水穩(wěn)碎石基層材料微裂損傷程度控制方法研究

吳全州

摘要 早期養(yǎng)護(hù)期間，水泥穩(wěn)定碎石基層材料易出現(xiàn)收縮裂縫病害，且反射至面層而影響路面質(zhì)量。文章以工程實(shí)踐為依托，提出了用于預(yù)防瀝青路面反射裂縫的微裂技術(shù)?；诖耍攸c(diǎn)論述了水穩(wěn)碎石基層材料微裂技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)和作用原理，分析了影響該技術(shù)應(yīng)用的因素，并借助微裂損傷程度控制試驗(yàn)，明確了水穩(wěn)碎石試件微裂程度與振動(dòng)時(shí)間之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

關(guān)鍵詞 公路工程項(xiàng)目；水穩(wěn)碎石基層；微裂損傷；損傷程度控制

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）12-0078-03

0 引言

微裂技術(shù)多應(yīng)用于水泥穩(wěn)定類基層，多于水泥穩(wěn)定碎石基層材料完成1～3 d養(yǎng)護(hù)后，借助振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓而產(chǎn)生微小裂縫網(wǎng)絡(luò)的方式，以防止基層材料收縮引發(fā)的有害裂縫。水穩(wěn)碎石基層材料微裂后基層部分力學(xué)強(qiáng)度暫時(shí)流失，且后續(xù)可恢復(fù)，其混合料結(jié)構(gòu)類型、微裂損失程度、微裂時(shí)間、水泥用量等因素均會(huì)對(duì)基層力學(xué)指標(biāo)恢復(fù)情況產(chǎn)生影響。該文重點(diǎn)對(duì)基層材料微裂損傷程度的控制措施，進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 微裂技術(shù)及作用機(jī)理

微裂技術(shù)即完成水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪與碾壓工序后，在1～3 d的養(yǎng)生齡期內(nèi)借助振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓以產(chǎn)生微小裂縫網(wǎng)絡(luò)，對(duì)抗水泥穩(wěn)定材料自身收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，以降低由此產(chǎn)生裂縫的概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)基層路面的保護(hù)，減少反射裂縫損害面層[1]。

水泥穩(wěn)定碎石基層材料微裂后，材料表面出現(xiàn)較小的微細(xì)裂縫，由于裂縫處于早期階段，在水泥的水化作用下裂縫會(huì)逐漸自愈，且隨著齡期增加水泥穩(wěn)定材料的強(qiáng)度逐步恢復(fù)，微裂縫的存在并不會(huì)對(duì)路基材料的承載力產(chǎn)生明顯影響[2]。

2 微裂技術(shù)主要影響因素

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強(qiáng)度變化情況進(jìn)行分析可知，基層材料微裂損傷后，其力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)變化處于動(dòng)態(tài)變化的過程中。從工程實(shí)踐的角度分析，水穩(wěn)基層材料的微裂作用的力學(xué)強(qiáng)度與微裂縫自愈合能力關(guān)系密切，而對(duì)此產(chǎn)生影響的因素包括混合料結(jié)構(gòu)類型、微裂損失程度、微裂時(shí)間、水泥用量、微裂縫荷載等[3]。

2.1 混合料結(jié)構(gòu)類型

水泥穩(wěn)定基層材料多由水泥、粗集料、細(xì)集料等按照不同配比混合而成，材料類型不同其化學(xué)特性有所差異，級(jí)配、顆粒大小、形狀、強(qiáng)度等有所改變，均會(huì)對(duì)混合料性能產(chǎn)生影響。

2.2 水泥劑量

養(yǎng)生階段早期水泥穩(wěn)定基層材料易變性干縮，其與水泥內(nèi)部水泥顆粒水化不徹底關(guān)系密切，水化反應(yīng)過程中水泥內(nèi)部水分被消耗，引發(fā)材料干裂固縮。

2.3 微裂實(shí)施時(shí)間

養(yǎng)生齡期1～3 d內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度、收縮特性出現(xiàn)明顯變化，隨著水泥材料特性的變化，微裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。

2.4 微裂程度

微損程度過小產(chǎn)生的網(wǎng)狀微裂紋小，無法充分抵消早期收縮應(yīng)力值，同時(shí)會(huì)增加施工難度，而如果微損程度過大則會(huì)導(dǎo)致裂縫過長或者過寬，降低基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.5 微裂荷載

