋪設(shè)土工布[4]和添加各種水泥外加劑[5-6];以及摻入某種不同于骨料及水泥的新材料,如各種纖維、橡膠、鋼渣、石膏粉煤灰等[7-10]。來抵抗收縮應(yīng)力和延緩裂縫的發(fā)展。這些研究措施對于減少半剛性基層反射裂縫起到了不錯的效果。

同時與外國相比,中國現(xiàn)行規(guī)范使用的半剛性基層水泥用量較高、強(qiáng)度較大[11-12],較高的水泥用量帶來了收縮變大,反射裂縫變多,部分學(xué)者基于此提出通過降低水泥劑量控制開裂,減少結(jié)構(gòu)反射裂縫。張敏江等[13]利用abaqus有限元軟件分析計算得出結(jié)論低水泥劑量穩(wěn)定級配碎石替代上基層后,能有效改善面層受力狀態(tài),并基于此給出了推薦的結(jié)構(gòu)組合形式。于新等[14]和霍軼珍等[15]認(rèn)為水泥劑量越低水穩(wěn)碎石的干縮、溫縮系數(shù)對含水量變化的敏感性越低,3%以下水泥劑量的水穩(wěn)碎石抗干縮能力較好。周軍霞[16-17]研究了不同低水泥含量級配碎石單一齡期的力學(xué)性能以及凍脹性能,并通過對比分析認(rèn)為最佳低水泥含量為3%。彭波等[18]以抗壓強(qiáng)度和干縮系數(shù)為指標(biāo)得到了低水泥劑量穩(wěn)定碎石的推薦級配,并基于推薦級配分析認(rèn)為水泥劑量的合理范圍為2%～4%。周志剛等[19-22]通過試驗(yàn)系統(tǒng)研究了低劑量水泥改性級配碎石的級配、含水率、壓實(shí)度等因素對收縮、施工質(zhì)量以及抗壓、抗剪、加州承載比、動回彈模量等力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的影響,并提出了相關(guān)的控制指標(biāo)。

然而上述相關(guān)文獻(xiàn)對于合理水泥摻量的分析均是各指標(biāo)單獨(dú)分析,沒能將各指標(biāo)放在相同尺度下對比分析;并且也沒有對低水泥摻量下的基層結(jié)構(gòu)的長期性能以及各指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究和模型預(yù)測,而長期的性能對基層結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要,因此有必要研究低水泥摻量下基層結(jié)構(gòu)的長期力學(xué)性能和收縮規(guī)律?；谇叭顺晒?現(xiàn)使用廣西某在建項(xiàng)目粗顆粒級配,探究在不同的低水泥劑量和齡期狀態(tài)下,各項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢,并根據(jù)各參數(shù)在相同尺度下的增長趨勢綜合得到合理水泥摻量范圍。

1 原材料與試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

試驗(yàn)用的水泥為興安海螺牌M32.5硅酸鹽砌筑水泥,初凝242 min,終凝369 min,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26%,3 d和28 d抗壓抗折強(qiáng)度性能均符合相關(guān)要求。骨料為桂林市臨桂家合混凝土公司商混站使用的普通石灰?guī)r集料,1#～3#為粗骨料、4#為石灰?guī)r機(jī)制砂,基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。因?yàn)樗嗍褂昧枯^少所以級配應(yīng)略粗,構(gòu)成骨架嵌擠結(jié)構(gòu),顧采用廣西某在建路面工程現(xiàn)場所使用的粗顆粒級配,各檔料篩分結(jié)果與合成級配如表2所示。不同低水泥摻量的最佳含水率和最大干密度采用普通重型擊實(shí)丙法得到,結(jié)果如表3所示。

表1 集料主要技術(shù)指標(biāo)

表2 集料篩分與合成級配

表3 不同水泥摻量下重型擊實(shí)丙法試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按相關(guān)規(guī)程[23-24]的要求進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備。其中,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量(靜模量)試驗(yàn)使用靜壓法成型的150 mm(直徑)×150 mm(高)圓柱體試塊,干燥收縮試驗(yàn)使用靜壓法成型的400 mm(長)×100 mm(寬)×100 mm(高)長方體試塊,加州承載比試驗(yàn)使用靜壓法成型的152 mm(直徑)×120 mm(高)的圓柱體試塊。成型后的試件在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行不同齡期的養(yǎng)生,在養(yǎng)生齡期的最后一天進(jìn)行泡水養(yǎng)護(hù)。

