低水泥含量级配碎石路用性能试验研究

周军霞

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新 123000)



低水泥含量级配碎石路用性能试验研究

周军霞

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新 123000)

为研究低水泥掺量对级配碎石路用性能的影响，考虑1%、2%、3%和4%水泥掺量，进行7d无侧限抗压强度、承载比CBR、抗压回弹模量以及温缩、干缩系数等路用性能指标试验，确定出低水泥含量级配碎石的最佳水泥掺量。结果表明：通过7d无侧限抗压强度指标确定最佳水泥掺量为3%，抗压强度均为3.65MPa；3%低水泥含量级配碎石承载比CBR值为435.7%；3%低水泥含量级配碎石抗压回弹模量为900.5MPa，与普通掺量回弹模量相比，降低了26.45%，有效提高基层韧性抑制反射裂缝扩展；3%低水泥含量级配碎石与普通水泥稳定级配碎石温缩、干缩系数的发展趋势相同，但3%低水泥含量级配碎石对温度和湿度敏感性最弱。

低水泥级配碎石； 路用性能； 无侧限抗压强度； 抗压回弹模量； 温缩系数； 干缩系数

1 引 言

随着我国经济腾飞，以及西部大开发战略的实施，沥青路面在公路建设中得到前所未有的高速发展。我国沥青路面一直推崇“强基薄面”的理念，通过面层厚度的减薄以达到降低造价的目的，其中最具代表性的是水泥稳定级配碎石半刚性基层沥青路面，已占到我国已建成公路的90%以上[1,2]。然而水泥稳定级配碎石半刚性基层自身存在缺陷，目前对于水泥稳定级配碎石半刚性基层的研究，常规的水泥掺量为4%～6%，能够获得较高的强度，但易受季节变化(温缩、干缩)产生反射裂缝，致使路面的平整度降低，且季节变化带来的水分易渗入到面层结构中，进一步加速基层承载能力的劣化[3-6]。故迫切需要探索低水泥含量的级配碎石来解决半刚性基层的这一难题，既能保证具有足够承载能力，又能消除半刚性基层产生裂缝的问题。为了研究低水泥含量改性级配碎石的路用性能，考虑1%、2%、3%和4%的水泥掺量，进行7d无侧限抗压强度、承载比CBR、抗压回弹模量以及温缩、干缩系数等路用性能指标试验，分析确定出低水泥含量级配碎石的最佳水泥掺量。

2 试 验

2.1 原材料

水泥采用阜新市大鹰水泥制造有限公司生产的“阜鹰山”牌P·O32.5普通硅酸盐水泥，其主要性质指标见表1；集料采用阜新当地碎石，主要性能指标见表2；采用普通自来水。

表1 水泥物理力学性能

表2 集料性能

2.2 低水泥级配碎石配比

结合规范和长安大学推荐的级配范围以及现有的研究成果，利用筛分试验得到的筛分数据进行配合比设计，具体配比情况详见表3。水泥掺量分别取为1%、2%、3%、4%，按照T0804-94《无机结合料稳定土的击实试验方法》，得到了与之相应低水泥级配碎石的最大干密度分别为2.487g/cm3、2.418g/cm3、2.383g/cm3、2.368g/cm3，最佳含水率分别为4.67%、4.75%、5.41%、5.63%。

表3 集料筛分配比

2.3 试验方法

为研究低水泥含量级配碎石的路用性能情况，主要分析指标为7d无侧限抗压强度(试件规格φ150mm×150mm、养生控制温度(25±2) ℃)、承载比CBR(试件规格φ152mm×170mm)、回弹模量(试件规格φ150mm×150mm)、温、干缩系数(试件规格100mm×100mm×150mm)等，水泥掺量主要为1%、2%、3%和4%，各指标的具体试验方法详见JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[10]。

3 结果与讨论

3.1 无侧限抗压强度分析

依照规程[10]中无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法(T0805-2009)的规定进行7d无侧限抗压强度试验，其结果如图1所示。

结合图1和JTGD50-2006《公路沥青路面设计规范》[11]对不同交通等级下基层强度的要求分析可知，水泥掺量1%的基层材料水泥含量较低，强度也相应降低，没有达到轻交通规定强度范围2.5～3.5MPa。掺量2%低水泥级配碎石的7d无侧限抗压强度为2.67MPa，满足轻交通要求。只有3%低水泥级配碎石的7d无侧限抗压强度为3.65MPa，满足特重交通强度3.5～4.5MPa，以及重、中交通强度3～4MPa的要求。其中4%掺量水泥级配碎石属于常规水泥稳定级配碎石的范畴(水泥掺量≥4%)。因在试验路段要满足重、中交通量等级的要求，故在其他研究指标中着重分析3%低水泥含量级配碎石和4%普通水泥稳定级配碎石。