振動(dòng)壓路機(jī)噸位過大會(huì)導(dǎo)致基層材料微裂程度增加，裂縫難于自行愈合；壓路機(jī)噸位過小則會(huì)降低微裂程度，需多次碾壓改善微裂效果[4]。

3 微裂損傷程度控制試驗(yàn)分析

室內(nèi)試驗(yàn)，通過制備損傷程度各異的試件，探究振動(dòng)參數(shù)不同情況下，水泥穩(wěn)定碎石材料在不同影響因素條件下的微損程度與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系。

3.1 微裂損傷程度控制試驗(yàn)振動(dòng)參數(shù)選擇

以現(xiàn)行《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)操作，并以廠家推薦的試驗(yàn)方法為參考進(jìn)行微裂損傷控制試驗(yàn)。此次試驗(yàn)中振動(dòng)壓實(shí)儀型號(hào)為DZY-09，詳細(xì)參數(shù)如下：振幅25 mm，靜壓力1 900 N，振動(dòng)頻率30 Hz。工程上通過控制振動(dòng)壓實(shí)儀的振動(dòng)時(shí)間來對(duì)水泥穩(wěn)定碎石試件微裂損傷程度進(jìn)行控制[5]。

3.2 微裂損傷程度控制試驗(yàn)過程

水泥穩(wěn)定碎石基層微裂損傷程度控制試驗(yàn)流程如下：

（1）結(jié)合水穩(wěn)碎石混合料性能確定最佳含水量和最大干密度，借助振動(dòng)壓實(shí)儀調(diào)整壓實(shí)度為98%，將試件制備為150 mm×150 mm的圓柱形，分別于養(yǎng)生齡第1 d、第2 d、第3 d取出，并將成型的試件置于15 mm的圓形套筒內(nèi)進(jìn)行微裂。

（2）制備微損程度各異的水泥穩(wěn)定碎石試件應(yīng)用于微裂損傷控制試驗(yàn)中，并對(duì)不同試件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量微裂損傷后試樣抗壓回彈模量的操作較為繁瑣，且影響測(cè)量結(jié)果的因素眾多，為簡化操作，該文試驗(yàn)中選用抗壓強(qiáng)度降低百分率指標(biāo)評(píng)估試樣的微損情況[6]。

（3）根據(jù)微裂損傷試驗(yàn)結(jié)果，試件抗壓強(qiáng)度隨著振動(dòng)壓實(shí)儀振動(dòng)時(shí)間增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，微裂損傷主要集中在180 s以內(nèi)，選取養(yǎng)生第1 d試樣按照0 s、15 s、30 s、45 s、60 s 、75 s、90 s進(jìn)行振動(dòng)，選取養(yǎng)生第2 d和第3 d試樣按照0 s、30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s進(jìn)行振動(dòng)，分別測(cè)定不同振動(dòng)時(shí)間條件下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并記錄無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低百分率為20%、30%和40%時(shí)的振動(dòng)時(shí)間。

（4）為減少重復(fù)工作量，同一水平的試件數(shù)量為6個(gè)，制備不同微裂程度試件并檢測(cè)不同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低百分率值情況下對(duì)應(yīng)的微裂損傷情況[7]。

3.3 微裂損傷程度控制試驗(yàn)結(jié)果分析

養(yǎng)生1 d、2 d、3 d分別對(duì)試樣進(jìn)行微裂損傷程度與振動(dòng)時(shí)間關(guān)系的分析，將試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)繪制成直觀的統(tǒng)計(jì)圖，詳情如圖1～3所示。

分析不同養(yǎng)生齡期水泥穩(wěn)定碎石基層微裂程度控制試驗(yàn)結(jié)果可知：水泥穩(wěn)定碎石試件微裂程度隨振動(dòng)時(shí)間增加表現(xiàn)為先增大后降低，微損達(dá)到最大值后，隨著振動(dòng)時(shí)間增加微裂損傷值不再變化，試件抗壓強(qiáng)度也不再增大，基層粗料受損，試件結(jié)構(gòu)改變。由此可見，過長時(shí)間的振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層表面破壞，影響其結(jié)構(gòu)質(zhì)量[8]。

分析圖1～3可知：

（1）養(yǎng)生1 d后水穩(wěn)碎石基層微裂損傷程度可達(dá)15%～20%，振動(dòng)時(shí)間約30～45 s，隨著振動(dòng)時(shí)間增加，試件的抗壓強(qiáng)度水平增大。

