路面韧性基层材料的路用性能冷热循环试验研究

2016-06-12杨牧盘

工程与建设 2016年1期

关键词：试验

杨牧盘

(安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥　230088)

路面韧性基层材料的路用性能冷热循环试验研究

杨牧盘

(安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥230088)

摘要：为研究公路路面韧性基层结构技术，通过对配合比为0.5%的Soilfix改良粉砂土，进行水稳定性试验、无侧限抗压强度试验、CBR试验、回弹模量试验、干湿循环试验、冷热循环试验，文章主要研究通过冷热循环试验，来研究分析路面韧性基层材料的路用性能，从而提出了柔性路面的韧性基层结构方法。

关键词：韧性基层；粉砂土；Soilfix固化剂；冷热循环；试验

0引言

公路路面设计使用年限一般为15 a，但目前我国公路路面大多数都是半刚性基层路面，公路路面的实际使用寿命5～8 a，甚至更少，其主要原因一是公路运营中重车超载现象较多，另一个重要原因是半刚性基层路面的技术特点易过早地引起路面损坏现象，具体表现在：

(1) 半刚性基层路面抗拉能力相对比较小，变形能力差，容易产生路面的推移和车辙现象[1-2]。

(2) 半刚性基层路面容易产生很多干缩、温缩裂缝，削弱了路面结构强度，加速了面层的破坏[3]。

(3) 半刚性基层路面的抗疲劳性差，半刚性基层的强度会由于干湿和冻融循环[4]，在反复荷载的作用下而逐渐衰减。

(4) 半刚性基层路面开裂后没有愈合能力，给路面维修及养护带来巨大的困难。

为此，人们试图通过寻求新型材料的方式，采用柔性基层材料代替容易发生病害的半刚性基层材料[5]，以解决上述工程问题。近年来，欧美、南非等国家开发了Soilfix高分子固化剂结合料作为公路基层的韧性基层薄沥青面层路面的新型道路设计。国外实验研究和工程实例表明，Soilfix结合料韧性基层结构同时兼具半刚性基层的强度和柔性基层的抗疲劳性强的柔性特点，可直接利用填土路基的土料拌和聚合乳化胶结剂，再拌和聚合乳化胶结剂形成Soilfix韧性路面基层或底基层结构，这不仅使路面结构更为合理，而且能大大降低工程造价。利用聚合乳化胶结料稳定材料进行多层弹性理论的路面结构设计方法，其路面对水的稳定性好以及抗温缩能力强，可以有效控制沥青路面的开裂，减少水损坏和车辙的发生。我国近年来已在国内开展了一定的前期试验研究。

文献[6]在2010年对Soilfix聚合物稳定基层进行了路面应用研究，证明Soilfix聚合物稳定基层的可行性。

文献[7]在2011年对Soilfix聚合物稳定砂砾基层进行了分析研究，证明了Soilfix聚合物稳定砂砾基层的强度满足现行规范规定的技术要求。

国内外公路的路面结构研究已由半刚性基层路面结构发展为柔性路面结构，Soilfix稳定结合料韧性基层结构是国内外一种最新提出的路面结构。国内已经开展了Soilfix稳定碎石或砂砾基层的相关研究工作，因此开展Soilfix稳定土韧性基层的研究是当前的新型技术。

1试验设备

实际工程中，公路路面路基不仅处于一个反复的干-湿循环状态，还处于一个反复的冷热循环状态，在夏季温度升高，冬季温度降低。所以，在考虑Soilfix改良粉砂土干湿循环条件下的疲劳强度的同时，还要考虑公路固化剂改良土在冷热循环下的强度值，以此强度值作为设计参考，可保证公路路面路基设计的安全性。

根据文献[8]的试验结果，公路基层的温度变化基本处于-20 ℃到20 ℃的区间，在室内试验中可以通过如下方法模拟现场温度：先将制备好的试样用塑料薄膜密封，保持含水率不变，放置于-20 ℃冷冻室里面24 h，然后放入20 ℃的温水或者20 ℃的烘箱中恒温12 h，如此可以模拟一次冷热循环过程；之后再放入冷冻室里进行冷冻；对试样进行5次、10次、15次、20次冷热循环后进行回弹模量试验、无侧限强度和CBR试验。

