机场道面水稳基层性能影响因素试验研究

刘 潇

（上海机场（集团）有限公司建设指挥部，上海 200335）

水泥稳定碎石作为半刚性材料中最普遍的一种，其凭借具有较高强度、刚度、水稳性以及良好板体性等优势而被大量应用于机场道面结构中的基层或底基层。

国内外对水稳碎石的级配和性能之间的关系进行了很多研究。杨瑞华等[1]参考SMA级配的设计思想，分析了5种不同级配水泥稳定碎石的结构，并进行无侧限抗压强度试验，表明骨架密实结构的水泥稳定碎石具有较高的强度，改变水泥稳定级配碎石的结构类型即由传统的悬浮密实结构转变成骨架密实结构，可改善半刚性基层材料的力学性能。类似地，刘佳[2]、David Harold Timm[3]、高润[4]等都得到了相似的结果。

然而，影响水稳碎石性能的因素是多方面的。水泥掺量对水稳碎石强度的影响毋庸置疑，另有研究表明，不同成型方法设计的水稳碎石的性能有差异。由于研究单一影响因素具有一定的局限性，文章研究级配、水泥掺量、成型方式这3种影响因素，通过多因素试验和统计分析，对水泥稳定碎石基层级配进行多方面综合研究，并以使用性能的优劣作为评价指标，评价级配、成型方式、水泥掺量这几个影响因素的占比，对于优化水泥稳定碎石相关设计能提供理论基础。

1 试验方法

1.1 原料性能

水泥采用的是蓝天牌标号为42.5普通硅酸盐水泥。参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）中规定的试验方法对所选水泥进行室内试验，水泥技术参数的试验值均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTGT F20—2015）规定的质量要求[5-6]。

参照《公路路面基层施工技术细则》（JTGT F20—2015）中对于混合料集料颗粒相应指标的要求，并按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中规定的相应指标试验方式对所选粗、细集料进行室内试验[6-7]。

此次集料产地选用的是四川省眉山市仁寿县，石料为石灰岩。进行集料性能试验时，细集料的液限、塑限及塑性指数参照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[8]。

将细集料中0.3mm以下集料筛分出来进行试验，得到细集料的液限ωL为24.1%，塑限指数ωP为16.9%，从而得出塑性指数IP为7.2。

将规范要求及相关性能试验结果对比，集料试验数据满足规范要求，选用集料性能优良。

1.2 级配确定

根据各档料的筛分数据确定不同的各档比例得到3种骨架结构，如图1所示。图1中的骨架空隙结构曲线图于9.5mm筛孔超出了级配下限，而为了保证骨架孔隙结构的形成，此处允许超过规范范围。根据3种不同结构成型后的试件外观即可看出区别，如图2所示。

图1 3种骨架结构的级配曲线图

图2 3种成型后的试件表面

1.3 成型方法

文章选取成型方式作为影响因素，对比不同级配在传统击实成型与振动成型两种不同成型方式对混合料性能的影响。

1.4 水泥剂量

水泥剂量选取了4个水平：4.0%、4.5%、5.0%以及5.5%。

1.5 性能指标测试方法

选取7d无侧限抗压强度、7d劈裂强度以及90d干缩应变作为评价级配及级配影响因素优劣的性能指标。

2 试验结果

2.1 7d无侧限抗压强度

各工况下的7d无侧限抗压强度结果如图3所示。

根据图3可以看出：

（1）在传统击实法下和振动击实法下，各种水泥剂量下骨架密实结构的抗压强度最大，而骨架空隙结构的抗压强度最小。

图3 各工况的7d无侧限抗压强度结果

（2）水泥剂量每增加0.5%用量时，骨架密实结构所增加的强度值最大，说明骨架密实结构可以使得水泥产生的作用最大化，此时水泥的使用效果最好。

（3）振动击实成型法可以提高3种结构下的抗压强度，传统法下5.0%～5.5%水泥对应强度此时可由4.0%～4.5%水泥剂量实现。这说明振动击实成型让骨料重新位移排列后可以形成更好的骨料分布状态，提高了由骨料本身带来的骨架强度。在水泥剂量较低范围时，三种结构抗压强度提升效果较为明显，随着水泥剂量的增大，强度提升效果会逐渐趋于稳定。这是因为水泥剂量较低时，骨架结构的改善作用较大，水泥剂量较高时，抗压强度主要由水泥贡献。

（4）水泥剂量对7d无侧限抗压强度的影响可以视为线性。根据对线性回归的斜率进行计算和对比可知，水泥剂量影响作用由大到小排序为骨架密实振动＞悬浮密实振动＞骨架密实传统＞骨架孔隙振动＞悬浮密实传统＞骨架空隙传统。

