基于大厚度半刚性基层配合比试验分析*

2021-05-19邹梦超陈颖辉欧明喜李涛后钱峰

工业安全与环保 2021年5期

邹梦超陈颖辉欧明喜李涛后钱峰

(1.昆明理工大学建筑工程学院昆明 650500； 2.广东省冶金建筑设计研究院有限公司广州 510080)

0 引言

当前国内半刚性基层多采用分层施工，但各层之间的粘结效果不甚理想，使整个半刚性基层分层受力，达不到预期强度设计要求。王军[1]发现基层整体性欠佳是造成路面灾害的主要原因之一，故采用一次施工完成的大厚度半刚性基层得到发展[2]，而如何合理确定大厚度半刚性基层中各集料最优配合比则尤为重要[3]。根据材料组成的不同，常用的半刚性基层可分为石灰粉煤灰稳定类、水泥稳定类及水泥粉煤灰稳定类[4]。对石灰粉煤灰稳定类按结构划分，又可分为悬浮型及密实型两类。目前悬浮密实结构作为路面基层在工程中应用广泛，但贾侃[5]、沙爱民等[6]研究发现悬浮密实结构在重复荷载作用下易出现疲劳破坏，导致局部失稳。因此，为了提高半刚性基层的使用性能，本文针对上述问题，基于干线公路，主要研究大厚度半刚性基层构成骨架密实型结构时的粗细集料配合比，并对此结构进行相关分析，为今后的公路建设与发展提供一定的理论依据。

1 试验准备

1.1 原材料

(1)水泥。按照试验需求，采用终凝时间<10 h而初凝时间>45 min的水泥，且严禁使用早快硬型和不安定性水泥[7]。试验使用的水泥为云南华新东骏水泥有限公司提供的P.O42.5水泥，水泥掺量为5%。

(2)碎石。根据集料的分组规定，将碎石分为4组：A0组为0～5 mm、A1组为5～10 mm、A2组为10～20 mm、A3组为20～30 mm。依照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[8]，可得到集料的基本物理性能如表1、表2所示。相关试验表明:粒径>4.75 mm的集料承担外部荷载，属于骨架的主要部分，粒径<4.75 mm的集料为细集料，因此选取4.75 mm为粗细集料的界限。

表1 集料的物理指标

表2 碎石的筛分统计

1.2 集料装配

将粗集料按照比例进行称重，称重后试样分3份均匀装入已知质量的容器中。第1份试样装填完后，将容器置放在直径约30 mm的圆管上左右往返振动25次；振实后，紧接将第2份试样装入容器，同样放置在圆管上前后振动25次；最后装填第3份试样，以相同的方法左右振动相应次数。当试样完成振实后，刮平试样表面，称得容器总重，测得容器体积，根据ρ=m/v求得振实后的试样密度。

2 配合比试验

2.1 粗集料最佳配合比试验

2.1.1Ⅰ级振实试验

将A0、A1集料进行混合振实，混合料总重为10 kg， A1集料用量以5%逐步增加，起始比例为65∶35。振实试验完成后，得到两组混合料的不同配合比与振实密度的关系曲线，如图1所示。在曲线上依次选取3个最大振实密度对应的A0∶A1比例，记为a1、a2、a3组。可以看出，Ⅰ级振实密度随着A1集料所占比例的增加，呈先增大后减小的趋势。振实密度增加是由于混合料间的空隙被A1集料填充，当混合料中A0∶A1比例为 45∶55 时，混合料整体振实密度达到最大值。随着A1集料的进一步增加，混合料间的空隙不足以填充A1集料，混合料骨架被撑开，振实密度开始减小。根据粒子干涉理论，此时集料间出现干涉现象。通过Ⅰ级振实试验，最终选取图1中的a1(50∶50)、a2(45∶55)、a3(40∶60)等3组混合料进行Ⅱ级振实试验。

图1 Ⅰ级振实试验结果

2.1.2 Ⅱ级振实试验

在Ⅰ级试验的基础上，将所确定的a1、a2、a3等3组混合料分别与A2集料进行混合。由于A2集料在混合料中比例应较小[9]，故试验配合比起点为80∶20。每组试验混合料质量控制在10 kg，其中A2集料以10%逐步增加，将各组混合料进行振实，得到a1、a2、a3组与A2集料混合后不同配合比与振实密度的关系曲线，如图2所示。Ⅱ级振实试验完成后，选取振实密度最大的两组，记为M、N组。由图可知，3组不同比例混合料的振实密度均呈先增加后减小的趋势。混合料密度增加，表明在Ⅰ级振实试验后，A0、A1混合料中还存在着空隙，随着A2集料的加入，Ⅰ级混合料中的空隙逐步被填充密实。当混合料振实密度达到峰值时，继续增加A2集料，混合料密度开始逐渐减小，粗集料骨架被破坏，说明产生了干涉现象。

图2 Ⅱ级振实试验结果

在上述试验中，当a1、a2组与A2集料的质量比为70∶30时，即为图2中的b1、b2组，此时混合料振实密度较大，且b2组的大于b1组的。令b2为M，A0∶A1∶A2配合比为31.5∶38.5∶30；令b1为N，A0∶A1∶A2配合比为35∶35∶30。再以M、N组粗集料形成的骨架为基础，进行细集料的填充，确定基层混合料中粗细集料的比例。