2无侧限抗压试验

制备并风干养护好试样后，测量其质量，然后将试件用保鲜膜密封，保持其含水率不变，进行规定次数的冷热循环试验；然后把试件从保鲜膜中取出，测其质量基本一致，证明其含水率不变，然后根据文献[9]进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表1所列和图1所示。

表1　冷热循环下的无侧限抗压强度值

图1冷热循环下无侧限抗压强度试验

表1和图1表明，冷热循环对Soilfix改良粉砂土强度有影响，在5次循环之前，无侧限抗压强度会随着冷热循环的进行而衰减很快，超过5次循环后，强度趋于稳定。经过20次冷热循环后的无侧限抗压强度稳定于1.14 MPa，远超过素土的无侧限抗压强度(46.7 kPa)表明Soilfix对粉砂土固化效果还是比较理想的。

试样抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。抗冻性评价指标为抗冻系数，即为试样经反复冻融后的抗压强度与冻融前抗压强度之比，抗冻系数的公式为

(1)

其中，K冻为抗冻系数；R冻为材料冻融后的强度；Rc为材料冻融前的强度。

根据(1)式对表1进行抗冻系数计算，得到表2的结果。抗冻系数变化规律，如图2所示。

表2　冷热循环抗冻系数

图2抗冻系数随冷热循环次数变化规律

随着冷热循环次数的增长，抗冻系数在经历10次冷热循环前先迅速减小，而后在经历10次冷热循环后，抗冻系数基本稳定，最后经过20次冷热循环后抗冻系数为79.9%，可见Soilfix路面韧性基层材料的抗冻系数比较优良。

3回弹模量试验

试验先测量制备养护好后的试样的质量，然后将其用保鲜膜密封，保持其含水率不变，待进行规定次数的冷热循环试验后，拆掉保鲜薄膜，测其质量基本一致，证明试样冷热循环后的含水率不变，然后根据文献[9]进行回弹模量试验，试验结果见表3所列和图3所示。

表3　冷热循环下回弹模量损耗强度

图3冷热循环下的回弹模量试验

试验结果数据表明，Soilfix改良粉砂土的回弹模量会随着冷热循环次数的增加而衰减，在5次循环之前，回弹模量变化不大，在5～15次冷热循环的时候，回弹模量有一定程度的下降，最后15～20次冷热循环时，回弹模量趋于稳定。

4CBR试验

将制备好的试样自然风干7 d后，测量每个试样的质量，然后将试件用保鲜膜密封，保持其含水率不变，待完成规定次数冷热循环试验后把试样从保鲜膜中取出，测其质量基本一致，证明其含水率不变，然后将试件泡水96 h，测其膨胀量，最后根据文献[9]进行试验贯入试验，试验结果见表4所列和图4所示。

表4　冷热循环下的CBR损耗强度

图4冷热循环下的CBR试验

从表4和图4中可以看出，冷热循环对Soilfix改良粉砂土的CBR强度有一定影响。当循环次数小于10次时，CBR随着循环次数的增加缓慢减小；当循环次数为10到15次时，CBR强度会发生斜率很大的衰减；而当循环次数超过15次时，CBR强度会趋于稳定(23.6)。

5冷热循环对疲劳强度影响分析

从图5中可以看出，没有经过冷热循环的试样表面平滑，而经过冷热循环后，试样表面出现了很多微裂缝，表面也变得很粗糙，且土表面有部分空隙。

冷热循环衰减Soilfix改良粉土的强度的原因可能是：由于Soilfix聚合物是多相复合材料，各种材料的温缩特性差异较大，在温度变化时，各材料随温度升降而发生的体积缩胀不同，会使材料内部产生应力而导致不均匀变形，从而使试样某些地方空隙率变大，尤其是在温度骤升骤低时，该现象更为严重；同时，试样内部本身存在较为薄弱的部位或是部分未连通的微小空隙，在水分和冻融的双重作用下，试样内部薄弱部位松散或微小孔隙连通导致空隙率增大，试样内部Soilfix聚合物在水的影响下，会在土中形成不均匀分布，影响固化剂的胶结力，从而使试件的强度减小。

冻融循环后期，由于试样内部薄弱部位或可连通的孔隙越来越少，后期在冻融循环作用下孔隙无法继续发展，且试样中的水分有限，在冻融过程中水分的迁移、集聚和膨胀作用有限，因此，在冻融循环次数大的时候，试样的空隙率基本稳定，所以强度趋于稳定。