水泥稳定碎石排水基层路用性能试验分析

韩 健,贾慧颖

(1.黑龙江省公路勘察设计院;2.黑龙江省哈同高等级公路管理处)

路面损坏状况调查和路面使用经验表明,沥青面层出现剥落和松散,水泥混凝土面层出现错台和板底脱空等病害,其主要原因在于进入路面结构内的自由水。设置路面内部排水系统,将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基结构之外,有利于改善路面的使用性能,大大提高其使用寿命。在路面结构层内设置多孔隙水泥稳定碎石排水基层,可以迅速排除渗入结构层内的自由水,从而改善路面的工作环境,减轻水损害,延长其使用寿命。因此,结合现有规范,针对黑龙江省的气候特点,对多孔隙水泥稳定碎石排水基层的性能进行试验研究具有重要的实践意义。

1 水泥稳定碎石排水基层的配合比设计

1.1 排水基层混合料的设计要求

水泥稳定碎石排水基层混合料的组成设计,应同时满足空隙率、渗透性和强度三方面的要求。空隙率越高,排水性能越好。为迅速排除渗入路面结构内部的自由水,必须充分保证排水基层的多孔隙性。根据规范和国内外经验,水泥稳定碎石的空隙率应在 15% ～25%;渗透系数取不小于0.35cm/s;为保证排水基层的结构强度,其 7d浸水抗压强度不低于 3～4MPa。

1.2 原材料的性质

(1)集料

集料选用洁净、坚硬、耐久的碎石,公称最大粒径不宜超过 31.5mm,压碎值不大于 30%,小于 0.075mm的细粒含量不得大于 2%;小于 2.36mm的颗粒含量不宜大于 5%;小于 4.75mm的颗粒含量不宜大于 10%。

(2)水泥

采用普通硅酸盐水泥,选用初凝时间 3h以上和终凝时间较长(宜在 6h以上)的水泥,不应使用快硬水泥、早强水泥以及受潮变质的水泥,以确保排水基层的施工质量。

1.3 混合料的组成

根据各国的使用经验,在试验室试配设计结果对比分析的基础上,室内试验选择四种集料级配,见图 1。针对四种级配,选用了三种配合比,即水泥集料比 1∶8、1∶10、1∶12,水灰比 0.37～0.45,制备试件,进行室内各项混合料性能试验。

图 1 集料级配曲线

2 水泥稳定碎石排水基层的室内试验

2.1 标准击实试验

按照 JTGE40-2007《公路土工试验规程》,对不同级配、不同水泥集料比的混合料进行击实试验,根据含水量和干密度的关系曲线确定最大干密度和最佳含水量。

2.2 渗透系数的测定

目前在实验室测试材料的渗透系数通常有两种方法：常水头和变水头。渗透性能较差的材料,由于流量太小而难于准确测定,常用变水头试验,变水头试验适合测试渗透系数k＜1×10-3cm/s的材料。而透水材料的渗透系数通常不低于 0.35cm/s,因此本试验采用常水头方法测定混合料的渗透系数。

由确定的最大干密度将不同配比的水泥稳定碎石混合料静压成型三组平行试件,采用刚性壁渗透仪进行常水头渗透试验,结果见图 2。

图 2 不同级配、不同水泥含量混合料的渗透系数

由图 2所示的数据可以看出,上述四种级配的多孔隙水泥稳定碎石混合料的渗透系数都比较大,变动在 1.7～5.0cm/s之间,渗透性能较好,符合基层排水要求。

2.3 空隙率的测定

空隙率按照其排水性能的不同,可分为有效空隙率和全空隙率。空隙率的测定方法最常用的是量体积法,对于表面不平整又不宜再切割的试件,用量体积法测出的空隙率精度偏低,因此,本试验采用薄纸密贴蜡封法测定试件的全空隙率及有效空隙率。