抗壓、間接抗拉、加州承載比以及回彈模量試驗(yàn)均使用300 kN萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,前3個加載速率為1 mm/min,回彈模量的加載速率為0.04 MPa/min;干燥收縮試驗(yàn)在(20±1) ℃,60%±5%相對濕度的干燥環(huán)境下進(jìn)行檢測。

2 強(qiáng)度與模量變化規(guī)律

2.1 不同摻量與齡期下強(qiáng)度變化規(guī)律

強(qiáng)度是衡量基層性能的最重要指標(biāo)。將成型的圓柱型試塊分別養(yǎng)生至3、7、14、28、60、90 d進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),不同摻量水泥改善級配碎石在不同齡期下的抗壓和劈裂強(qiáng)度結(jié)果如表4所示,將表4的試驗(yàn)結(jié)果用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如表6所示。分析表4可知,不同水泥摻量的試塊強(qiáng)度增速隨齡期的增長先快后慢,在前14 d強(qiáng)度增長速率最快,其中7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到90 d抗壓強(qiáng)度的60%～70%,7 d劈裂強(qiáng)度達(dá)到90 d劈裂強(qiáng)度值的50%～60%;28 d以后增長速率逐步變慢,在60 d以后強(qiáng)度增長已經(jīng)很小,60 d抗壓強(qiáng)度已達(dá)到90 d抗壓強(qiáng)度90%以上,60 d劈裂強(qiáng)度占90 d劈裂強(qiáng)度95%以上,逐步趨于穩(wěn)定。

在任意齡期內(nèi)強(qiáng)度值均隨水泥摻量的增加而變大。但是按照目前規(guī)范對于7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求,水泥摻量為1.5%時,是不滿足規(guī)范的要求,摻量為2.0%的只滿足二級公路中輕交通要求,摻量為2.5%的滿足高速和一級公路中輕交通、二級公路重交通要求,3.0%摻量的滿足高速和一級公路重交通、二級公路極重交通的要求[11]。90 d劈裂強(qiáng)度整體較低,水泥用量越少,抗劈裂能力降低得越厲害,尤其是水泥摻量為1.5%時劈裂強(qiáng)度只有2.0%的一半。當(dāng)水泥摻量較少時,水泥對級配碎石起到的穩(wěn)定作用較小,只是起到一定的改善穩(wěn)定作用,是不滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求,或僅滿足中輕交通的要求。

表4 不同水泥摻量與齡期下強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 不同摻量與齡期下加州承載比和模量變化規(guī)律

加州承載比(California bearing ratio,CBR)是評價松散材料力學(xué)性能的一種試驗(yàn)方法。主要用來衡量級配碎石和土基性能的強(qiáng)度指標(biāo),以標(biāo)準(zhǔn)碎石的位移變化為基準(zhǔn),用相對值的百分?jǐn)?shù)表示CBR值。當(dāng)水泥摻量較少時,CBR作為一種強(qiáng)度指標(biāo)用來評價水泥改善級配碎石抵抗局部荷載的性能是有意義的。回彈模量是評價材料變形、基層結(jié)構(gòu)響應(yīng)和設(shè)計計算的重要參數(shù),測量回彈模量的方法有很多,本次采用頂面法測量其抗壓回彈靜模量。

將成型的試塊分別養(yǎng)生至對應(yīng)齡期進(jìn)行試驗(yàn),CBR試驗(yàn)因強(qiáng)度超過普通路面材料強(qiáng)度儀最大量程,顧采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,并通過計算機(jī)直接讀取應(yīng)力與位移。不同摻量水泥改善級配碎石在不同齡期下的CBR和靜模量結(jié)果如表5所示。將表5的試驗(yàn)結(jié)果用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合,如表7所示。

