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水泥稳定碎石基层材料性能参数的研究
发布日期:2007-6-2 点击次数: 10393
水泥稳定碎石基层材料性能参数的研究
摘要：针对芜宣高速公路半刚性基层水泥稳定碎石材料，通过大量的室内试验，测试分析了回弹模量、强度指标、干缩和温缩特性。结果表明，半刚性基层材料抗压模量和劈裂模量存在较大差异，动态模量约是静态模量的5.3～6倍；抗压强度和劈裂强度之间也存在显著差别，同时回归了抗压强度、劈裂强度随龄期的增长规律，为今后的施工质量控制提供参考依据。
关键词：水泥稳定碎石 模量 强度 收缩性能
1 原材料及混合料组成
1．1 试验材料
水泥采用安徽芜湖海螺集团生产的普硅325#（海螺牌）；集料采用芜宣高速公路实际使用的由芜湖荆山石料厂生产的石灰岩碎石，共分0～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～37.5mm（方孔筛）四档规格。
1．2 混合料配合比
试验级配如表1所示。对模量、强度试验采用配合比设计中3种级配进行比较；对于收缩性能试验，为了解水泥碎石在水泥小剂量范围变化的情况下收缩特性，采用推荐的级配2并分别取用3个不同水泥掺量（4%、5%、6%）进行分析比较。
表1 水泥稳定碎石集料级配组成
注：*分子为按照干筛法、分母为按照水洗法计算的0.075mm颗粒含量。
1．3 试件制作与养护
试件采用静压法成型，试件尺寸分为2种规格[1]，一种为Φ15×15cm圆柱体试件，进行抗压模量和劈裂模量、抗压强度和劈裂强度试验；另一种为10cm×10cm×40cm中梁试件，进行干缩和温缩试验，试件成型参数如表2所示。试件成型后用塑料袋密封，放置于标准养护室（温度为20±3℃，相对湿度90%以上）保湿养护。
表2 试件成型参数
注：*最佳含水量已包含水泥水化水。
2 回弹模量（静态、动态）试验
半刚性基层模量是路面设计和分析中的一个重要参数，它反映了半刚性材料在荷载作用下的变形特性。
国内路面材料模量的测定多以静态实验为主，这种方法中试件受力状态与路面结构真实应力状态差异较大，不能真正反映路面材料实际的力学性质。本次实验采用MTS810材料实验系统，进行了半刚性基层抗压回弹模量（静态、动态）、劈裂模量（静态、动态）试验。
MTS试验系统具有比较完善的动态试验功能，可根据试验需要自行设定动载程式（波形、频率、加载序列、荷载间歇时间等）。系统加载由液压伺服系统控制，荷载频率不宜超过30Hz。国外研究表明路面材料的实际受力频率一般在10Hz左右，适合MTS试验系统的要求。
试验的最大荷载为试件抗压强度的30%并在试验中作适当调整，保证实验过程产生足够的弹性变形同时也可以与同类实验的研究成果相比较。按照《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97），水泥稳定碎石3个月后逐步趋于稳定，设计参数测定以3个月龄期为准。本次试验测定3个月龄期的模量值，试验结果如表3所示。
从表3试验结果看，同一级配不同的水泥用量对模量的影响并不是很大，另外可知压缩试验的动态模量为静载条件下的回弹模量的5.3～6倍；劈裂试验的动态模量为静态模量的3倍左右，显然动态模量和静态模量之间存在明显不同，采用何种模量参数进行路面结构分析，对疲劳寿命影响很大[2]，因此在路面设计中应对拟建道路实际所用材料的性能参数进行系统试验，以反映符合实际情况的参数值。
表3 水泥稳定碎石模量试验结果（龄期90d）
3 强度试验及增长规律
本次试验测试了3种级配的抗压强度和劈裂强度，以资比较。对于推荐级配2，分别测试了6个龄期（7d、14d、28d、60d、90d、180d）的无侧限抗压强度和劈裂强度，平行试件3个，以分析强度随龄期的增长规律。试验结果如表4所示。
表4 水泥稳定碎石抗压强度和劈裂强度试验结果
对于级配2，从各个不同龄期看，在本试验水泥用量4～6%的范围内，抗压强度和劈裂强度均随着水泥掺量增加而增加；抗压强度和劈裂强度之间存在着良好的关系，抗压强度与劈裂强度的比值均在7.833～9.830之间范围内变化。
根据表4的试验数据将级配2绘成不同水泥用量下的强度随龄期的变化关系图（图1）。
图1 水泥稳定碎石强度与龄期变化关系
从表4和图1中可以明显的看出，水泥稳定碎石的抗压强度和劈裂强度都随着龄期的增长而增长。早期强度增长快，3个月后强度增加减缓，增幅也不大，并将趋于稳定。
从图1可知，抗压强度和劈裂强度均与龄期T呈良好的双对数增长关系，其关系可用下式表示，RS（Si）=A+BlnT（式中RS（Si）水泥碎石T天的抗压强度（劈裂强度）；T龄期；A、B系数），回归方程见表5所示：
表5 水泥稳定碎石强度随龄期的增长规律表
4 室内收缩试验
