半刚性基层材料结构类型与养生条件对结构性能的影响分析

2021-09-10山丽勐

安家（建筑与工程） 2021年6期

山丽勐

摘要：半刚性基层作为我国高等级公路路面结构的主要形式，是路面工程施工质量的关键所在。随着施工设备、材料等环节的逐步改善，对半刚性基层的开裂等问题的处治越发突出，文中从结构类型和养生条件两方面对半刚性基层进行性能分析研究。通过优选骨架孔隙型、骨架密实型和悬浮密实型三种级配成型试件，采用标准养生、室内开放性养生和覆膜养生三种方式进行养生，对养生后试件进行抗压强度、弯拉强度及干缩性能对比试验，研究结果表明：骨架密实结构的选用主要源于其兼顾胶结作用和固结作用下的剪切强度提高和骨架作用下剪切强度衰减放缓;覆膜养生试件较标准养生性能衰减较小，对快速施工养生提出一种可能性;三种养生方法中3天内干缩系数均较大，前期养生状况是预防基层开裂的重点。

关键词：半刚性基层;级配类型;养生条件;路用性能

0引言

半刚性基层作为我国高等级公路基层的主要类型，它不仅具有很好的承重功能，还具有成型工艺简单，明显的技术经济等优势。二十一世纪之前，我国基层材料主要采用二灰稳定土、石灰稳定土和水泥稳定细粒土等，基层强度主要依靠稳定类材料的粘聚力提供，但基层材料级配总体较细，干缩效应较大，应用过程中存在较多的干缩开裂等问题;进入二十一世纪，水泥稳定级配碎石基层在我国的应用逐步扩大，相较于我国前期应用较多的二灰稳定土、石灰稳定土和水泥稳定细粒土而言，基层强度理论从单一依靠稳定类材料的粘聚力转向为集料嵌挤作用（内摩阻力）和稳定材料粘聚力共同作用，这个阶段材料材料干缩问题得到一定解决，但是还存在较多不确定性，同时结构类型成为基层强度提升的又一关键问题[1，2]。纵观我国基层材料发展状况，主要问题为材料结构类型和干缩问题。

然而，随着半刚性基层的大量应用，其反映出不少生产实际问题，尤其是裂缝问题日益突出，当前并没有相应的较好的解决方案。国内已建高速公路使用调查表明[3，4]，通车后一年左右均出现大量裂缝，裂缝率最高达640m/1000m2。就目前研究现状看，半刚性基层开裂的主要原因包括以下几个方面：材料性能方面，基层结构类型方面，施工工艺方面，外部环境方面等。其中材料、结構类型和养生方式是半刚性基层开裂的主要矛盾，为研究结构类型及养生方式对半刚性基层开裂问题的影响，文中开展不同级配类型在不同养生方式下的强度衰减和干缩效果评价，以期探索出半刚性基层开裂控制方法。

1材料参数及级配设计

文中将半刚性基层材料划分为悬浮密实、骨架密实和骨架孔隙三种类型[5，6]。划分以上三种结构类型的主要标准是粗集料经压实后，粗颗粒间空隙体积与压实后起填充作用的细料体积之间的关系。悬浮密实型混合料中细料的压实体积大于粗集料形成的空隙体积，即是粗集料在压实混合料中处于“悬浮状态”;骨架密实型混合料中细料的压实体积临界于粗集料形成的空隙体积，粗集料在压实混合料中有一定“骨架作用”;骨架孔隙型混合料中细料的压实体积则小于粗集料形成的空隙体积，压实混合料中形成“骨架”的粗集料之间存有一定的孔隙[3-4]。根据三种结构类型理论，确定三种结构类型级配曲线进行配合比设计，并对三种结构进行性能对比验证，三种结构合成级配曲线见图1，基本性能参数见表1及图2-3。

图1可见，三种级配中，骨架密实型级配抗压强度最高，悬浮密实型级配次之，骨架孔隙型最差;三种级配在不同水泥用量下，其无侧限抗压强度基本随水泥用量的增大而增大，水泥用量在4.5%增加到5.0%过程中其强度增速减缓，说明水泥用量对强度的影响减弱。因此，综合考虑选定4.5%水泥用量的骨架密实型结构进行水泥稳定级配碎石基层性能衰减评价。根据以上强度曲线可知，三种级配情况下，4.5%水泥用量下其强度基本能够达到其优化效果。因此，进行了三种级配4.5%水泥用量下的间接拉伸试验评价，其结果见图3。此结果亦能说明骨架密实型级配具有较强的应用意义。

2路用性能衰减分析

2.1强度衰减试验

现阶段因施工作业面限制等问题，实际施工过程中存在下一工序紧跟施工，上下工序同时养生现象。为了模拟工序紧跟现象同室内标准养生和自然条件下的无养生措施的不养生状况进行对比，进行了三种养生条件模拟水泥稳定级配碎石基层材料的性能衰减试验对比分析。三种养生条件分别为：标准养护室养生，温度：20℃±2℃，相对湿度大于95%;模拟工序紧跟的裹覆养生，裹覆养生采用稀浆封层混合料对成型试件进行表面包裹，可以有效减少试件水分散失，有一定的养生作用，养生过程中不定时对裹覆试件洒水，养生条件下温度12℃～23℃，相对湿度25%～64%;不做任何措施的不养生，养生过程中不定时对裹覆试件洒水，养生温度12℃～23℃，相对湿度25%～64%。

