土凝岩胶凝材料稳定碎石基层路用性能研究

杨善东, 王笑风, 游鹏, 杨博, 郭豪彦

(1.洛阳市公路管理局, 河南 洛阳 471000； 2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司； 3.长安大学 材料科学与工程学院)

目前，煤矸石、工业尾矿等固体废弃物已被广泛应用于道路工程，研究者将固体废弃物或用作道路填料，或用作生产胶凝材料的原材料等，这些途径都使固态废弃物得到有效的回收再利用，变废为宝。

当前，SSCM已经被广泛应用于道路工程中，并表现出优良的路用性能。赵晓玉等利用SSCM改性轻质粉黏土，研究结果表明土凝岩改良黏性土无侧限抗压强度比水泥改良黏性土强度高；荣云杰等研究了赤泥基DHT土凝岩土壤固化剂稳定细粒土的效果，研究结果表明掺入DHT土凝岩的细粒土抗剪强度和抗渗性均有不同程度的提高；汲平等对DHT土凝岩稳定材料水稳定性、抗冻性能进行了研究，结果表明DHT土凝岩稳定材料相关指标均不低于相应水泥稳定材料，具有良好的耐久性能。

该文所用的SSCM是一种由工业废料经一定工艺制备的新型材料，具备与水泥材料类似的胶凝作用。SSCM稳定碎石基层的力学性能、水稳性能、冻融性能等已被广泛研究，但对于收缩性以及疲劳性能的研究较少，为此，该文主要针对SSCM稳定碎石基层的收缩性能以及疲劳性能进行测试与分析，以得到SSCM稳定碎石基层的路用性能。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

该文所用的胶凝材料为土凝岩材料和P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，两种材料的物理与力学性能如表1所示；集料为0～26.5 mm石灰岩，产自陕西，表观密度为2.758 g/cm3，含泥量为0.72%，吸水率为0.71%，破碎值为20.6%。

表1 两种胶凝材料及砂浆试件性能

1.2 成型方法

无机结合料稳定碎石底基层/基层均采用骨架密实型级配，图1为集料级配曲线。该文在以往试验基础上固定胶凝材料的掺量：底基层：3.5%；基层：4.0%。两种胶凝材料的掺入方式都为外掺，压实度为0.98。该文将掺量为3.5%、4.0%SSCM的试件分别命名为d-SSCM、j-SSCM，将掺量为3.5%、4.0%CCM的试件分别命名为d-CCM、j-CCM。

图1 骨架密实型无机结合料稳定类集料级配曲线

通过T0804—1994《无机结合料稳定材料击实试验方法》进行击实试验，以确定该文中4种稳定材料的最佳含水量和最大干密度，试验结果如表2所示。

表2 最佳含水量和最大干密度试验结果

参照T0843—2009《无机结合料稳定材料试件制作方法(圆柱形)》以及T0844—2009《无机结合料稳定材料试件制作方法(梁式)》分别成型φ150 mm×150 mm圆柱形试件和100 mm×100 mm×400 mm的梁式试件。成型试件数量满足该文进行的相关试验要求。试件成型后，参照T0845—2009《无机结合料稳定材料养生试验方法》进行标准养生。

1.3 试验方法

参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行7 d无侧限抗压强度、弯拉强度、抗压回弹模量(顶面法，将单位压力分为5等分，分别为0.085、1.170、0.255、0.340以及0.425 MPa)、干缩、温缩(为准确获得试验过程中应变的变化，设定数据读取频率为20 min/次)以及疲劳(按照规范要求与实际情况，取0.80、0.75、0.7、0.65共4个应力比对每组试件进行疲劳试验)测试。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的相关规定，对掺入CCM和SSCM的4种稳定碎石进行了7 d无侧限抗压强度试验，结果如图2所示。

图2 CCM和SSCM稳定碎石的7 d无侧限抗压强度

由图2可知：胶凝材料相同时，掺量较高的j-SSCM和j-CCM具有更高的抗压强度，j-SSCM比d-SSCM的抗压强度提高25.5%；j-CCM比d-CCM的抗压强度高约16.8%。胶凝材料掺量相同时，SSCM稳定碎石的抗压强度明显高于CCM稳定碎石，掺量为3.5%时，前者比后者高约23.2%；掺量为4%时，前者比后者高约32.3%。说明同等条件下，SSCM稳定碎石的抗压强度指标明显优于CCM稳定碎石，掺量越高，效果越显著，表明采用SSCM材料代替水泥稳定碎石用于公路工程底基层、基层是可行的。

2.2 弯拉强度

弯拉强度又称抗折强度，是表征路面材料抵抗弯曲变形的能力，是半刚性基层路面材料的一项重要控制指标，CCM和SSCM 4种材料稳定碎石的90 d弯拉强度试验结果见图3。