4．1 干缩试验
芜宣高速公路线路区内属长江水系，地表水系较发达，年降雨量较大，年平均湿度为80%，因而研究水泥稳定碎石基层的干缩试验尤为重要。关于半刚性基层材料的干缩特性目前还没有统一的测定标准，本次试验主要利用手持应变仪（精度0.001mm）测量小梁在一定失水率下的收缩变形。
将级配2的三个不同水泥用量（4%、5%、6%）在室内制备试件，试件成型压力为500--550KN，试件经过7d保温保湿养护后取出，以20cm为标距，在试件的顶面安装测头，放在天然湿度下风干，本次试验室内温度始终保持在20℃左右。观测不同时间试件的重量和变形，直至含水量不再减小，试件体积基本维持不变为止。
本次干缩试验共测试了14d的变形，根据累积干缩应变计算干缩系数αd：
αd = ∑Δεdi/∑Δεωi （公式1）
式中：∑Δεdi累计干缩应变（10-6）； ∑ΔεωI失水量。
干缩试验结果见表6，干缩应变、干缩系数与失水量、龄期的关系曲线见图2。
表6 水泥稳定碎石干缩试验结果
从表6和图2中可以看到：
1）在水泥掺量4%～6%的变化范围内，水泥稳定碎石的干缩应变和干缩系数随着水泥掺量的增加，并没有明显的规律可循，3种水泥用量条件下干缩应变和干缩系数都比较接近，相互之间变化并不大；
2）干缩应变随着混合料中失水率的增大而逐渐增大，直到最大失水率时将达到最大值；从干缩应变与失水率关系曲线看，在失水初期约1周内（失水率2～3%内），由于试件中自由水的蒸发，干缩应变增加缓慢，此后随着失水率的增加，干缩应变显著增加，呈直线上升，表明材料中结合水的蒸发，对其收缩有着重要影响。因此在水泥稳定碎石基层施工一周内，必须进行湿治养生，以防失水过大，干缩应变加剧，从而过早地产生干缩裂缝。
图2 水泥稳定碎石干缩特性
4．2 温缩试验
1）本次试验采用同济大学道路与交通工程教育部重点实验室研制的JNZS-2001A路面材料胀缩试验仪测定。将养护14d的试件取出后，安装20cm的测头，然后放置于路面材料温缩试验仪中。
2）温度范围根据芜宣高速公路所经过地段的气候、水文资料，区内多年平均气温16.6℃,多年平均最冷月气温2.7℃～2.0℃,极限最低温度为-8.9℃，多年平均最高月气温为27℃～28.6℃，因此将温度控制范围划为25℃～-5℃，每5℃为一级，每级温度至少静置6h，可以认为试件内外温度达到一致。
3）温缩试验的起始温度为25℃。在设定温度下放置6h后将试件取出，用手持应变仪快速测定试件变形。然后将试件放回温缩仪中，使温缩试验仪密封，调至下一温度设定值，进行下一级试验。
4）根据公式（2）计算温度收缩系数αT
，其中∑ΔεT为温度间隔Ti+1-TO条件下的试验变形，相同试件的温缩系数取平行试验的平均值。
αT =ΔεT/（Ti+1-T0） 公式（2）
式中：ΔεT 累计温缩应变（×10-6）；Ti+1 当前温度（℃）；T0起始温度（℃）。
温缩试验结果见表7所示：
表7 水泥稳定碎石温缩试验结果
注：εt--温缩应变；αt--温缩系数。
图3 温缩应变与温度的关系曲线图
从表7和图3中可以看到，水泥稳定级配碎石的温缩应变随温度的降低而逐渐增大，在25℃～-5℃温区之间，水泥掺量的变化对水泥碎石的温缩特性的影响并不明显。从总体看，半刚性基层材料的干缩应变与温缩应变相比，在正温度范围内由温度引起的应变相
对要小得多。
5 结论
通过对芜宣高速公路水泥稳定碎石基层混合料的模量、强度、收缩性能的试验，建立了抗压强度、劈裂强度随龄期的增长规律方程，具有良好的相关性，可为今后工程施工质量的控制提供参考依据；半刚性基层材料通过不同的试验方法测得的弹性模量相差较大，静态模量和动态模量之间也存在着明显差别；强度指标也存在一定的差异，而路面结构的实际工作状态（力学模型、材料的性质）都与现行的静态力学体系有着较大的差距，因此研究动态荷载作用下的路面结构的动力特性和动力参数显得尤为重要。半刚性基层材料在温度或湿度的变化时会发生收缩，易产生开裂，当沥青路面面层较薄时，易形成反射裂缝，通过干缩和温缩特性的测试，为今后的施工提供重要的指导作用，也为路面开裂的进一步分析提供依据。
参 考 文 献
[1]
中华人民共和国行业标准（JTJ057-94），公路工程无机结合料稳定材料试验规程，北京：人民交通出版社，1994
[2] 朱照宏，许志鸿. 柔性路面设计理论和方法，上海：同济大学出版社，1987
陈崇驹 毛菊良 丛林
（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海200092）
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| 发布于：2008-8-19 已被阅读：
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