分析表5可知,CBR在前28 d強(qiáng)度增長速率最快,其中不同水泥摻量7 d齡期CBR達(dá)到60 d齡期CBR的62%～82%;28 d以后增長速率變慢,增長幅度已經(jīng)很小了,28 d齡期CBR均已占60 d齡期CBR值的95%以上,回彈模量也有類似的強(qiáng)度增長規(guī)律,7 d回彈模量值已達(dá)到90 d回彈模量的70%以上。4個物理量的增長規(guī)律都類似,主要增長在前28 d,28～60 d增長速度開始放緩,60 d以后趨于穩(wěn)定,這符合水泥水化作用隨齡期的變化規(guī)律,早期水泥發(fā)生水化,強(qiáng)度增長迅速,后期水化基本完成,強(qiáng)度增長變小,直至水化完成強(qiáng)度穩(wěn)定。

0 d齡期的CBR值為不加水泥時的級配碎石CBR測值,因此與水泥摻量沒有關(guān)系,所以在擬合曲線時不考慮0 d齡期CBR的影響,可以認(rèn)為級配對于不同水泥摻量60 d齡期CBR的貢獻(xiàn)為,50.5%、45.6%、38.8%、34.8%,因此水泥水化作用對于CBR的貢獻(xiàn)為49.5%、54.4%、61.2%、65.2%。顯而易見,隨著水泥摻量增多,水泥水化作用對CBR的貢獻(xiàn)也越多。按照目前規(guī)范[11]的要求,在此級配下即使不加水泥,236%的CBR也滿足高速公路和一級公路極、特重交通CBR≥200%的要求。可以看出添加少量水泥和不加水泥情況下,CBR值增長了2～3倍,兩者相差并沒有大一個數(shù)量值,因此低摻量下的水泥改善級配碎石可以按級配碎石方法用CBR作為一個強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行評價。

舊版設(shè)計規(guī)范[25]對于半剛性基層靜模量的要求是1 300 MPa以上,級配碎石為350 MPa以下,而本次試驗(yàn)4種水泥摻量90 d齡期的抗壓回彈靜模量為633～1 033 MPa。結(jié)合上述分析,即可以認(rèn)為低水泥摻量下其性能是介于級配碎石與半剛性基層之間的。

2.3 強(qiáng)度與模量統(tǒng)一增長規(guī)律模型

將表4與表5的強(qiáng)度與模量隨時間增長的擬合模型匯總,結(jié)果如表6和表7所示。從表6和表7可以看出,各擬合方程相關(guān)系數(shù)均在0.95以上,說明對數(shù)模型y=a+blgt擬合精度高、相關(guān)性強(qiáng)。令x=lgt,則模型即變?yōu)閥=a+bx,即系數(shù)a為截距,可理解為與齡期剛開始的初始強(qiáng)度或者初始模量有關(guān),截距越大則初始強(qiáng)度與模量越大、曲線整體越高;系數(shù)b為斜率,其與水泥水化過程有關(guān),斜率越大則曲線越抖,即代表水泥水化過程越強(qiáng)烈,強(qiáng)度與模量增長的更快。水泥摻量越多,則初始強(qiáng)度與模量越大,水泥水化作用也會更強(qiáng)烈,強(qiáng)度與模量增長的更快,所以系數(shù)a、b都與水泥劑量有一定關(guān)聯(lián),將表6和表7中的系數(shù)a、b與水泥劑量進(jìn)行擬合,結(jié)果如表8所示。

表5 不同水泥摻量與齡期下CBR與抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

從表8可以看出各力學(xué)參數(shù)線性擬合關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)除一個為0.87外,其余均在0.94以上,說明系數(shù)a、b與水泥劑量c均有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

表6 不同水泥摻量抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度增長模型匯總

表7 不同水泥摻量CBR與抗壓回彈模量增長模型匯總

表8 不同力學(xué)參數(shù)系數(shù)a、b增長規(guī)律匯總

根據(jù)表8結(jié)果,得到力學(xué)參數(shù)統(tǒng)一增長模型為

Sc=(1.292c-1.111)+(0.801c-0.191)lgt

(1)

St=(0.086c-0.105)+(0.118c-0.085)lgt

(2)

CBR=(140.068c-36.691)+(14.377c+

136.777)lgt

(3)

Ec=(90.22c+253.817)+(88.125c-

2.086)lgt

(4)

