水泥稳定碎石基层混合料的膨胀性分析

2020-06-06姚爱玲韩方元王军伟于少勇

科学技术与工程 2020年12期

姚爱玲,韩方元,许敏,王军伟,于少勇

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064； 2.内蒙古阿拉善盟交通投资有限公司，阿拉善左旗 750306； 3.上海市政设计研究总院(集团)有限公司西安分公司，西安 710064)

阿拉善盟等沙漠戈壁地区，夏季酷暑高温，冬季寒冷干燥，地处盐渍土地区并且有盐析现象[1-2]。近年来，不同等级的水稳碎石基层沥青路面均出现了隔一定距离在不同程度上的横向隆起开裂。对于隆起病害，目前行业内研究较少。廖雄文等[3]、张长江[4]调研分析发现，沥青路面的隆起开裂主要是由水稳碎石基层的拱胀引起的；赵昕等[5]基于薄板失稳和压杆失稳理论对水泥稳定碎石基层的拱胀进行了理论分析；张宏等[6]研究发现盐渍土路基的盐胀也可能引起沥青路面的隆起开裂；但姚爱玲等[7]通过实地调查与研究，发现以沙漠戈壁为代表的额济纳旗沥青路面的隆起开裂是由水稳碎石基层的高温拱胀引起的，并非由当地盐渍土路基的盐胀引起，因此该地区沥青路面横向隆起开裂的主要原因是水稳碎石基层的拱胀。姜涛[8]、黄西民[9]对京新高速临白段进行研究，发现水稳基层拱胀是由于昼夜温差大、环境无法调节引起的温度应力所致。目前，针对水稳碎石混合料本身膨胀性的研究较少，并且研究地区气候环境复杂，基于此，引起水稳碎石混合料本身膨胀性的原因较为复杂。通过模拟当地的气候及水文地质条件设计试验，研究在设定的温度变化条件下级配类型、水泥剂量、养生龄期[10-12]及硫酸盐含量对水稳碎石基层本身膨胀性的影响，以期为该地区以及该类地区水稳碎石基层沥青路面的设计与施工提供指导与依据。

1 水稳碎石混合料试验方案设计

为了使研究结果更加可靠，前期对目标地区的水文地质条件以及京新高速临白段的路面各结构层的温度进行了调查与监测。发现该地区的地表水中以硫酸盐为主，含量为3 210 mg/mL且有盐析现象。温度监测数据显示在7—8月的 17：00 左右，基层温度普遍为40～50 ℃，最高温度为58.1 ℃[7]。

1.1 原材料检验

试验所用的集料全部取自内蒙古阿拉善盟地区，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[13]检测各项指标；水泥来自秦岭牌符合硅酸盐水泥P·C 32.5，初凝时间为4 h，终凝时间为 6 h；试验用水全部为西安市普通自来水。经检测，原材料的技术指标均符合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[14]的要求。硫酸盐为广东光华科技股份有限公司的无水硫酸钠，无色透明结晶。

1.2 膨胀性试验方案设计

考虑到当地水的含盐量比较高，试验时，在水中加入了不同含量的无水Na2SO4，分析其对水稳碎石混合料膨胀性的影响。影响水稳碎石混合料温缩性能的主要因素是级配、水泥剂量和养生龄期等[10-12]，因此试验主要研究在设定温度变化条件下级配类型、水泥剂量、养生龄期以及硫酸盐含量4个因素分别与水稳碎石混合料膨胀性的关系。

1.2.1 膨胀试验的温度变化程序设计

由现场的监测数据可知，在夏季炎热时期，基层的温度普遍达到40～50 ℃，最高时达到58.1 ℃，然而当地基层的施工温度一般在10 ℃左右，参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[15]的温缩试验方法，温度变化区间设定在10～60 ℃，分为5个温度级别，逐级升高，升温速率为0.5 ℃/min，在每一个温度下保温2 h，降温与升温对称，如图1所示。每5 min记录一次变形量数据，温度变化及数据采集程序利用路面材料干温缩变形测量仪实现，如图2所示。

