低剂量水泥改性级配碎石力学指标分析

2019-06-09周志刚刘智仁张军

中外公路 2019年6期

周志刚，刘智仁，张军

(长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点试验室，湖南长沙 410114)

1 前言

大量工程应用实践和理论研究表明：在沥青面层与半刚性基层之间设置级配碎石层是一种相对廉价而又可有效延缓反射裂缝的措施。但在实际工程中，还存在以下问题：如岩石破碎筛分分档不够，难以调配出JTJ 034-2000、JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术规范》推荐范围内的级配，混合料级配会超出规范范围；又如清洗不干净，含泥量较多，水稳定性不足，造成级配碎石结构层难以达到理想的强度和稳定性状态。为了解决工程应用中级配碎石存在的不足，提出在级配碎石中掺加2%～3%的水泥，形成所谓的低剂量水泥改性级配碎石，以有效地增强混合料的强度和水稳定性，同时仍能保持碎石散粒材料的结构特性，以减少半刚性基层沥青路面反射开裂，并继续发挥级配碎石结构层的排水性能。

关于低剂量水泥改性级配碎石，除了研究人员研究以外，近年道路工程界也开展了一些有益的工作。于新等通过试验论证了低剂量水泥改善水泥处治碎石抗收缩开裂性能的有效性；于保阳等研究指出水泥剂量的变化对水稳碎石的干缩、温缩系数的影响具有一定的规律性；马骁尧等通过试验指出CBR与摩尔-库仑参数二者没有明确的相关关系，基于三轴试验的摩尔-库仑准则在评判级配碎石抗剪切破坏能力方面优于CBR；王天亮等研究表明：水泥的掺加能有效地弥补粒径缺失导致的强度降低现象；彭波、李龙刚等通过试验分析，推荐水泥微黏结级配碎石水泥剂量的合理范围为2%～4%。

在路面工程混合料配合比设计中，一般需要提出合适的强度性能控制指标及其要求，以评价所设计的混合料是否符合路用要求。因此，该文主要针对多种级配加2%水泥剂量的改性级配碎石进行试验研究，探讨低剂量水泥改性级配碎石相关力学指标随龄期的变化规律，对比分析加州承载比CBR、无侧限抗压强度和抗压回弹模量指标之间的关系，参照级配碎石强度标准，提出低剂量水泥改性级配碎石设计的强度性能评价指标及其控制标准、合适的养生龄期，为低剂量水泥改性级配碎石配合比设计方法的制定提供依据。

2 原材料基本性能

试验所用的碎石及水泥均来源于广西壮族自治区路网工程试验路，石料压碎值为15.6%。为了便于级配设计研究，将现场所生产的集料筛分为8档，即0～0.075、0.075～0.6、0.6～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～26.5、26.5～31.5 mm。然后对4.75～9.5、9.5～19、19～26.5、26.5～31.5 mm共4档粗集料检验其针片状含量，分别为15.6%、17.3%、18.2%、12.9%。

对于细集料，分别测定每档集料的砂当量，然后按照组成比例计算合成的砂当量。0～0.075、0.075～0.6、0.6～2.36、2.36～4.75 mm档集料的砂当量分别为66.3%、71.1%、74.7%、75.9%。

将筛分后的8档集料按粒径从小到大分别测得表观密度为2.651、2.663、2.683、2.702、2.720、2.672、2.705、2.688 g/cm3。

以下试验中各种混合料中均掺入2%水泥，水泥取自现场袋装P.C.32.5级复合硅酸盐水泥，技术指标试验结果符合施工技术规范要求。

3 级配选择及击实试验

由于该文的试验级配碎石中掺入的水泥剂量低，不适合简单套用目前水泥稳定碎石或级配碎石相关规范。为了结合级配碎石和水泥稳定碎石两者的优点，因此可选用JTJ 034-2000《公路路面基层施工技术规范》和JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》中的级配碎石与水泥稳定碎石的级配上下限，共4种级配，再结合两条试验路按SAC法设计的级配，最终确定试验级配共6种，如表1所示。

采用JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的T0804-1994方法中的丙法，对上述6种级配碎石在掺加2%水泥后的混合料进行击实试验，得到各级配的最佳含水量与最大干密度，如表2所示。

