水泥土抗裂性能的影響因素分析

陳柯，梁爽*，趙振國(guó)，張海濤

（1.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

中國(guó)公路發(fā)展迅猛，公路總里程排世界第一位?；鶎硬牧现?，半剛性基層尤其是水泥穩(wěn)定類基層由于具有強(qiáng)度高、抗疲勞性好、整體性好、原材料較為豐富的優(yōu)點(diǎn)，在道路中應(yīng)用十分廣泛。但是半剛性基層較為突出的不足之處是基層易出現(xiàn)收縮裂縫，導(dǎo)致路面的耐久性大大下降。這一問題一直都受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究，如對(duì)材料組分、級(jí)配和配合比、基層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律、路用性能等方面進(jìn)行研究［1-2］。在級(jí)配與配合比方面，于銳［3］提出水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計(jì)要綜合考慮交通情況，從壓實(shí)度，公路等級(jí)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；彭波等［4］采用逐級(jí)填充法和I 法確定級(jí)配，用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定細(xì)集料用量，并提出了用D-R 評(píng)價(jià)級(jí)配；張學(xué)超［5］從提高施工質(zhì)量的角度說明了進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和要點(diǎn)方法；洪藝勇［6］對(duì)比英國(guó)規(guī)范要求與中國(guó)規(guī)范要求，得出中國(guó)規(guī)范與英國(guó)規(guī)范配合比設(shè)計(jì)方法存在區(qū)別，但施工工藝基本一致的結(jié)論。在收縮方面，張登良等［7］對(duì)基層材料進(jìn)行了收縮試驗(yàn)，證明可以通過在水泥穩(wěn)定碎石中加入集料減少溫縮和干縮量；已有研究結(jié)果顯示，細(xì)集料的含量越大，干縮越大，也發(fā)現(xiàn)在其他條件相同時(shí)，存在最佳水泥劑量使得收縮最??；楊敏等［8］通過一系列的試驗(yàn)分析得出，粉煤灰加入水泥土中，會(huì)使水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，并改善其溫縮性能。在試件成型方式方面，蔣應(yīng)軍［9］通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)法與靜壓法成型的試件相比，振動(dòng)法做出的試件試驗(yàn)結(jié)果與取芯得出的結(jié)果更為接近。在強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律方面，李珊等［10］分析了水泥土的強(qiáng)度形成機(jī)理和干縮裂縫形成的時(shí)間因素，指導(dǎo)了基層和底基層施工。綜上所述，水泥土的抗裂性影響因素主要是材料的性質(zhì)與土的級(jí)配，水泥用量、添加劑的不同和試件的成型方式等方面，但是對(duì)水泥土混合料拌和方式鮮有試驗(yàn)研究，傳統(tǒng)拌和方式主要采用強(qiáng)制二次拌和，常規(guī)試驗(yàn)室成型方式采用靜壓成型方式［11-12］，該文采用振動(dòng)攪拌、碾壓成型方式對(duì)水泥土混合料進(jìn)行研究。

1 原材料性質(zhì)

1.1 水泥

試驗(yàn)所用的水泥為P.O 42.5 水泥，經(jīng)試驗(yàn)符合規(guī)范要求。水泥試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 水泥試驗(yàn)結(jié)果

1.2 土

試驗(yàn)用土為低液限粉質(zhì)黏土，取自黑龍江哈爾濱地區(qū)，試驗(yàn)土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

2 水泥土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)水泥土中水泥的含量為10%，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定水泥土的最佳含水量，擊實(shí)曲線如圖1所示。

圖1 水泥土擊實(shí)曲線

由圖1 可知：在水泥劑量為10%時(shí)水泥土的最佳含水量為13%，最大干密度為1.75 g/cm3。

3 試件拌和與成型方法

3.1 試件拌和方式

水泥土混合料的拌和方式采用振動(dòng)拌和與傳統(tǒng)拌和兩種方式，傳統(tǒng)拌和主要采用強(qiáng)制攪拌方式（人工手動(dòng)攪拌方式），振動(dòng)拌和即是在常規(guī)拌和條件下添加振動(dòng)作用，使水泥膠結(jié)材料能更好地分散在土顆粒周圍［13-16］。改裝振動(dòng)攪拌裝置如圖2 所示。

