低剂量水泥稳定碎石力学参数试验研究

2019-01-07■陈捷

福建交通科技 2018年6期

■陈捷

(福建南平路桥养护工程有限公司，南平 353000)

0 前言

当前我国沥青混凝土路面基层常用材料主要是二灰稳定类和水泥稳定类材料，因其强度和刚度介于刚性基层(水泥混凝土和贫混凝土)和柔性基层(级配碎石)之间，所以被称为半刚性基层[1]。长期以来，半刚性基层材料以强度高、稳定性好、板体性好以及可就地取材等优点，满足了公路经济与技术方面的要求。但在优点的背后也存在一些致命的缺陷：由于其刚度过大，实际上成为脆性材料，在重载作用下沥青混凝土面层内会出现较大的剪应力[2]，极易发生车辙等变形破坏；对温度、湿度很敏感，所以在使用过程中会因温度与湿度的变化产生温缩、干缩裂缝，进而在荷载作用下基层裂缝会快速扩展到面层形成反射裂缝破坏路面的整体结构，大大降低了沥青路面的服役寿命。可见，半刚性基层沥青路面往往并非因为疲劳性荷载作用导致基层材料或面层材料破坏，而是因各类早期病害而无奈进行大中修。

近年来，为了减少沥青路面车辙病害和反射裂缝病害，采用了很多技术手段，如加厚沥青面层、开发抗车辙材料、设置抗裂层等等[3]。这些手段虽然起到了一定程度的路用性能提升作用，但是往往需要较多的经济投入，对于公路建设尤其是干线公路建设，其性价比是很低的。低剂量水泥稳定碎石(水泥含量一般不高于4%)由于水泥剂量使用较少，一方面其干缩、温缩性能有本质性的改变，可大大降低沥青路面反射裂缝病害的产生[4-5]；另一方面其力学性能将有所改变，进而影响到路面结构内部的力学特性，使得沥青面层剪应力大大降低，从结构角度优化了路面抗车辙性能[6]。低剂量水泥稳定碎石基层在我国已然表现出较好的应用前景，且目前包括福建省在内的多个省份都对低剂量水稳基层有不断的应用探究[7]。

然而，随着新沥青路面设计规范的颁发，关于水稳基层材料的设计参数有所变化，所以对低剂量水稳基层材料力学参数需要重新认识，以便更好地设计低剂量水稳基层沥青路面结构。鉴于此，本文从低剂量水稳基层材料力学参数入手，室内试验研究其强度特性和模量特性，以期丰富低剂量水稳基层材料的设计参数及验证低剂量水泥稳定碎石的适用性。

1 低剂量水泥稳定碎石组成设计

(1)水泥

水泥选用32.5级普通硅酸盐水泥，初凝时间为280min，终凝时间为380min，3d抗压强度为3.3MPa，3d抗折强度为1.5MPa。

(2)集料

粗集料为石灰岩碎石，分为四档：19.0mm～31.5mm、9.5mm～19.0mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm，各项检测指标均满足规范要求。

根据各规格集料的筛分结果，按照《公路路面基层施工试验规范》(JTJ 034-2000)水泥稳定碎石基层混合料级配范围，设计得出集料试验配合比见表1。

表1 混凝土矿料设计级配

(3)水

实验所用水为饮用水。

(4)击实试验

配合比设计选择2%、3%、4%、5%三种水泥剂量进行标准击实试验确定各组混凝土的最佳含水量和最大干密度，见表2。

表2 混凝土组成设计指标

2 试验结果与分析

(1)无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是水泥稳定碎石的重要力学性能，反映了水泥稳定碎石抵抗压应力作用的能力，是进行水稳碎石组成设计的重要指标，公路沥青路面设计新、旧规范(2006版和2017版)[8-9]中均将7d无侧限抗压强度指标作为水泥稳定碎石材料的力学参数，只是两版规范标准值规定有所不同，相比旧规范，新规范要求无侧限抗压强度值有所提高。为此，本文按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-T0805)[10]中规定试验方法，制作试件进行6 d标准养生，1 d浸水，检测7 d饱水无侧限抗压强度，结果如表3。

表3 7d无侧限抗压强度试验结果

将水稳材料无侧限抗压强度平均值与水泥剂量的关系以折线表示，如图 1所示。从图中可以看出：水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度随水泥剂量的增加而增加；水泥剂量在 2%～3%之间时，抗压强度增长缓慢，在3%～5%间呈现快速增长的趋势。当水泥剂量为2%水平时由于水泥剂量太少，水泥在水泥稳定碎石试件中所起的作用主要为胶结的作用，而并没有使试件的强度得到质的增加，这时的水泥稳定碎石力学性质偏于级配碎石，但是相比于级配碎石，它拥有更好的胶结能力使得基层的整体性更强[5]。而当水泥剂量进一步增加，水泥的强度作用得以发挥，强度随水泥剂量的增加才快速增长。