图1 7 d无侧限抗压强度Fig.1 7 d unconfined compressive strength

图2 不同水泥掺量级配碎石CBR值Fig.2 CBR value of different cement content graded crushed stone

3.2 承载比(CBR)分析

依照JTGE40-2007《公路土工试验规程》[12]中承载比CBR试验(T0134-1993)的规定进行CBR值测定，其结果如图2所示。

从图2观察可知，3%低水泥含量的级配碎石CBR值为435.7%， 4%普通水泥含量级配碎石CBR值为491.9%，均能够满足试验路段的标准。水泥掺量增加1%，与之相应的承载比CBR增量为56.2%，普通级配碎石一旦加入少量水泥，即可显著提高其抵抗变形的能力。

3.3 回弹模量分析

依照规程[10]中无机结合料稳定材料室内抗压回弹模量试验方法(T0808-1994)规定进行回弹模量测定试验，其结果如图3所示，养生时间对抗压回弹模量影响情况如图4所示。

从图3观察可知，3%低水泥含量的级配碎石抗压回弹模量值为900.5MPa，4%水泥含量级配碎石(普通水泥稳定级配碎石)抗压回弹模量值为1224.4MPa，与常规水泥稳定级配碎石相比较，水泥掺量降低1%，抗压回弹模量下降26.45%，且3%低水泥级配碎石抗压回弹模量满足JTGD50-2006《公路沥青路面设计规范》[11]中的规定。

从图4分析可知，3%低水泥级配碎石、4%常规水泥稳定级配碎石抗压弹性模量与养生龄期具有相似的发展趋势。养生初期(7～14d)抗压回弹模量值相对较小，这是因水化反应刚刚开始，由水化反应而产生出胶凝材料的数量不能使混合料变成一个整体。随混合料中水化反应推进，胶结物也逐渐生成，混合料颗粒彼此间连接也渐渐变强，模量随养生龄期也显著升高。随养生龄期不断增加，水化反应接近完全，胶结物的生成数量在不停下降，模量增长趋势却接近平稳。

图3 不同水泥掺量级配碎石回弹模量 Fig.3 Resilient modulus of different cement content graded crushed stone

图4 不同养生龄期低水泥级配碎石回弹模量Fig.4 Resilience modulus of low cement graded crushed stone in different curing age

3.4 收缩性能分析

3.4.1 温缩系数

依照规程[10]中无机结合料稳定材料温缩试验方法(T0855-2009)规定进行温缩系数测定，其结果如图5所示。

从图5分析可知，水泥掺量越多，试件随温度变化收缩变形越大，因而4.0%水泥掺量的混合料更容易产生温缩变形。3%低水泥级配碎石材料应对温度变化较小，其特有的骨架密实型结构能够有效抵消部分温度应力，抑制因温度变化引起的变形[4-5]。

图5 温缩系数随温度变化曲线Fig.5 Curve of temperature shrinkage coefficient changing with temperature

图6 干缩系数随时间变化曲线Fig.6 Curve of drying shrinkage coefficient changing with time

3.4.2 干缩系数

依照规程[10]中无机结合料稳定材料干缩试验方法(T0854-2009)的规定进行干缩试验，其结果情况如图6所示。

从图6分析可知，在养生时间2～8h范围时，在不同水泥掺量下干缩系数与养生时间呈现负相关的关系，显著性表现为4.0%水泥掺量<3%水泥掺量，2d时4.0%水泥掺量获得了最大干缩系数为92.58×10-6，8d时3%低水泥掺量获得了最小干缩系数为51.44×10-6；在养生时间8～72h范围时，在不同水泥掺量下干缩系数与养生时间呈现正相关的关系，其显著性表现为4.0%水泥掺量>3%水泥掺量，在72h时4.0%水泥掺量获得了最大干缩系数为105.47×10-6，3.0%水泥掺量最大干缩系数为100.48×10-6。主要是因试件内部水分与水泥发生化学反应和自身水分蒸发作用等，导致试件含水率逐渐减小，致使因水分丢失产生毛细、水泥矿物等反应产生胶体的分子作用产生试件内部结构干缩现象[13]。