圖2 改裝振動(dòng)攪拌裝置

3.2 試件成型方式

碾壓成型試件制備過程參照瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中輪碾法成型瀝青混合料試件的方法。試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。首先將試模底部和側(cè)面鋪上大小合適的紙張，并涂油，裝上已經(jīng)備好的試料，用小錘由邊至中分層搗實(shí)，使中間稍凸出，放入車轍試件成型儀上，安裝穩(wěn)定后，采用常溫碾壓。在碾壓過程中根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，碾壓144 次能使混合料達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，在試件碾壓過程中為了使試件壓實(shí)均勻，先碾壓24 次再換另外的方向碾壓120 次，得到壓制完成的試件，并標(biāo)出碾壓方向［17-19］。試件如圖3 所示。

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圖3 碾壓成型試件

靜壓成型試件的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。試驗(yàn)采用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)壓件。試件如圖4 所示。

圖4 靜壓成型試件

4 抗裂性能試驗(yàn)研究

4.1 水泥土干縮試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行干縮溫縮試驗(yàn)。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱中養(yǎng)生6 d，浸水1 d 后，將試件表面水擦干并稱取質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)試長(zhǎng)度，取靠近試件邊緣兩次，中部一次，測(cè)量長(zhǎng)度。然后將試件放在室內(nèi)干燥陰涼處。一周內(nèi)每天進(jìn)行一次長(zhǎng)度和質(zhì)量的測(cè)量，一周后每?jī)商熳x數(shù)一次長(zhǎng)度并稱取質(zhì)量。水泥土試件是將300 mm×300 mm×50 mm 的板形試件切割成150 mm×300 mm×50 mm 的試件，量測(cè)的邊為短邊。直接使用公法線千分尺測(cè)量。

對(duì)常規(guī)拌和與振動(dòng)拌和兩種不同拌和方式的混合料以及靜壓成型和碾壓成型兩種成型方式的試件進(jìn)行干縮試驗(yàn)。經(jīng)過30 d 的數(shù)據(jù)測(cè)量，整理后得到水泥土干縮試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6 所示。

圖5 水泥土干縮失水率-時(shí)間關(guān)系曲線

從圖5 可以看出：兩種不同拌和方式和成型條件下最終失水率大小關(guān)系為：常規(guī)碾壓＞振動(dòng)碾壓＞常規(guī)靜壓＞振動(dòng)靜壓，總體看來失水率初始時(shí)迅速增長(zhǎng)，后期趨于平穩(wěn)。10 d 后，靜壓下的振動(dòng)攪拌水泥土失水率較常規(guī)有明顯減小；15 d 后，碾壓成型試件振動(dòng)攪拌失水率較常規(guī)攪拌略小，靜壓成型試件失水率均較碾壓成型小。

由圖6 可知：干縮應(yīng)變隨著時(shí)間和失水率的增加而增長(zhǎng)，最后增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)。振動(dòng)靜壓試件的干縮系數(shù)較常規(guī)靜壓小，15 d 后，振動(dòng)碾壓試件干縮應(yīng)變均較常規(guī)碾壓小，由此說明振動(dòng)攪拌技術(shù)能提高水泥土的干縮性能，碾壓成型方式可提高水泥土抗裂性。

圖6 水泥土干縮應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線

水泥土總干縮系數(shù)見圖7。

圖7 水泥土總干縮系數(shù)

由圖7 可知：總干縮系數(shù)大小關(guān)系為：常規(guī)靜壓＞振動(dòng)碾壓＞常規(guī)碾壓＞振動(dòng)碾壓，振動(dòng)攪拌試件的干縮系數(shù)均小于常規(guī)拌和碾壓所得總干縮系數(shù)，再次證明采用振動(dòng)攪拌技術(shù)得到的水泥穩(wěn)定類基層相對(duì)常規(guī)攪拌得到的基層材料在相同的失水條件下產(chǎn)生的干縮小。