图3 CCM和SSCM稳定碎石的弯拉强度

由图3可知：胶凝材料种类相同，掺量不同时，掺量较大的j-SSCM和j-CCM具有更高的弯拉强度值，j-SSCM比d-SSCM高12%，而j-CCM比d-CCM高10%；胶凝材料掺量相同，种类不同时，SSCM稳定碎石的弯拉强度明显高于CCM稳定碎石，掺量为3.5%的d-SSCM比d-CCM提高约25%，掺量为4%的j-SSCM比j-CCM提高约27%。说明由工业废渣制成的土凝岩材料稳定碎石的抗弯拉性能比水泥稳定碎石的抗弯拉性能更加突出。

2.3 抗压回弹模量

回弹模量是指路面基层材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值，能够反映路面基层在弹性变形阶段内，在垂直荷载作用下，抵抗竖向变形的能力。CCM和SSCM稳定碎石的90 d抗压回弹模量试验结果如图4所示。

图4 CCM和SSCM稳定碎石抗压回弹模量

由图4可知：两种胶凝材料中，掺量较大的j-SSCM和j-CCM组获得更优的抗压回弹模量值。掺量一致时，SSCM稳定碎石的抗压回弹模量明显高于CCM稳定碎石的抗压回弹模量。当掺量为3.5%时，增幅为37.5%，掺量为4%时，增幅为26.8%。较低掺量的SSCM稳定碎石的抗压回弹模量甚至超过高掺量的CCM的抗压回弹模量，说明水化进程中SSCM产生了较多的水化产物，致使材料各相之间黏附力较大，宏观性能上表现为材料的刚度和抗压回弹模量较大。

图5 CCM和SSCM稳定碎石干缩试验试件失水率

2.4 干缩性能

无机结合料稳定材料的干缩性能主要通过干缩失水率和干缩系数两个指标体现。试件的累计失水率指试件的总失水量占试件干燥恒重的比例；干缩系数为干缩应变与失水率的比值，其值越小表示试件的抗干缩能力越好。CCM和SSCM稳定碎石干缩试验试件累计失水率变化见图5，干缩系数见图6。

图6 水泥和土凝岩稳定碎石试件干缩系数

由图5可知：混合料的失水过程大致可以分为3个阶段：① 1～7 d。这一阶段曲线斜率最大，说明混合料失水最快。由于混合料在前期水分较多时，除了水分蒸发外，混合料中的胶凝材料会发生水化反应，消耗掉一部分水分，所以可以认为水化反应的快慢与反应程度造成了这一阶段曲线的差异。从图中可以看出，这一阶段的累计失水率：j-SSCM > d-SSCM > j-CCM > d-CCM。相同掺量，甚至低掺量下，掺入SSCM的混合料的失水率更大，说明其水化反应速率快，消耗了更多水分；② 8～20 d。这一阶段累计失水率：j-CCM > j-SSCM > d-CCM > d-SSCM。这一阶段，胶凝材料的掺量开始起主导作用，掺量较大的混合料消耗的水分较多。另外需要注意的是，两种掺量下掺入CCM的混合料的耗水量均大于掺SSCM的，这说明尽管CCM的早期水化反应速率较慢，但后期反应速率可能超过了SSCM;③ >20 d。20 d后，失水率整体呈减缓趋势，一方面胶凝材料水化反应速率趋于平缓，另一方面，试件内部空隙随着水化反应过程生成的水化产物不断填补而减小，这一阶段的失水率不断减小，最终趋于平缓。

由图6可知：① 混合料的干缩系数在养护阶段起始位置较小，但随着时间的推移不断增大，且增长速率保持先增大后减小，最后趋于平缓的趋势。试件的干缩系数与胶凝材料的掺量有很大关系；② 当混合料的干缩系数随胶凝材料掺量的增大而增大；当胶凝材料掺量相同时，掺入SSCM的干缩系数较小。说明SSCM具备较好的抗干缩能力。

2.5 温缩性能

半刚性材料中存在固、液、气三相。固相为半刚性材料中的集料与胶凝材料，液相为混合料内部的水分，气相即混合料空隙中的气体。当温度发生改变时，混合料产生体积上的收缩，这种收缩基于三相的共同作用，经研究发现，三相中起主要作用的是固相和液相。该试验采用的4种试件在级配相同的前提下调整胶凝材料掺量，且温缩试验前已将试件烘干，排除了水分对收缩过程的影响，所以该文的温缩变化只从固相上考虑。原材料中不同物质具有不同热变形性，例如C-S-H热胀系数为10×10-6～20×10-6/℃，具有较高的热变形性，而集料的热变形性却较小。

图7为CCM和SSCM稳定碎石试件的温缩系数试验结果。由图7可知：4种稳定碎石的温缩系数均保持先增大、再平稳、后减小的规律。将整个温缩过程分为3个部分：高温区(60～50 ℃)、中温区(40～30 ℃)和常温区(20 ℃)。求出各个温度区间的平均温缩系数，见图8。