4 结 论

(1)根据7d无侧限抗压强度指标，确定符合试验路段低水泥含量级配碎石的最佳水泥用量为3%，抗压强度均值为3.65MPa，普通水泥稳定碎石为3.63MPa，抗压强度优于普通型；

(2)通过承载比(CBR)试验，得到了3%低水泥含量级配碎石CBR值为435.7%，符合规范要求，满足试验路建设指标；

(3)通过回弹模量试验，获得3%低水泥含量级配碎石回弹模量均值为900.5MPa，低于普通水泥稳定碎石1224.4MPa，有效减少了基层模量、提高基层韧性抑制反射裂缝产生；

(4)通过干缩、温缩试验，获得3%低水泥含量级配碎石在试验中温缩量、干缩量变化趋势与4%普通水泥稳定碎石材料基本相同，但收缩量明显小于普通水泥稳定碎石材料，能够很好地降低温度、湿度对基层的变形影响。

[1] 张敏江,丁泓宇,赵程飞.低水泥剂量稳定级配碎石基层典型结构分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2014,30(4):651-660.

[2] 于保阳,孙宝芸,齐 琳.低水泥剂量稳定级配碎石基层沥青路面结构分析[J].公路交通科技(应用技术版),2015,11(5):118-120.

[3] 张敏江,薛常安,于保阳.低水泥剂量稳定级配碎石综合收缩性能评价指标的研究[J].公路交通科技(应用技术版),2015,11(9):78-79,183.

[4]ConsoliNC,LopesLDS,HeineckKS.Keyparametersforthestrengthcontroloflimestabilizedsoils[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2009,21(5):210-216.

[5] 于 新,黄晓明.低剂量水泥稳定碎石基层干缩温缩性能研究[J].公路交通科技,2007,24(7):52-55.

[6] 邓廷权,罗 竟,周志刚,等.水泥改性级配碎石基层沥青路面结构研究[J].中外公路,2012,32(3):76-79.

[7]TahaR,AlharthyA,AlshamsiK,etal.Cementstabilizationofreclaimedasphaltpavementaggregateforroadbasesandsubbases[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2002,14(3):239-245.

[8] 张玉宏,王松根,李 昶.低剂量水泥稳定粒料基本性能[J].岩土力学,2005,26(11):1853-1856.

[9] 王海龙,申向东.水泥掺量对固化土早期结构形成的影响[J].硅酸盐通报,2011,30(2):469-473.

[10] 交通部公路科学研究院主编.JTGE51-2009,《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[S].

[11] 中交公路规划设计院主编.JTGD50-2006,《公路沥青路面设计规范》[S].

[12] 交通部公路科学研究院主编.JTGE40-2007,《公路土工试验规程》[S].

[13] 马梁龙.低水泥剂量稳定级配碎石基层材料收缩性能研究[D].沈阳:沈阳建筑大学,2014.

Experimental Study on Road Performance of Low-CementGraded Crushed Stone

ZHOU Jun-xia

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Inordertoexploretheeffectsoflow-contentcementontheroadperformanceofgradedcrushedstone,theroadperformanceindextestswhichwere7dunconfinedcompressivestrength,CBR,resiliencemodulus,temperatureshrinkagecoefficientanddryingshrinkagecoefficient,werecarriedoutconsideringdifferentcementcontentsof1%,2%,3%and4%.Determinetheoptimumcementcontentofthelow-contentcementgradedcrushedstone.Theresultsrevealthattheoptimumcementcontentis3%throughthe7dunconfinedcompressivestrengthindex,andthecompressivestrengthis3.65MPa.TheCBRvalueofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneis435.7%.Theresilientmodulusofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneis900.5MPa,whichisreducedby26.45%comparedwiththatoftheordinarycementgradedcrushedstone,anditeffectivelyimprovesthebasictoughnesstosuppressreflectioncrackgrowth.Temperatureshrinkagecoefficientanddryshrinkagecoefficientofthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneandordinarycementstabilizedgradedcrushedstonehavethesamedevelopmenttendency,butthe3%low-contentcementgradedcrushedstoneisleastsensitivetothetemperatureandhumidity.

low-cementgradedcrushedstone;roadperformance;unconfinedcompressivestrength;resiliencemodulus;temperatureshrinkagecoefficient;dryingshrinkagecoefficient

辽宁省教育厅一般项目(L2014136)

周军霞(1980-)，女，博士，讲师.主要从事道路工程等方面研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4292-05