對(duì)比圖6、7 可知：在同種環(huán)境下，振動(dòng)攪拌會(huì)使混合料的干縮應(yīng)變減少，并且較小的干縮系數(shù)反映出振動(dòng)攪拌還可以降低材料對(duì)于失水的敏感性，會(huì)使材料在失水相同時(shí)，有更小的收縮變形。這可能是由于混合料在振動(dòng)攪拌的作用下會(huì)使原本成塊的水泥塊分散開，使水泥與水的水化作用更加充分，使得水化產(chǎn)物能更好地裹附在集料上，在振動(dòng)狀態(tài)下攪拌還可以使混合料不再出現(xiàn)局部攪拌不均的現(xiàn)象，使得細(xì)集料與粗集料充分拌和，混合料更加均勻，最終形成的材料也會(huì)更加密實(shí)，抗裂性增強(qiáng)。

4.2 水泥土溫縮試驗(yàn)

將已經(jīng)烘干至恒重的試件放入烘箱，烘箱調(diào)成60 ℃，用溫度計(jì)測(cè)量烘箱內(nèi)溫度，當(dāng)烘箱內(nèi)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫3 h，3 h 結(jié)束前5 min 內(nèi)將試件取出，測(cè)量試件的長(zhǎng)度，仍然沿著同一個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，取3 次平均數(shù)。再將溫度調(diào)至50 ℃、40 ℃、30 ℃、20 ℃、10 ℃最后將試件置于冰箱中調(diào)至-10 ℃，每次均保溫3 h 并測(cè)量其長(zhǎng)度變化。

對(duì)比兩種成型方式下的振動(dòng)攪拌與傳統(tǒng)攪拌技術(shù)下的溫縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理和計(jì)算，得到溫縮試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 水泥土平均收縮系數(shù)對(duì)比圖

由圖8 可以看出：

（1）水泥土溫縮系數(shù)大小關(guān)系：常規(guī)碾壓＞常規(guī)靜壓＞振動(dòng)碾壓＞振動(dòng)靜壓。

（2）比較分析振動(dòng)與非振動(dòng)攪拌的水泥土溫縮系數(shù)關(guān)系，仍然滿足常規(guī)碾壓＞振動(dòng)碾壓水泥土溫縮系數(shù)和常規(guī)靜壓水泥土溫縮系數(shù)＞振動(dòng)靜壓水泥土溫縮系數(shù)的關(guān)系，說明振動(dòng)攪拌可以改善混合料的溫縮性能。

對(duì)比水泥土的碾壓與靜壓成型下振動(dòng)與常規(guī)攪拌方法的溫縮系數(shù)，發(fā)現(xiàn)無論何種成型方式，振動(dòng)攪拌所得試件溫縮系數(shù)均小于常規(guī)攪拌，這也說明了振動(dòng)攪拌技術(shù)改善了水泥穩(wěn)定類基層材料的溫度敏感性，在鋪筑瀝青混凝土面層后基層收縮的減少對(duì)道路質(zhì)量的提高有一定意義。使用靜壓成型試件可以觀察到更明顯的振動(dòng)與常規(guī)攪拌的差距，具體何種成型方式更接近實(shí)際工程還需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

（1）對(duì)比研究水泥土材料分別采用振動(dòng)與常規(guī)攪拌、碾壓與靜壓兩種成型方式下的干縮與溫縮試驗(yàn)結(jié)果可知：無論何種拌和方式與成型方式，混合料的干縮應(yīng)變均會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

（2）振動(dòng)攪拌水泥土干縮應(yīng)變總干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)均小于常規(guī)攪拌，表明振動(dòng)攪拌技術(shù)可以減少材料在同樣環(huán)境下的干燥收縮和溫縮，對(duì)失水和溫度變化的敏感性減小，抗裂性增加，使其裂縫減少，能夠提高道路耐久性，對(duì)工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

（3）試驗(yàn)采用瀝青混合料車轍成型儀成型水泥土試件，可有效地與工地壓路機(jī)碾壓成型方式接近，更貼近于實(shí)際應(yīng)用，并且也從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出碾壓試件的抗收縮性能比靜壓成型試件好，有利于提高水泥土的抗裂性能。