图1 水泥稳定碎石水泥剂量与抗压强度关系

进一步参照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中对于无侧限抗压强度代表值的标准可知，从抗压强度指标来看本文水泥剂量为5%水平的水稳材料适用于各个公路等级、各个交通等级的基层或底基层；水泥剂量为4%的水稳材料做基层应用于高速公路、一级公路的仅适用于中、轻交通，做基层应用于二级及以下公路时可放宽至重交通及以下，做底基层时可用用于各个交通等级；水泥剂量为3%的水稳材料不适用于高速公路、一级公路的基层，在二级及以下公路基层应用也仅适用于中轻交通，做底基层使用时可应用高速公路、一级公路的中轻交通和二级及以下公路重交通、中、轻交通；水泥剂量为2%时仅能用作二级及以下公路的中轻交通。可见，从抗压强度指标考虑，低剂量水稳材料随着水泥剂量的降低其适用范围是越来越小。

(2)弯拉强度

车辆荷载作用下基层材料在沥青路面结构中承受弯拉作用，所以抗拉性能一直是水稳碎石的一项重要力学性能。旧规范(2006版)中采用劈裂强度试验(间接拉伸试验)对水泥稳定材料抗拉性能进行评价，但新规范(2017版)中已明确要求测试弯拉强度指标进行评价。

将成型好的 400mm(长)×100mm(宽)×100mm(高)的梁式试件在标准养生室内养生至90d，然后按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-T0851)的试验方法进行的三分点弯拉强度试验，其加载速率为50mm/min，所得试验结果表4和如图2所示。

表4 弯拉强度试验结果(90d)

图2 水泥稳定碎石弯拉强度随水泥剂量变化

从图2可以看出，随着水泥剂量的增加，水稳碎石弯拉强度基本呈现抛物线增长的趋势。

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50－2017)中关于无机结合料层疲劳开裂验算方程(B.2.1-1)将水稳材料弯拉强度指标与路面基层、底基层服役寿命建立了量化关系，由验算方程可知，水稳材料抗拉强度越大，其路面结构疲劳寿命也就越长。新规范中没有像对无侧限抗压强度指标有明确标准值一样用于要求弯拉强度指标，这是因为基层材料疲劳寿命能否达到设计要求并不完全由材料弯拉强度一方面决定。比如，对于抗拉强度较小的材料可以通过增加结构层厚度以满足疲劳开裂的验算。所以，材料抗拉强度性能能否满足路面结构主要还是要通过具体的交通工况、设计寿命等条件下进行路面疲劳开裂验算而定。然而，《公路沥青路面设计规范》(JTG D50－2017)中针对水泥稳定粒料弯拉强度推荐了两个范围：通常对于级配好、水泥用量高、材料性能好、施工工艺好的材料达到1.5～2.0MPa；反之在 0.9～1.5MPa。可见，对于本文低剂量(2%～4%)水稳碎石材料，其弯拉强度基本处于第二范围内，甚至对于剂量2%的水稳材料尚达不到第二等级要求，即工程应用中需要加大结构层厚度以满足疲劳开裂验算。

(3)弹性模量

弹性模量反映了水泥稳定材料在荷载作用下的变形特性，是重要的力学参数，显著影响路面的承载能力和整体结构强度。而且路面结构的应力、应变分布也决定于水稳材料层的弹性模量。旧规范(2006版)中对水泥稳定材料弹性模量试验要求采用“顶面法”(T0808)进行评价。交通部西部交通建设科技项目 “基于多指标的沥青路面结构设计方法研究”课题对比了动态压缩回弹模量、动态弯拉模量、欧洲标准压缩回弹模量、中间段法单轴压缩弹性模量和顶面法回弹模量等试验方法。结果表明，前四种方法的测试结果接近，能更好地反映无机结合料稳定材料的力学特性，且中间段法单轴压缩试验操作相对简单。所以，新规范在附录E中规定了弹性模量中间段试验方法作为弹性模量指标的标准测试方法。由此，本文采用公路沥青路面设计新规范(2017版)附录E中试验方法评价低剂量抗裂水稳基层的弹性模量，试验结果见表5和图3。

从图3可以看出，水泥稳定碎石弹性模量随水泥剂量增加表现为线性增加。相比于抗压强度或弯拉强度指标，弹性模量指标并不是越大越好，这是因为：虽然弹性模量越大代表了材料承受相同应力下变形越小，但是对于处于层状结构的路面中的水稳材料，其模量越大会显著增加其承担的拉应力，且增加沥青层的受剪破坏的概率。

表5 单轴压缩模量试验结果(90d)

图3 水泥稳定碎石弹性模量随水泥剂量变化

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50－2017)中针对水稳材料弹性模量同样没有给出标准值，但是同弯拉强度指标一样也给出了两个常见范围：14000～20000MPa和20000～28000MPa。根据本文的试验结果可以看出，水泥剂量为4%时弹性模量还处于水稳材料的第二代表范围，但对于2%、3%剂量的水稳材料弹性模量已不在规范中给出的常用范围，这也说明了低剂量水稳基层沥青路面结构设计与常规水稳材料是不同的。