水泥掺量对水泥稳定碎石力学指标影响试验研究★

2018-10-09王立鹏高天成

山西建筑 2018年25期

张鹏王立鹏高天成

(中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221000)

水泥稳定碎石作为最主要的半刚性基层材料目前广泛应用于高等级公路建设中，其质量的优劣直接影响道路的寿命。因此，针对水泥稳定碎石各项路用性能研究一直备受关注[1,2]。无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量作为主要力学参数在工程质量控制、路面结构设计中极其重要。学者围绕这方面进行了大量研究工作，在众多影响因素(材料种类、水泥掺量、级配等)中发现：水泥稳定碎石力学参数受配合比影响较为显著[3,4]。通过物理试验是获取水泥稳定碎石设计参数指标的主要途径，丁泓宇[5]通过大量室内试验提出抗压回弹模量随水泥掺量增加呈线性增加，平均回弹模量每增加40%水泥剂量大约增加了0.5%。水泥掺量很少时，水泥稳定碎石的抗压回弹模量与不掺水泥的级配碎石模量相差无几。赵程飞[6]通过室内物理试验指出随着水泥剂量的增加，两种类型骨架的水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度呈线性增长趋势但增长率因骨架结构的不同而不一样。较多的学者将研究重点放在水泥掺量对于水泥稳定碎石各指标影响规律上，而对于指标之间关系研究较少。本文通过室内物理试验，研究无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等指标随水泥掺量的影响变化关系，在此基础上，分析无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量之间相关关系，实现由一种简单、易测指标准确推断另一指标的目的，为水泥稳定碎石材料工程设计及质量控制提供参考。

1 试验设计

本文基于骨架密实型结构研究水泥掺量对力学指标影响变化的一般性规律以及参数之间相关关系，制定以下具体研究方案：试验选用骨架密实型集料级配中值，水泥掺量选用5个水平(3.0%,3.5%,4.0%,4.5%,5.0%)，控制98%的压实度、静压法成型相关圆柱型(试件直径×高=150 mm×150 mm)，每组制得平行试块13块，标准养护至测试龄期，测试并分析7 d无侧限抗压强度、90 d劈裂强度、90 d抗压回弹模量与水泥掺量之间基本规律，在此基础上，分析90 d抗压回弹模量、劈裂强度关系比与水泥掺量之间相关关系。

2 原材料与试验

2.1 原材料分析

1)水泥。

试验水泥选用徐州某水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥P.O42.5，其主要技术指标见表1。

表1 水泥技术指标

2)集料。

试验所用粗、细集料产自徐州属石灰岩质，集料的压碎值检测值为22.4%满足规范[7]要求，其级配见表2。

表2 集料级配

试验用水为标准饮用水。

2.2 标准击实试验

根据集料级配与混合料配合比，按照JTG E50—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程[8]的规定选用丙类击实方式进行标准击实试验，见图1，分别确定不同水泥掺量下水泥稳定碎石混合料的最大干密度和最佳含水量，见表3。

表3 各组最佳含水量、最大干密度汇总

组数拟合公式R2最佳含水量/%最大干密度g/cm3ay=-0.011 5x2+0.116x+2.168 30.995.02.460by=-0.006 9x2+0.053 3x+2.271 80.963.92.375cy=-0.007 5x2+0.057 2x+2.272 80.973.92.382dy=-0.009 8x2+0.084 1x+2.221 80.984.42.402ey=-0.010 5x2+0.089x+2.223 20.994.22.414

2.3 力学性能试验

依据JTG E51—2009规范[8]要求对试件进行标准养护，在达到设计龄期前浸水24 h，放在CMT上进行无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、抗压回弹模量试验，过程见图2。

3 试验结果分析

3.1 水泥掺量与水泥稳定碎石力学参数影响分析

水泥掺量对水泥稳定碎石力学参数试验结果见表4。

表4 试验数据汇总

1)无侧限抗压强度与水泥掺量之间关系。

根据表4，绘制无侧限抗压强度与水泥掺量之间的关系曲线，见图3。

图3表明：对于无外加剂的水泥稳定碎石，其无侧限抗压强度与水泥掺量呈现正线性相关趋势，很好的验证了赵程飞[6]的观点。水泥掺量越来越多则强度越易形成。即水泥掺量越高，无侧限抗压强度越大。究其原因：水泥掺量很低时，水泥水化产生的混合物很少并且其自身的粘结力很小所以在级配碎石之间起到的联结作用也就十分微弱。随着水泥剂量的逐渐增加，水泥水化产生的混合物越来越多其自身粘结力增强并且能更好地充填水泥稳定碎石内部骨架的空隙，使结构致密没有软弱面而自身完整性更好。从而宏观的表现为随着水泥掺量的增加，无侧限抗压强度线性提高。无侧限抗压强度与水泥掺量量化关系式为：