表1 试验级配

表2 6种低剂量水泥改性级配碎石重型击实试验结果

4 强度差异性分析

水泥作为此次试验混合料的黏结剂，有利于提高集料的黏聚力，同时其强度和模量会随着龄期的增长而不断增加。试验中或许存在以下3种情形：同种材料使用不同试验方法；不同材料使用同一种试验方法；相同材料及试验方法下进行不同龄期的试验；使得试验结果存在着差异。现行的相关技术规范规定，加州承载比CBR与7 d龄期无侧限抗压强度分别被用于评价级配碎石和水泥稳定碎石的强度，故该文拟采用CBR与无侧限抗压强度作为强度指标。为保证试验结果的可靠性，下面将对不同级配混合料在不同龄期时的不同强度指标开展差异性分析，藉此确定低剂量水泥改性级配碎石强度试验所需养生龄期及合适的级配设计强度控制指标。

此节试验中的两种混合料级配分别为水泥稳定碎石的级配上限(SS)和级配下限(SX)。按照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的要求，7、14 d龄期的每组平行试验数量为13个。因为级配下限混合料粗集料多、细集料少，而且改性级配碎石水泥剂量少，容易使得试件前期无法形成足够的强度而导致脱模松垮，因此统一在试件成型后放入标准养护室养护24 h之后脱模，然后再进行包裹浸水养生。相关试验结果如表3所示。

表3 低剂量水泥改性级配碎石强度试验结果

分析表3中试验数据以及试验过程，总结如下：

(1) 试验数据的有效性。试验结果不存在异常点，同时抗压强度变异系数小于15%，CBR的变异系数小于12%，满足规范要求。

(2) 强度评价指标。表中数据表明，CBR值的变异系数远小于无侧限抗压强度的变异系数，并且与级配无关。同时由于试验过程中存在部分级配下限混合料的7 d龄期抗压强度试件脱模松垮的问题，因此采用CBR值作为评价低剂量水泥改性级配碎石的强度指标更有优势。另外，可考虑将14 d龄期的无侧限抗压强度作为辅助指标，以便于验证CBR指标控制下设计结果的合理性。

(3)CBR指标试件的龄期。虽然7 d龄期的CBR值的变异系数大于14 d龄期的变异系数，但是7 d龄期CBR值的变异系数本身就较小，且试件所用养生时间缩短了一半，有利于缩短试验进度。因此采用7 d龄期试件进行CBR试验更为合适。

5 加州承载比CBR分析

通常进行加州承载比(CBR)试验时需要先测量其膨胀量。膨胀量试验采用14 d龄期的试件。结果如表4所示。

表4 不同级配混合料膨胀量

由表4可以看出：细集料较多的级配上限混合料的膨胀量大于细集料较少的级配下限混合料的膨胀量，但对于所测试的6种级配混合料，其膨胀量均已很小，在实际中可不考虑其影响。因此在后续的CBR值试验中不再进行试件的膨胀量测定。

对6种级配混合料进行不同龄期的加州承载比试验。试验结果如表5、图1所示。

国内外并没有关于CBR值与龄期的拟合关系，分析试验数据，可用CBR=a(1-T-b)进行CBR值与龄期T关系的拟合。此关系式参数的拟合结果如表5、图2所示，数据表明拟合精度较高，同时关系式中的a值可认为是CBR最终的稳定值。

表5 不同级配混合料不同龄期的CBR值

图1 不同级配混合料CBR值随龄期的变化

图2 不同级配混合料CBR值和龄期的拟合曲线

分析表5及图1、2可以得出以下结论：

(1) 各级配混合料的CBR值随着龄期的增长而增加，7 d到14 d龄期的CBR值增加最快；14 d到28 d龄期的CBR值的增加速度逐渐变小；28 d到60 d龄期的CBR值的增加率已经很小，基本维持在5%左右；60 d以后混合料的CBR值变化更小，并逐渐趋于稳定。

(2) 7 d龄期的CBR值和14 d龄期的CBR值分别占最终稳定值的65%和75%，说明7 d龄期或14 d龄期的混合料已具备水泥水化反应完全后的大部分强度。结合第3节的结论，可以推断出，用7 d龄期或14 d龄期的CBR强度作为检验低剂量水泥改性级配碎石级配设计的力学指标具备可行性。