图1 膨胀试验的温度-时间图Fig.1 Temperature-time diagram of expansion test

图2 材料干温缩变形测量仪Fig.2 Material dry-shrinkage deformation measuring instrument

1.2.2 级配类型的选择与混合料组成设计

不同级配类型的水稳碎石混合料在组成设计时，混合料的水泥剂量取4.5%。

选择《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[14]中推荐的C-B-1、C-B-2、C-B-3级配，其中C-B-1、C-B-2属于悬浮密实结构，C-B-3为骨架密实结构。考虑到骨架空隙结构由于其较大的空隙会对基层的拱胀有一定的削弱作用，尝试采用骨架空隙结构设计基层，由于《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[14]中没有推荐骨架空隙结构的级配范围，故参考了沥青混合料OGFC-16的级配，做对照试验。试验时，4种级配均取级配范围的中值，具体如表1所示。

1.2.3 水泥剂量的选择与混合料组成设计

级配采用表1中的C-B-3型骨架密实结构，水泥剂量分别为4.0、4.5%、5.0%和5.5%。

1.2.4 养生龄期的选择

级配同样采用C-B-3型级配，水泥剂量为4.5%，养生龄期分别为7、28、90 d。

1.2.5 硫酸盐含量的选择

该地区的地表水中的硫酸盐含量达到3 210 mg/mL，参考《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[16]不同的盐渍化程度，Na2SO4含量选用了较大范围，分别为0%、1%、2%、3%，级配采用C-B-3型，水泥剂量为4.5%。

根据上述混合料的组成设计，通过重型击实试验得到不同混合料的最佳含水率和最大干密度，并测定7天无侧限抗压强度，均满足细则[14]的要求。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[15]，成型梁式试件，试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，采用压力机成型，除养生龄期因素外，其余影响因素下的试件均在标准养生条件下养生7 d。

表1 不同类型的水稳碎石级配Table 1 Gradation of different types of cement stabilized macadam

图3 不同条件下混合料变形图Fig.3 Deformation diagram of mixtures with different conditions

2 试验结果与分析

水稳碎石混合料的膨胀性能用膨胀系数来表征，通过膨胀系数对水稳碎石混合料的膨胀性进行研究。

2.1 各因素对膨胀系数的影响

按照膨胀试验温度-时间图(图1)，设定路面材料干温缩变形测量仪的变化程序，记录水稳碎石混合料在各因素下随时间的变形量，依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JJG E51—2009)[15]中温缩系数的计算公式[式(1)]，计算各因素下的水稳碎石混合料的膨胀系数。各温度区间的膨胀变形图，如图3所示，膨胀变形量、膨胀系数如表2所示。根据表2，绘制不同因素下混合料在10～60 ℃的膨胀系数，如图4所示。

(1)

式(1)中：ai为膨胀系数；li+1-li为变形量；L0为总试件的长度；ti+1-ti为温度变化。

表2 各因素下水稳碎石混合料的膨胀变形量和膨胀系数Table 2 Expansion deformations and expansion cefficients of cement stabilized macadam mixtures under vrious fctors

图4 不同条件下的混合料膨胀系数Fig.4 Expansion coefficients of mixtures with different conditions

由图4(a)可看出，级配类型对水稳碎石混合料的膨胀性具有较大的影响，膨胀性最大的是C-B-2型级配，其次是C-B-1型级配和OGFC型级配，膨胀性最小的是C-B-3型级配。C-B-1和C-B-2属于悬浮密实型结构，黏结力较高，而内摩阻力较小，其中C-B-1的最大公称粒径为19.0 mm，C-B-2型级配的最大公称粒径为16.0 mm，由于C-B-1最大公称粒径较C-B-2大一档，级配偏粗，集料之间的嵌挤作用更强，内摩阻力更大；OGFC参考的是常用于沥青混合料的级配，属于骨架空隙型结构，内摩阻力较大，而黏结力较小；C-B-3属于骨架密实型结构，黏结力与内摩阻力均较高。由此可以看出在水稳碎石混合料的级配设计中，内摩阻力对膨胀性起着决定性作用。