图 3 不同级配、不同水泥含量混合料的空隙率

试验结果显示,各级配混合料的有效空隙率都在 20%左右,满足排水基层的要求,对于同一种级配,随着有效空隙率的增加,渗透系数相应增加。

2.4 无侧限抗压强度试验

由击实试验确定的最大干密度用静力压实法分别制备13个试件,试件尺寸为 φ150mm×150mm,压实度 98%。首先将脱模后的试件用塑料薄膜包裹,在恒定的湿度温度(20±2℃)下养生 7d,最后 1d将试件浸泡在水中 24h,取出后测定试件的无侧限抗压强度。取每组试验的平均值,试验结果见图 4。

图 4 不同级配、不同水泥含量的无侧限抗压强度

在保证混合料排水性能的前提下,应尽量提高混合料的抗压强度。级配 4水泥集料比 1∶8的试件抗压强度最高,因其粗集料含量高,在混合料中主要起骨架作用,以形成排列紧密的多级空间骨架结构来保证混合料的强度,而细集料的减少可以保证混合料具有较大的空隙率和渗透系数。

2.5 冻融循环试验

采用ASTM冻融试验方法。先将试件在 100%湿度下养生 7d。将试件在水中浸泡 5h,在饱和面干的条件下,放入-20℃的冰箱内 4h,然后取出在湿气养生的水中融化24h,称其为一个冻融循环。如此反复冻融至规定次数(15、20、25、50)为止。测定试件的质量和强度损失,采用经过规定冻融循环后的质量损失百分率表征其抗冻性。质量损失率按下式计算

式中：Qfr为质量损失率,%;m1为冻融试验前烘干试件的质量,g;m2为冻融循环试验后烘干试件的质量,g。

按水泥集料比 1∶8和 1∶10测定的各级配混合料的冻融循环试验结果见图 5、图 6。

图 5 不同配合比、不同冻融循环次数的抗压强度

对于同一种级配,水泥的含量越高,它的粘结能力越强,其抗冻性能越好。试件经过 15次、20次、25次和 50次冻融循环以后,质量损失在 3.5%左右,与石灰土、二灰碎石等同类材料相比,具有较强的抗冻融循环能力,具备基层材料所应有的耐久性。

3 试验路的观测

3.1 试验路概况

为了进一步探讨水泥稳定碎石排水基层的设计和使用效果,修筑了长 500m的水泥稳定碎石排水基层试验路。该段公路位于黑龙江省东南部地区,属北温带大陆性季风区,夏季湿热,冬季严寒,年平均降雨量为 600～677mm。该段面层为沥青混凝土,路面宽度9m。

路面结构内部排水系统由排水基层、纵向集水沟管和横向出水管等组成。即在水泥稳定碎石排水基层的两侧(双向横坡)或一侧(单向横坡)端部设置纵向边缘集水沟和带孔集水管,汇集渗入层内并横向渗流的自由水,同时在出水口位置设置集水井和横向不带孔排水管,将汇集水排引到路基边坡外或地下排水盲沟中。

图 6 不同配合比、不同冻融循环次数的质量损失率

3.2 试验路观测

试验路铺装结束后,测试了试验路的排水效果和透水能力,试验数据均满足设计要求。通车一年后,对试验路进行调查,试验段使用情况良好。

4 结 语

试验研究表明,严格控制 4.75mm以下粒径的含量进行配合比设计,能保证混合料具有较好的排水性能。在保证强度的前提下,选择适当的水泥用量,排水基层能够具有良好的抗冻耐久性。在路面结构中合理设置多孔隙水泥稳定碎石排水基层,可以减少路面早期损坏,达到提高路面使用性能的目的。

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[1]018-97,公路排水设计规范[S].

[2]JTGD50-2006,公路沥青路面设计规范[S].

[3]JTGD40-2003,公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[4]JTJ034-2000,公路路面基层施工技术规范[S].

[5]JTGE40-2007,公路土工试验规程[S].

[6]张鹏飞,朱立国.大孔隙沥青混合料试件及芯样孔隙率测定方法探讨[J].上海公路,1981,(1).

[7]谢军,陈崇驹,朱云升.多孔隙水泥稳定碎石排水基层设计与施工[J].长沙交通学院学报,2005,21(4).