2.2 7d劈裂强度

各工况下的7d劈裂强度结果如图4所示。

图4 各工况的7d劈裂强度结果

根据图4可以看出：

（1）在传统击实法下和振动击实法下，各种水泥剂量下骨架密实结构的7d劈裂强度最大，而骨架空隙结构的抗压强度最小。

（2）水泥剂量每增加0.5%用量时，骨架密实结构所增加的强度值也为最大，同样证明骨架密实结构可以使得水泥产生的作用最大化。

（3）振动击实成型法可以提高3种结构下的劈裂强度，传统法下5.0%～5.5%水泥对应强度此时可由4.0%～4.5%水泥剂量实现。

（4）水泥剂量对7d劈裂强度的影响可以视为线性。根据对线性回归的斜率进行计算和对比可知，水泥剂量影响作用由大到小排序为骨架密实振动＞悬浮密实振动＞悬浮密实传统＞骨架密实传统＞骨架空隙振动＞骨架空隙传统。

2.3 90d干缩应变

各工况下的90d干缩应变结果如图5所示。

图5 各工况的90d干缩应变结果

根据图5可以看出：

（1）在传统击实法下和振动击实法下，3种结构干缩应变都会随着水泥剂量的增大而逐渐增加。其中，各种水泥剂量下骨架空隙结构的干缩应变最小，悬浮密实结构的干缩应变最大。这是由于悬浮结构，各级集料均被次级集料所隔开，不能直接靠拢形成骨架，从而造成集料颗粒互相牵制和约束的能力最小，在收缩力的作用下最容易发生微移动，体现在宏观干缩应变最大。骨架空隙结构本身就已形成骨架嵌挤作用，嵌挤作用的存在减弱了干缩应力的影响，同时结构中存在明显可见的空隙部分，而空隙部分周围的细集料与水泥混合体在干缩应力的作用下，会更容易在空隙处形成众多微裂纹，该微裂纹的产生可以使得干缩应力得到一定程度释放，所以减弱了干缩应力带来的影响。

（2）振动击实成型法可以降低3种结构下的干缩应变：同一干缩应变下，振动法相比传统法可多掺水泥剂量约0.5%。水泥剂量较小范围时，采用振动击实降低干缩应变的效果较水泥剂量较大范围时更显著一点。

（3）水泥剂量对90d干缩应变的影响可以视为线性。根据对线性回归的斜率进行计算和对比可知，水泥剂量影响作用由大到小排序为悬浮密实传统＞骨架密实传统＞悬浮密实振动＞骨架密实振动＞骨架孔隙传统＞骨架空隙振动。

3 敏感性分析

3.1 7d无侧限抗压强度

将试验数据结果7d无侧限抗压强度作为研究指标进行极差分析与方差分析，限于文章篇幅，仅展示极差分析结果如表1所示，下同。

极差分析结果表明，3种因素对抗压强度都具有高度显著影响。根据表1所示极差分析结果可知，各因素对抗压强度影响程度由高到低的次序为骨架结构、击实成型方式、水泥剂量，故通过改善骨架结构和击实成型方式来提高水泥稳定碎石混合料抗压强度比提高水泥剂量更为显著，该方式可以不以牺牲抗干缩性能作为代价而提高抗压强度。

表1 7d无侧限抗压强度极差分析表

3.2 7d劈裂强度

将试验数据结果的7d劈裂强度作为研究指标进行极差分析与方差分析，极差分析结果如表2所示。

表2 7d劈裂强度极差分析表

极差分析结果表明，3种因素对7d劈裂强度都具有高度显著影响。根据表2极差分析结果可知，3种因素中对7d劈裂强度影响程度由高到低的次序为骨架结构、击实成型方式、水泥剂量。与抗压强度一致，通过改善骨架结构和击实成型方式来提高水泥稳定碎石混合料劈裂强度比提高水泥剂量更为显著，该方式可以不以牺牲抗干缩性能作为代价而提高劈裂强度。

3.3 90d干缩应变

将试验数据结果的90d干缩应变作为研究指标进行极差分析与方差分析，极差分析结果如表3所示。

表3 90d干缩应变极差分析表

极差分析结果表明，3种因素对90d干缩应变都具有高度显著影响。根据表3极差分析结果可知，3种因素中对90d干缩应变影响程度由高到低的次序为骨架结构、水泥剂量、击实成型方式。其中，骨架结构与水泥剂量的影响程度很相近，两者都可以很大程度地影响水泥稳定碎石混合料的抗干缩性能。

4 结束语

（1）骨架密实结构的抗压强度和劈裂强度最大，而骨架空隙结构的抗压强度和劈裂强度最小，骨架密实结构可以使得水泥产生的作用最大化。

（2）采用振动击实成型方式时，可提高3种级配的结构使用性能：4.0%～4.5%水泥剂量下即可实现击实法下5.0%～5.5%水泥剂量对应强度。

（3）对于7d无侧限抗压强度和7d劈裂强度，骨架结构影响最大，击实成型方式次之，水泥剂量最小；对于90d干缩应变，骨架结构与水泥剂量影响相近，击实成型方式影响相对较小。

（4）水泥稳定碎石基层级配设计建议采用骨架密实结构，击实成型方式建议采用振动击实成型方式，同时两者的结合可在水泥剂量较低时使水泥发挥更大的作用，在水泥剂量为4.0%时就基本可满足机场规范中对水稳基层抗压强度的要求（≥4MPa），实现减少水泥剂量，减小干缩应变的同时能够较好地保证使用性能。