图5 混合料在各温度区间的膨胀系数Fig.5 Expansion coefficients of mixtures different temperature ranges

由图4(b)可看出，水泥剂量增加，膨胀系数随之增大。水泥将集料胶结在一起，形成稳定的结构，剂量越大，水稳碎石混合料的刚度越大，当温度升高时，产生的位移越大，因此，在相同的温度差下，水泥的剂量越大，混合料的膨胀系数就越大。同时由图4(b)中可以看出膨胀系数并不是随着水泥剂量的增加而线性增大，当水泥剂量高5.0%时，增长速率逐渐减小。

由图4(c)可看出，随着养生龄期的增长，膨胀系数逐渐大。养生龄期越长，水泥的水化越充分，胶结作用越强，混合料的板体性能就越好，在相同的温度差下，相应的温度应力也就越大，膨胀系数因此越大。同时随着养生龄期的增长，膨胀系数增长速率减慢，说明混合料中的水泥在后期已经得到充分的水化。

由图4(d)可看出，硫酸盐含量与膨胀系数并没有明显的规律。分析其原因，当温度较高时，水稳碎石混合料处于干燥的状态，硫酸钠会析出与集料混合在一起，不会对水稳碎石混合料的膨胀产生太大的影响。

2.2 温度对膨胀系数的影响

研究温度与膨胀系数的关系对水稳碎石混合料的膨胀性研究非常重要。根据表2，绘制在不同因素作用下各温度区间膨胀系数的变化，如图5所示。

由图5可知，水稳碎石混合料在各温度区间的膨胀系数不同。总体上，在一定范围内，膨胀系数随着温度的升高而增大，达到一定程度后，随着温度的升高，膨胀系数逐渐减小。同时试验结果表明，不同因素条件下，膨胀系数均在40～50 ℃的温度区间内达到最大。分析其原因，随着温度的升高，混合料产生膨胀变形，结构内产生温度应力，即胀力。最初温度较低，胀力也较小，在混合料约束力的作用下，产生的膨胀变形也较小；温度继续升高，胀力随之增大，混合料就会产生较大的膨胀变形；当温度达到一定程度，虽然胀力会继续增大，但是混合料之间的束缚力也会随之增大，对膨胀变形有较强的削弱，产生的膨胀变形就较小。

由于设计的升温和降温程序是对称的，结合图1，分析图3中变形与升温、降温的关系，发现水稳碎石混合料是温度敏感性材料，并且在相同的温度区间内，温度下降产生的收缩变形比温度上升产生的膨胀变形要大。当温度上升时，水稳碎石混合料产生的膨胀变形是连续性的，当温度下降时，在温度开始变化的最初几分钟，水稳碎石混合料会产生一个膨胀的突变，可推知温度的下降会对水稳碎石基层产生更大的损伤。

通过分析可以发现，在阿拉善盟的沙漠戈壁地区，道路没有任何的林荫遮挡，完全处于裸露的条件下，受温度升降的影响较大，监测数据显示在7月基层的平均温度比广巴高速[17]约高3～12 ℃。在春夏季，道路处于不断地升温过程，水稳碎石混合料基层因升温而产生膨胀变形，当胀力超过材料本身的约束力时，会使沥青路面产生隆起。同样，在寒冷季节时会发生收缩，结构内产生收缩力，该力超过结构允许拉应力时引起路面的横向开裂。因此，阿拉善沙漠戈壁地区以及类似的这类地区，水稳碎石半刚性基层沥青路面不仅会产生冬季的低温开裂，同样会产生春夏季升温中的路面隆起。