图7 CCM和SSCM稳定碎石温缩系数

图8 CCM和SSCM稳定碎石平均温缩系数

结合图7、8可知：高温区试件的温缩系数较小，但保持较大的增长速率；在中温区趋于平缓，达到峰值；低温区内又不断减小。3个温度区间内，4种试件的平均温缩系数基本保持相同的大小规律，即：j-SSCM > d-CCM > d-SSCM > j-CCM。温缩系数为温度应变与温差的比值，其值越小表示材料的抗温缩能力越强。掺量较大的两种胶凝材料稳定碎石表现出两种极端，j-SSCM的平均温缩系数最大，说明其抗温缩能力最弱，而j-CCM正相反，抗温缩能力最强。说明为了获得较好的抗温缩能力，可增大CCM的掺量，减小SSCM的掺量。

2.6 疲劳性能

表3为CCM和SSCM稳定碎石在不同应力水平下的疲劳寿命试验结果。下文对数据具体处理过程及运算过程进行详细描述。

表3 CCM和SSCM稳定碎石疲劳寿命试验结果

Weibull函数和 Weibull 分布是一种概率密度分布函数，可以用来描述材料强度的数据分布。Weibull 密度函数的优点在于其存在最小安全寿命，利用该分布理论，在 99%高存活率范围内所给出的安全寿命仍然符合实际试验结果。根据Weibull 函数，如果失效概率-lnln(1/p)和 lgNi存在良好的线性关系，那么疲劳寿命的试验数据结果就符合 Weibull 分布，并可以根据-lnln(1/p)和 lgNi的关系式计算出一定失效概率(存活率)下的对数疲劳寿命估计值。其中，p

为保证率，可由式(1)计算得出：

(1)

式中：n为同一应力比下平行试件的数量；i为将同一应力比下的疲劳寿命从小到大进行排序后的次序。

对不同应力比下-lnln(1/p)与 lgNi进行线性拟合，得到两者的线性方程，并计算保证率为50%和95%下的疲劳寿命对数值，结果列于表4。

表4 不同保证率下CCM和SSCM稳定碎石的对数疲劳寿命

该文中疲劳方程采用如式(2)所示的单对数疲劳方程。在不同保证率下，对应力水平与 lgNi进行线性拟合，得到两者的线性方程(以保证率为95%为例，拟合结果列于图9)，并计算保证率为50%和95%下的疲劳方程，结果列于表5。

表5 不同保证率下CCM和SSCM稳定碎石疲劳寿命方程

lgN=a+bσ/S

(2)

式中：σ/S为应力水平；a,b为参数。

图9中，拟合曲线的斜率表示试件对应力的敏感程度，斜率越大，试件对应力就越敏感。由图9可知：① 4种试件拟合曲线的斜率很相近，但略有差异，斜率大小排序为：j-CCM > j-SSCM > d-SSCM > d-CCM，结果表明胶凝材料掺量较大的稳定碎石试件对应力水平更敏感，且高掺量SSCM和低掺量CCM试件在应力变化时表现更优异。同一应力水平下，疲劳寿命越大，说明试件的抗疲劳性能越好；② 同一应力水平下，掺SSCM的试件疲劳寿命较小，说明掺SSCM的试件抗疲劳寿命性能较差。

图9 CCM和SSCM稳定碎石疲劳寿命拟合曲线

3 结论

(1) 相同掺量下，SSCM稳定碎石的抗压强度和弯拉强度均优于CCM稳定碎石，且掺量越高，效果越显著。与CCM稳定碎石相比，掺量为3.5%时，SSCM稳定碎石的7 d无侧限抗压强度提高约23.2%，弯拉强度提高约25%；掺量为4%时，抗压强度提高32%，弯拉强度提高27%。

(2) SSCM稳定碎石抗压回弹模量明显高于CCM稳定碎石。与CCM稳定碎石相比，掺量为3.5%时，SSCM稳定碎石的抗压回弹模量提高了37.5%；掺量为4%时，提高了26.8%。

(3) CCM和SSCM稳定碎石的干缩过程相似，大致可分为3个阶段。CCM和SSCM的掺量越大，稳定碎石的抗干缩能力越差；掺量相同时，SSCM稳定碎石具备更好的抗干缩能力。

(4) 对于两种胶凝材料的4种试件，其平均温缩系数具有相似的规律，即：j-SSCM > d-CCM > d-SSCM > j-CCM。说明相同掺量下，SSCM稳定碎石抗温缩能力相对较差，实际工程应用中，为了获得较好抗温缩能力，应合理控制SSCM掺量。

(5) 胶凝材料掺量较大的稳定碎石试件对应力水平更敏感，且高掺量SSCM和低掺量的CCM试件在应力变化时表现更优异。同一应力水平下，掺SSCM的试件抗疲劳寿命性能较差。