2.2 粗细集料最佳配合比确定

骨架密实型级配理论表明，粗集料不仅需要紧密排序，构成骨架嵌挤形式，而且骨架间的空隙需要由细集料和无机结合材料进行填充，形成骨架密实结构。在此次粗细集料配合比试验中，保证水泥掺量、养护环境等条件相同，以7 d无侧限抗压强度为标准，对混合料进行抗压强度试验，以此探究粗细集料最佳配合比，结果如表3所示。由表可知，当混合料中细集料比例由20%增加到25%时，M、N组两种配合比下混合料7 d无侧限抗压强度分别提高了15.95%和13.52%；当细集料比例由25%增加到30%时，两种配合比下混合料7 d无侧限抗压强度分别降低了20.08%和20.53%；当粗细集料比例为60∶40时，混合料整体7 d无侧限抗压强度分别较最大值减小了42.39%和40.85%。

表3 7 d无侧限抗压强度 MPa

细集料还未掺入M、N两组不同配合比的粗集料混合料中时，两组粗集料结构为骨架空隙型。随着细集料的增加，粗集料骨架间空隙逐渐被填充，由于水泥的胶凝作用，混合料间粗细集料的接触面积大大增加，使两者的粘结力也相应提高，从而使混合料整体抗侧压强度提高。当空隙被完全填充，结构转为骨架密实型时，随着细集料比例的继续提高，混合料出现干涉现象，其整体强度开始大幅降低，此时混合料结构从骨架密实型过渡到骨架悬浮型。

综上，当混合料结构由骨架空隙型转为骨架密实型时，集料的整体强度有小幅提高，但由骨架密实型转为骨架悬浮型时，混合料强度大幅降低，说明干涉现象对无侧限抗压强度影响较大。因此，粗细集料最佳的配合比为75∶25，此时混合料为骨架密实型结构。

3 配合比分析

3.1 骨架型及级配曲线分析

多位学者研究指出，当集料间隙率VCAmix大于集料干捣实间隙率VCADRC时，集料为骨架悬浮型结构；当VCAmix与VCADRC相近时，集料为骨架密实型结构；当VCAmix小于VCADRC时，集料为骨架嵌挤型结构；当 VCAmix远小于VCADRC时，集料为骨架空隙型结构[10-12]。令VCAmix=α，VCADRC=β，则

(1)

(2)

其中

(3)

(4)

式中，P1，P2，…，Pi为各组混合料中粗集料(粒径>4.75 mm)的比例；γf为混合料毛体积密度；γCA为粗集料骨架的毛体积密度；γS为振实密度，由振实试验得出；γ1，γ2，…，γi为各组集料密度。

计算得出表3中10组不同配合比的VCAmix和VCADRC，如图3所示。由图可知，粗集料之间的间隙率均随混合料中细集料的减少而减小。当细集料所占比例为30%(J3)时，即VCAmix和VCADRC相近，混合料中细集料充分填充粗集料间的空隙，结构为骨架密实型；当细集料比例为25%时，即为图中J4、P4，满足VCAmix小于VCADRC，表明此级配具有骨架性；同理可知，J5和P5也满足上述要求，均具有骨架性，但对于J5，VCAmix小于VCADRC，表明P5结构为骨架空隙型。综上，J3、J4、J5、P4、P5均满足VCAmix小于VCADRC或两者相近的要求，集料都具有骨架性特征。

图3 不同级配下的VCAmix和VCADRC

依据表3中10组不同配合比粗细集料，得到各分组的筛孔通过率如图4所示。图中的上下限为《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中C-B-1的级配范围。可以看出，10组级配均在规范上下限附近波动，但幅度较小。其中，J1、J2、P1、P2组的级配曲线均在规范上限以上，表明上述混合料中粗集料含量较少，在此级配下的混合料骨架性难以保证；而J5、P5组的级配曲线均在规范下限以下，表明此级配下混合料中粗集料含量较大，需谨慎采用；而J3、J4、P3、P4组的级配曲线都在规范区间内，表明此级配下混合料骨架满足要求，其中J4、P4组级配粗集料含量均大于J3、P3组，且J4、P4组级配曲线形似“S”，表明此配合比下混合料级配合理，此时结构为骨架密实型。

(a)J1～J5组

因此，从规范级配范围分析，J3、J4、P3、P4组级配满足要求；但从集料骨架性分析，J4、J5、P4、P5组级配更优，故上述J3、J4、J5、P3、P4、P5组级配均符合要求。

3.2 7 d无侧限抗压强度

根据表3中试验所得的7 d无侧限抗压强度，可得不同级配下的强度对比，如图5所示。由图可知，J1～J5组与P1～P6组无侧限抗压强度均是先增大后减小。根据一级重载交通应力为4～6 MPa，因此只有J4、J5、P4、P5组满足规范强度要求。

图5 各级配7 d无侧限抗压强度对比

混合料配合比分析中，依据骨架性判定标准VCAmix小于VCADRC，J3、J4、J5、P4、P5组满足要求；依据规范级配范围考虑，J3、J4、J5、P3、P4、P5组级配也满足要求；最后考虑7 d无侧限抗压强度，J4、J5、P4、P5组同样满足要求。综上，可依据J4、J5、P4、P5组集料确定骨架密实型结构关键筛孔通过率范围，如表4所示。