Rc=2.04B-2.558(R2=0.99)。

2)劈裂强度与水泥掺量之间关系。

其实，何为“人渣”？人们都各有其标准和判断。有说“人渣”就是社会败类、人类渣滓、下脚料、烂到极点的“垃圾人”，就是自私自利、不择手段、不顾他人、尽占便宜的“自私鬼”，就是无信无义、过河拆桥、恩将仇报、损人害友的“真小人”，就是不知廉耻、猥亵下流、道德败坏、品质恶劣的“小流氓”，就是虚头巴脑、花里胡哨、云山雾罩、没句实话的“白话蛋”；也有说就是文学形象中的泼皮牛二、王婆、阿Q以及戏剧中的娄阿鼠、刁小三等丑角，还有说就是方言说的怂懒奸馋坏的“狗食”、游手好闲不务正业的“二流子”、不明事理不讲道理的“混蛋”、品行不良的“坏蛋”等等。以上这些或综合或侧重的解释，也大都是从道德品行视角评判的。

根据表4，绘制劈裂强度与水泥掺量之间的关系曲线，见图4。

图4与图3相比，可发现其规律和无侧限抗压强度与水泥掺量关系基本一致，劈裂强度随着水泥掺量的提高而线性递增，且斜率也几近相同。这就意味着适当增加水泥掺量可以明显提高其劈裂强度。究其原因：水泥对于水泥稳定碎石劈裂强度的作用机理与其对无侧限抗压作用机理一样，水泥剂量的增加导致其内部结构愈加致密其劈裂强度也就随着水泥剂量的增加直线上升。劈裂强度与水泥掺量量化关系式为：

Ri=0.12B+0.332(R2=0.99)。

3)抗压回弹模量与水泥掺量之间关系。

根据表4，绘制抗压回弹模量与水泥掺量之间的关系曲线，见图5。

图5表明：抗压回弹模量与水泥掺量的关系类似以上两个设计参数与水泥掺量的关系规律，随水泥剂量的增加水泥稳定碎石抗压回弹模量呈现线性增长的趋势。究其原因：水泥水化后产物的作用机理对无侧限抗压强度、劈裂强度影响表现一样。水化物存在使得水泥稳定碎石内部之间的物质粘结力增强，宏观的表现为抗压回弹模量、抗压强度以及劈裂强度的增加。抗压回弹模量与水泥掺量量化关系式为：

Ec=137.7B+1 362.3(R2=0.98)。

3.2 劈裂强度与抗压回弹模量相关关系分析

通过此次大量的物理试验发现：抗压回弹Ec与劈裂强度比值与水泥掺量之间存在一定的线性关系，绘制它们之间的关系曲线，见图6。

图6表明，抗压回弹模量与劈裂强度比值与水泥掺量的关系，对比可以发现其关系图像与以上几个关系图像不同，随水泥剂量的增加抗压回弹模量与劈裂强度比值反而呈线性减小的趋势。其量化表达为：

Ec/Ri=-326.44B+3 540.5(R2=0.95)。

由于试验的各种人为原因或自然因素，可能存在不同的差异，现对抗压回弹模量与劈裂强度之比与水泥掺量的图像进行验证。付春梅等人[9]在研究水泥稳定碎石的力学性能时，采用统一的水泥掺量为4%，测得90 d劈裂强度为0.697 MPa，同期的抗压回弹模量为1 624 MPa，二者比值为2 330。对比关系图发现：从图像中推出水泥掺量为4%时其对应纵坐标为2 270，与付春梅等人[9]实验值误差仅为2.7%。曾梦澜等人[10]在研究水泥稳定碎石基层路用性能中，水泥掺量4%采用静压法成型的试样90 d抗压回弹模量、劈裂强度分别为1 170 MPa，0.56 MPa二者比值为2 090与上图对应的纵坐标2 270相比误差为-7.9%。在试块无其他材料外加的情况，实验得到的关系图可以很好的验证水泥掺量与回弹模量与劈裂强度的比值之间关系，能够达到知其二求其一的效果，对于实际水泥稳定碎石的工程质量起到一定参考作用。