(3) 级配对混合料的CBR值影响显著。龄期相同时级配上限混合料的CBR值均大于级配下限混合料的CBR值，说明对CBR值的影响显著的是级配中细集料的含量。

(4)CBR指标大小的确定。表6为现行的JTJ/T F20-2015《公路路面基层施工技术规范》和JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》关于级配碎石的强度标准。结合表5可知：试验结果中CBR最小值为级配JX的169.9%，除重交通时的高速公路和一级公路的基层，其他情况均满足规范要求。另外，14 d龄期的CBR最小值为188.4%，也超过了重交通时高速公路和一级公路基层的CBR值要求的180%。故可以预测，随着龄期的延长，低剂量水泥改性级配碎石的CBR最终稳定值足以保证其用作任何交通条件下任意等级公路的级配碎石基层。所以，采用7 d龄期的CBR值作为低剂量水泥改性级配碎石设计的评价指标是可行的。并且，建议将160%作为 7 d龄期CBR值的最低标准，将180%作为14 d龄期CBR值的最低标准。

6 抗压强度与抗压回弹模量分析

表3中试验结果表明：对于低剂量水泥改性级配碎石，7 d龄期的抗压强度比14 d龄期抗压强度的变异系数大，并且部分7 d龄期的抗压强度试件因其粗集料多、细集料少，试件成型时容易损坏。因此，对6种级配混合料进行14 d龄期的无侧限抗压强度试验以及抗压回弹模量的测定，不再测定其他龄期的抗压强度和抗压回弹模量。

表6 级配碎石材料的CBR强度标准

试验采用φ150 mm×150 mm的大试件，压实度控制为98%。根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，采用顶面法测定14 d龄期2%剂量水泥改性级配碎石的抗压回弹模量。

14 d龄期的抗压回弹模量和抗压强度的测定结果如图3所示。

图3 抗压强度与抗压回弹模量关系

由图3可以看出：级配对于14 d龄期的抗压强度和抗压回弹模量的影响非常显著。同类型级配，细集料含量越大，其混合料的抗压强度和抗压回弹模量越大。因此，在施工时对低剂量水泥改性级配碎石基层级配的选择和优化非常重要。同时14 d龄期的抗压强度与抗压回弹模量具有很高的正相关性，可分别用线性拟合和幂函数拟合，两种拟合精度都很高。

7 CBR值与抗压强度、抗压回弹模量的关系

抗压回弹模量与CBR试验的力学原理不同。室内抗压回弹模量主要反映了材料在弹性范围内应力与应变之间的关系，不包括塑性变形，而CBR则反映了材料主要抵抗塑性变形的能力，在贯入过程中有时也会含有极少量的回弹变形，但与总变形2.5 mm或5 mm相比完全可以忽略。

各国道路研究者一直比较关注抗压回弹模量与CBR值之间的关系。在进行路面结构分析时，通常采用回弹模量作为材料的计算参数，但其检测较为麻烦，而CBR的测试比回弹模量方便，故实际工作中人们经常建立回弹模量与CBR值的换算公式，通过CBR测试得到回弹模量。但目前关于CBR与抗压回弹模量之间关系的研究主要集中在土基及级配碎石基层，而对低剂量水泥改性级配碎石材料则研究甚少。

下面采用国内外对于土基CBR与抗压回弹模量关系常用的幂函数E=a·(CBR)b，对该文的低剂量水泥改性级配碎石的7、14 d龄期的CBR值与14 d龄期的抗压回弹模量、抗压强度的关系进行拟合，得到图4～7所示结果。

图4 7 d龄期CBR值与14 d龄期抗压回弹模量关系

图5 14 d龄期CBR值与14 d龄期抗压回弹模量关系

图6 7 d龄期CBR值与14 d龄期抗压强度关系

图7 14 d龄期CBR值与14 d龄期抗压强度关系

拟合结果表明：无论是7 d龄期还是14 d龄期的CBR值与14 d龄期的抗压回弹模量和抗压强度均具有良好的拟合度，其中抗压强度与CBR值的相关性更高。因为前述研究得到7 d龄期CBR值最小值为160%，14 d龄期CBR值最小值为180%，通过14 d龄期的无侧限抗压强度和抗压回弹模量与7、14 d两类龄期CBR值的拟合公式，可知14 d龄期的无侧限抗压强度最低标准为1.3 MPa，14 d龄期的抗压回弹模量最低值为260 MPa。