2.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與各力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型

現(xiàn)行規(guī)范[11]中,抗壓強(qiáng)度是進(jìn)行現(xiàn)場配合比設(shè)計和控制施工現(xiàn)場基層質(zhì)量最重要的技術(shù)指標(biāo),而其他物理參數(shù)一般不在現(xiàn)場進(jìn)行測試,但其他參數(shù)對于基層同樣重要。比如回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計所必需的物理參數(shù),路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中層底最大拉應(yīng)力可用劈裂強(qiáng)度來衡量安全可靠性,CBR可用來評價基層抵抗局部荷載的能力。

這些參數(shù)在設(shè)計驗(yàn)證時相互獨(dú)立取值,存在不協(xié)調(diào)匹配的情況,因此可通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度定量的去評價其他物理量,分別建立抗壓強(qiáng)度與其他物理量的模型,后續(xù)在進(jìn)行配合比設(shè)計與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時可參考模型進(jìn)行相互換算與驗(yàn)算。將相同水泥摻量和相同齡期的抗壓強(qiáng)度與其他的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合,建立了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Sc與劈裂強(qiáng)度St、加州承載比CBR、抗壓回彈模量Ec之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,如圖1所示。

由圖1可以看出,各力學(xué)參數(shù)分別采用線性函數(shù)y=a+bx擬合與冪函數(shù)y=axb擬合,兩種擬合方法相關(guān)系數(shù)都在0.90以上,擬合精度較高,但整體而言冪函數(shù)更高,所以采用冪函數(shù)模型。

顧得力學(xué)參數(shù)相互轉(zhuǎn)換模型為

(5)

(6)

(7)

3 基層干燥收縮變化規(guī)律

水泥穩(wěn)定碎石在前期因?yàn)槭a(chǎn)生收縮,當(dāng)失水產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大于基層抵抗應(yīng)力時基層會開裂。將成型的長方體試塊養(yǎng)護(hù)7 d后置于恒定溫度濕度的環(huán)境下,兩側(cè)固定千分表進(jìn)行測量,開始測量試驗(yàn)的前7 d每天觀測記錄一次收縮和干燥失水變化,之后每2 d觀測記錄一次,連續(xù)記錄28 d。定義公式:α=ε/ω,α為干縮系數(shù),ε為收縮應(yīng)變,ω為失水率,不同水泥摻量隨時間變化的失水率、收縮應(yīng)變、干燥收縮系數(shù)如圖2所示。

圖1 Sc與St、CBR、Ec的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.1 Conversion relationship between Scand St, CBR, Ec

圖2 干燥收縮變化規(guī)律Fig.2 Drying shrinkage change law

從圖2(a)和圖2(b)可知,失水率和收縮應(yīng)變均是前期大,后期小,其中失水率在前7 d失水迅速,特別是前48 h,而后失水逐漸減小,直到穩(wěn)定不再失水;收縮應(yīng)變則是第一天收縮較大而后減小又增大,在6～7 d有一個收縮小高峰而后再逐步減小直至穩(wěn)定。水泥摻量越大累計失水率反而越小,這是因?yàn)樗嘣缴賱t需要參與水化反應(yīng)的水就越少,自由水就越多,在干燥環(huán)境下失去更多水分。累計收縮應(yīng)變則相反,隨水泥摻量的增加而增加。從圖2(c)可知失水率和收縮應(yīng)變成兩者呈一定的相關(guān)關(guān)系,收縮應(yīng)變隨著失水率的增加而變大,即混合料因?yàn)槭ニ植女a(chǎn)生收縮。

干燥收縮系數(shù)綜合了收縮應(yīng)變和失水率的影響,是目前國內(nèi)用來評價水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的主要指標(biāo)。從圖2(d)可知干縮系數(shù)都是先減小后增大,在7～10 d達(dá)到最大值后開始又逐漸降低直至穩(wěn)定,干燥收縮系數(shù)隨水泥摻量的增加而增加,1.5%水泥摻量的28 d干縮系數(shù)僅為3.0%水泥摻量28 d干縮系數(shù)的59.3%;并且在圖2(c)中,相同失水率下,水泥摻量越大,則收縮應(yīng)變越大,即水泥含量對基層的收縮影響明顯。通過降低水泥摻量,可以減小干縮應(yīng)變和干縮系數(shù),進(jìn)而減少和延緩反射裂縫的出現(xiàn)。