图4、图5为不同结构类型试件在三种养生条件下的7d无侧限抗压强度和劈裂拉伸强度试验对比图。图中可见，三种结构的无侧限抗压强度基本不存在衰减，甚至出现持平或增长的情况，骨架空隙型结构总体强度略低，说明低水泥剂量下的水泥稳定级配碎石其强度主要来源为水泥石的胶结作用，相同水泥剂量下不同结构类型的嵌挤作用对抗压强度影响不大;骨架孔隙型、骨架密实型、悬浮密实型三种结构标准养生下的劈裂拉伸强度依次升高，说明密实结构下稳定材料的胶结作用和细集料的固结作用对剪切强度提高起关键作用;三种结构裹覆养生和不养生条件下的劈裂拉伸强度相较于标准养生衰减分别为：骨架空隙型结构衰减9.8%和8.1%;骨架密实型结构衰减6.8%和14.5%;悬浮密实型结构衰减7.2%和21.0%。悬浮密实型结构整体强度最高，衰减最快，说明悬浮密实结构在养生条件不良状况下容易产生剪切强度衰减过快问题，因此实际施工过程中在养生条件难以达到全过程标准养生状态下，不易采用悬浮密实结构。

2.2弯拉强度试验

测试水泥稳定碎石抗弯拉强度采用尺寸为100mm×100mm×400mm的小梁试件。对骨架密实级配成型三组试件，每组五个试件，分别用于测试三种不同养生条件下的7d抗弯拉强度。试件均以4.5%水泥用量、最佳含水量、最大干密度和98%的压实度静压成型。试验中选用英国Cooper技术公司生产的气动伺服多功能沥青材料试验机（CRT-UTM-HYD），其测量量程范围为0-30kN，采用三分点加载法（即三分点处双点加荷和三点自由支撑），高跨比为1：3，承压板支距100mm，跨距为300mm。

图6为骨架密实型级配三种养生条件下的弯拉强度试验对比图，三种养生条件下的弯拉强度依次递减，说明养生条件对弯拉强度的形成起关键作用，裹覆养生强度较标准养生的弯拉强度衰减9.0%，不养生较标准养生的弯拉强度衰减26.3%。裹覆养生和不养生条件下，水分散失较快，水化反应不充分，胶结强度衰减，但裹覆养生较不养生条件下衰减程度明显降低，其弯拉强度基本接近标准养生条件，说明裹覆养生条件具备一定的应用意义。

2.2干缩性能分析

干缩变形试验试件尺寸为100mm×100mm×400mm，每组成型两个试件进行平行试验，利用千分表采集干缩数据，试验过程如图8所示。为防止试件松散破坏，试件成型后静置于标准养护室24小时后进行脱模，并将试件分别置于三种养生条件下，三种养生方式同上文2.1所述。在试件端面支上两支千分表，禁止产生扰动，以便进行干缩动态观测。准备工作完成后，调整并记录千分表的初始读数开始测量试件的干燥收缩变形。本试验每天进行观测记录两只千分表干缩变形量，连续记录10天。

通过连续记录10d的干缩量，换算出每天的干缩应变值。干缩应变是指材料在水分流失后，试件的收缩应变[7-9]。可由以下公式表达：

式中，为干缩应变值;表示测试试件的长度;表示干缩量。

本试验采用骨架密实型结构对不同养生条件下的干缩性能对比，试验结果见图8。从数据中可见，三种养生方法中均存在3天内干缩系数较大现象，前期3天内养生条件是基层养生防止开裂的关键环节;标准养护室养生试件在整个强度形成过程中干缩变化较小;裹覆养生过程中前期干缩较大后期干缩减缓，但其相较于标准养生衰减幅度不大，说明在加强前期施工养生条件下该种养生方法对生产工作提供一定的参考意义;不养生情况下干缩值随龄期逐步增大，明显高于标准养生及裹覆养生条件下的干缩变化，说明不养生条件下水泥的水化反应加快，对水泥稳定碎石基层材料干缩性能有不利影响。

3结语

（1）水泥稳定级配碎石基层结构选择和养生的对策研究有：1）采用骨架密实型结构;2）合理的养护方式，包括：洒水养生、稀浆封层养生。

（2）骨架密实结构胶结作用降低，结构强度较小;悬浮密实结构在不同养生条件下剪切强度衰减较高，不利于生产过程控制;骨架密实结构兼顾稳定材料的胶结作用和细集料固结作用，其劈裂拉伸强度衰减放缓。

（3）三种养生方法中均存在3天内干缩系数较大现象，前期养生条件是基层养生防止开裂的关键环节，裹覆养生过程中前期干缩较大后期干缩减缓，但其相较于标准养生衰减幅度不大，说明在加强前期施工养生条件下该种养生方法对生产工作提供一定的参考意义。

参考文献

[1]田林.骨架-密实型水泥稳定级配碎石抗裂特性的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[2]何思國，楚虹，罗小刚. 缩短半刚性基层养生期施工方法的应用研究[J].公路，2002（10）：21-25.

[3]张鹏. 高等级公路半刚性基层材料的抗裂性能研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[4]蒋应军，李明杰，张俊杰等. 水泥稳定碎石强度影响因素[J].长安大学学报（自然科学版），2010，Vol.30（4）：1-7.

[5]胡力群. 半刚性基层材料结构类型与组成设计研究[D].西安：长安大学，2004.

[6] 吴平. 骨架密实结构水泥稳定碎石施工质量控制与应用研究[D]. 西安：长安大学硕士学位论文，2009.

[7]何思国，楚虹，罗小刚. 缩短半刚性基层养生期施工方法的应用研究[J].公路，2002（10）：21-25.