（2）利用振動(dòng)壓實(shí)儀對(duì)試件進(jìn)行微裂時(shí)，混合料受損主要表現(xiàn)為水泥穩(wěn)定碎石試件集料間裂隙或表面破壞，試件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值降低，振動(dòng)時(shí)間增加，混合料的均勻度改變，壓實(shí)度增加后試件強(qiáng)度值有所回升。故振動(dòng)時(shí)間一定的情況下，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加試件抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，且最大微裂破損程度在15%～20%范圍內(nèi)。

（3）微裂損傷程度控制試驗(yàn)結(jié)果顯示，養(yǎng)生2 d和3 d后，試樣的微裂程度隨著振動(dòng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大微裂損傷程度在35%～45%范圍內(nèi)，其振動(dòng)時(shí)間約150～180 s，隨后持續(xù)振動(dòng)將導(dǎo)致試件上部結(jié)構(gòu)受損[9]。

結(jié)合大量國內(nèi)外研究結(jié)果，水穩(wěn)碎石基層強(qiáng)度損失控制在30%～50%范圍內(nèi)效果最佳，微裂損傷強(qiáng)度過小難以達(dá)到理想的微裂效果，損傷過大則可能導(dǎo)致基層收縮裂縫影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。該研究結(jié)果顯示，養(yǎng)生1 d后的微裂試樣微裂損傷程度為15%～20%，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需將微裂損失程度控制在20%～40%，故后續(xù)研究主要集中在水穩(wěn)碎石基層養(yǎng)生2 d和3 d后的力學(xué)性能指標(biāo)恢復(fù)情況。檢測(cè)結(jié)果顯示，養(yǎng)生2 d和3 d后，水穩(wěn)碎石試樣的損傷程度與振動(dòng)時(shí)間關(guān)系如表1所示。

以后續(xù)試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，要制備特定損傷程度的水穩(wěn)碎石材料，需對(duì)振動(dòng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制并注意振動(dòng)時(shí)間符合規(guī)范。完成養(yǎng)生2 d和3 d后，水泥穩(wěn)定碎石試件抗壓強(qiáng)度損失20%、30%、40%時(shí)，試件劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量之間的關(guān)系如表2所示。

對(duì)表2分析可知：

（1）養(yǎng)生2 d后水泥劑量控制為3%～5%范圍內(nèi)時(shí)，時(shí)間劈裂強(qiáng)度值與抗壓回彈模量損傷程度值高出抗壓強(qiáng)度損失值15%～25%。

（2）養(yǎng)生3 d后劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量損傷程度比抗壓強(qiáng)度損傷程度高出10%～20%。

（3）水穩(wěn)碎石材料抗壓強(qiáng)度損失在20%～40%時(shí)，劈裂強(qiáng)度損傷程度約35%～65%，抗壓回彈模量損失程度約30%～60%[10]。

4 結(jié)論

綜上所述，該文對(duì)微裂技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用原理進(jìn)行了介紹，并分析了影響微裂技術(shù)應(yīng)用效果的因素，結(jié)合微裂損傷程度控制試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）養(yǎng)生期1～3 d范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度損失程度隨振動(dòng)時(shí)間的增大而降低：①養(yǎng)生1 d后水穩(wěn)碎石基層微裂損傷程度可達(dá)15%～20%，振動(dòng)時(shí)間約30～45 s；②養(yǎng)生2 d和3 d后，最大微裂損傷程度在35%～45%范圍內(nèi)，振動(dòng)時(shí)間約150～180 s；③振動(dòng)壓實(shí)儀振動(dòng)參數(shù)一定的條件下，控制水泥劑量為3%～5%，水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)生2 d和3 d后，不同微裂損傷程度需要的振動(dòng)時(shí)間有所差異，為后續(xù)相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)；

（2）水泥穩(wěn)定碎石材料微裂后，劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量損傷程度比抗壓強(qiáng)度損傷程度高。水泥劑量為3%～5%的水泥穩(wěn)定碎石材料，養(yǎng)生2 d和3 d后微裂，抗壓強(qiáng)度損傷為20%～40%條件下，劈裂強(qiáng)度損傷程度與抗壓回彈模量的損傷程度分別為35%～65%和30%～60%。

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