4 合理水泥摻量推薦值

從上述分析可知,不同水泥摻量對應(yīng)著不同的力學(xué)性能和收縮性能,水泥摻量越高則力學(xué)性能和模量越高,對基層越有利,但收縮變形同樣會隨水泥摻量的增加而增加,因此如何平衡力學(xué)性能和收縮性能之間的關(guān)系尤為重要。各力學(xué)參數(shù)取結(jié)構(gòu)設(shè)計和配合比設(shè)計時常用的齡期,分別為7 d的Sc、90 d的St、7 d的CBR、90 d的Ec和28 d的α。

但不同參數(shù)之間單位不同,且單位的數(shù)量級也不統(tǒng)一,難以直接比較,為將其進(jìn)行統(tǒng)一比較,顧做如下定義:增長因子=Xn/X1.5,其中X為不同力學(xué)和收縮參數(shù),n為不同水泥摻量,1.5為1.5%的水泥摻量,不同水泥摻量力學(xué)和收縮參數(shù)增長因子如表9和圖3所示。

從表9和圖3可知,強(qiáng)度、模量等對基層有利增長因子均隨水泥摻量的增加而變大,增長趨勢為臺增長,當(dāng)水泥摻量從1.5%～2.0%時,有利因子提升較大,從2.0%～2.5%時增長略平緩,從2.5%～3.0%時又有一個較大的增長,其中劈裂強(qiáng)度增長的最高,從2.5%～3.0%提升了56.8%。即從有利于基層的角度出發(fā),1.5%的水泥摻量力學(xué)性能較差,最低水泥摻量應(yīng)大于1.5%。

干縮系數(shù)α是基層的不利增長因子,增長趨勢為斜坡狀,即水泥摻量從1.5%～2.5%時,不利因子緩步增長,但從2.5%～3.0%時不利因子有一個較大的提升。即從有利于基層的角度出發(fā),3.0%的水泥摻量干燥收縮較大,最高水泥摻量應(yīng)小于3.0%。綜合有利與不利增長因子,水泥摻量為2.0%～2.5%時較為合理。

表9 不同水泥摻量力學(xué)和收縮參數(shù)的增長因子

圖3 增長因子隨水泥摻量變化規(guī)律Fig.3 Growth factor variation law with cement dosage

5 結(jié)論

(1)低水泥摻量改善級配碎石的各力學(xué)參數(shù)性能受水泥摻量和齡期影響明顯,水泥摻量越多、齡期越長則強(qiáng)度與模量越大,強(qiáng)度與模量在前28 d增長迅速,之后逐步放緩,并于60～90 d趨于穩(wěn)定;混合料的干縮性能也隨水泥摻量的增多而變大。

(2)通過分析CBR與抗壓回彈靜模量結(jié)果,低摻量水泥改善級配碎石基層的力學(xué)和抵抗變形能力是介于柔性基層與普通半剛性基層之間的狀態(tài)。加州承載比CBR可作為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度外,低水泥摻量級配碎石的一個補(bǔ)充強(qiáng)度驗(yàn)證指標(biāo)。

(3)通過分析Sc、St、CBR、Ec等力學(xué)參數(shù)隨齡期與水泥摻量的變化趨勢,采用對數(shù)函數(shù)模型y=a+b×lgt進(jìn)行擬合,得到了各力學(xué)參數(shù)隨齡期與水泥摻量變化的統(tǒng)一增長模型,并用冪函數(shù)y=axb建立了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與剩余3個力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系模型,為低摻量水泥改善級配碎石室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計、現(xiàn)場配合比設(shè)計與施工質(zhì)量控制提供了可相互參考印證的公式模型。

(4)通過定義增長因子,將不同參數(shù)與不同數(shù)量級的單位進(jìn)行了統(tǒng)一,并比較有利增長因子與不利增長因子的趨勢,經(jīng)過綜合分析比較,推薦水泥改善級配碎石的水泥摻量為2.0%～2.5%時較為合理。