寒区水稳砂砾基层材料温缩和强度特性研究

陈 鹏

（新疆农业大学，乌鲁木齐 830052）

阿勒泰地区冬季漫长而寒冷，气温变化大（季节温差极大值70℃、昼夜温差极大值30℃），加之道路重载交通现象严重，导致道路所用基层材料裂缝现象比较严重、强度普遍较低。目前，针对裂缝的研究主要集中在水泥稳定砂砾材料的收缩和强度方面，对于不同级配结构水泥稳定砂砾基层在不同影响因素下的变化规律研究较少。为此，在水泥剂量、龄期、温度等影响因素下进行强度和温缩试验，研究温缩裂缝和无侧限抗压强度、劈裂强度变化规律，旨在为降低高寒环境下的道路基层病害提供试验数据。

1 试验材料与指标

原材料采用常见的32.5复合硅酸盐水泥，其技术指标见表1。

集料选自阿勒泰地区水稳砂砾料场，分为19.5～31.5 mm、4.75～19.5 mm、0～4.75 mm 共三挡， 各项技术指标见表2。

表1 水泥技术指标Table 1 Cement technical index

表2 集料技术指标Table 2 Aggregate technical indicators

2 水稳结构温缩试验

采用的水稳结构分别是悬浮密实型结构、骨架密实型结构和骨架空隙型结构，水泥剂量为4%，5%和6%。依据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），由重型击实试验求得最大干密度和最佳含水量，然后进行制件，采用100 mm×100 mm×400 mm的中梁试件。试件采用静压法成型，成型后在25+2℃标准养护室保湿养生7 d。为排除试件内部水份散失引起的干缩和冻胀对温缩应变的影响，将试件烘干至恒重。温缩试验采用降温试验，测量标距为20 cm，温度区间为-30～30℃，在初试温度30℃恒温3 h后，每隔10℃设置1个点，每个点恒温4 h，直致降到-30℃，然后再依次升温。如此反复循环，通过手持应变仪获取点标距范围内的变形值。

水稳基层材料包括固相、液相和气相。固相指集料和胶结料；液相指多种形态的水；气相指各类空隙。在降温过程中，三相的综合作用会导致水稳基层材料温缩。温缩系数可用来衡量温缩收缩程度，揭示影响温缩变形的各种变化规律。不同级配结构、水泥剂量的温缩应变变化趋势见图1—3，不同结构的平均温缩对比见图4。

图1 悬浮密实型结构的温缩应变Figure 1 The temperature shrinkage strain of suspended dense structure

图2 骨架密实型结构温缩应变Figure 2 The temperature shrinkage strain of dense skeleton structure

图3 骨架空隙型结构温缩应变Figure 3 The temperature shrinkage strain of skeleton interstitial structure

图4 三种结构平均温缩对比图Figure 4 Comparison diagram of average temperature shrinkagestrain of three structures

从图1—3可以看出：随着温度上升和水泥剂量下降，3种级配类型的温缩应变都呈线性减小，且变化趋势基本一致；整个温缩应变的下降速率不明显，高温段（0～30 ℃）下降速率较缓慢，低温段（0～-30 ℃）下降速率较快。

温度收缩特性可采用平均温度收缩系数来表征。通过比较可知，在同一种水泥剂量下，各级配结构混合料的平均温缩系数为悬浮密实型＞骨架密实型＞骨架空隙型，这主要是因为粗集料自身可以抵抗变形。由水泥胶砂试验可知，细集料变形为水泥稳定砂砾变形中的主要部分。

3 水稳砂砾强度特性分析

强度是半刚性基层材料的一个重要性能参数，足够的强度是半刚性基层结构承载力的重要保证。根据击实试验确定最大干密度和最佳含水量，水泥剂量选取4%，5%，6%，测定7，28，60 d龄期的水泥稳定砂砾基层结构混合料的无侧限抗压强度和28 d和60 d龄期的劈裂强度。

3.1 无侧限抗压强度变化规律

无侧限抗压强度变化规律见图5—7。

图5 7 d无侧限抗压强度Figure 5 7 d unconfined compressive strength

图6 28 d无侧限抗压强度Figure 6 28 d unconfined compressive strength

图7 60 d无侧限抗压强度Figure 7 60 days unconfined compressive strength

由图5—7可以看出：1）随着水泥剂量的增加，混合料的抗压强度随之增加；在7 d无侧限抗压强度中，4%水泥剂量的混合料中，只有骨架密实型结构混合料达到规范要求，掺另外两种水泥剂量时，强度发生明显变化，其中骨架密实型结构增长缓慢，略小于悬浮密实型结构强度，而骨架空隙型结构最小。2）在无侧限抗压强度中，骨架密实型级配强度增长最大，骨架空隙型级配后期强度增长最快，悬浮密实型级配前期强度增长较快，后期强度增长较慢，明显低于其他两种级配类型。3）总体来说，当水泥剂量和龄期相同时，无侧限抗压强度存在差异。骨架密实结构的强度高于悬浮密实和骨架空隙型，且后期差别较大。

3.2 劈裂强度试验变化规律

劈裂强度试验变化规律见图8—9。

图8 28 d劈裂强度Figure 8 28 d cleavage strength

试验结果表明：劈裂强度随水泥剂量的增加和养生龄期的延长而增大，但增长幅度不是很大。相同的龄期情况下，当水泥剂量为4%时，悬浮密实结构材料的劈裂强度大于骨架空隙型结构材料；而水泥剂量为5%和6%时，悬浮密实结构材料劈裂强度略小于骨架空隙型材料；在相同的水泥剂量下，骨架密实结构的劈裂强度最大。

图9 60 d劈裂强度（MPa）Figure 9 60 d split strength

4 结论与讨论

寒区水稳砂砾基层材料温缩试验结果表明：1）在高温段（0～30℃），3种级配的温缩应变下降速率较慢；在低温段（0～-30℃），3种级配的温缩应变下降速率较快。温缩系数跟粗集料含量有一定关系，粗集料的抗变形较强，细集料变形为水稳砂砾变形的主要部分。2）在7 d无侧限抗压强度试验中，当水泥剂量为4%时，只有骨架密实型结构的无侧限抗压强度达到规范要求；在28 d和60 d无侧限抗压强度试验中，骨架密实型的无侧限抗压强度增长最大。3）劈裂强度随着水泥剂量和龄期的增大而增大，但增长幅度不大。骨架密实型结构劈裂强度明显好于其他2种结构。寒区道路的水泥稳定砂砾基层结构推荐骨架密实型级配，水泥推荐剂量为4%～5%。