低剂量抗裂水稳基层力学性能试验分析

郭东红

（山西交控数字交通科技有限公司，山西 太原 030000）

引言

缩裂是半刚性基层的通病，在温度和湿度发生变化时产生开裂，进而造成面层结构的破坏。采用低剂量（2%～4%）水泥稳定类基层，可有效减少缩裂，提高基层的稳定性[1]。为了更全面地研究低剂量水稳基层材料的力学性能，选取水泥剂量为2%、3%、4%三种类型的基层材料，测试其无侧限抗压强度弯拉强度和弹性模量等指标，并建立试验段，检测基层的回弹模量和弯沉值，分析低剂量水泥稳定类基层各方面力学性能是否符合要求。

1 低剂量水稳碎石基层力学参数试验

1.1 无侧限抗压强度试验结果分析

无侧限抗压强度作为水稳碎石类基层的重要物理力学指标，可以反映基层材料抵抗压应力作用的能力[2]，选取水泥剂量为2%、3%、4%三种类型的基层材料进行7 d 无侧限抗压强度试验。结合《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中的相关规定制作试件，6 d 标准条件养生后，浸水1 d，测试7 d 无侧限抗压强度值，试验结果见表1。

表1 不同剂量7 d 无侧限抗压强度试验结果

随水泥剂量的增加，水稳碎石基层的7 d 无侧限抗压强度不断提高，且增长速度有所提高。当水泥剂量为2%时，由于水泥含量较低，水泥水化产物少，在碎石中的胶结作用不显著，基层材料的强度也较小，此时的水稳碎石基层在力学性质上更接近于级配碎石。但随着水泥剂量的增加，水泥的胶结作用不断显现出来，强度和整体稳定性也不断提高。

1.2 弯拉强度试验结果分析

在车辆荷载作用下，沥青路面基层材料承受弯拉作用[3]。《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中规定，通过检测基层材料的弯拉强度指标对抗拉性能进行评价。弯拉强度试验所选取的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，标准条件下养生90 d，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中的相关规定对基层材料的弯拉强度进行测定，试验结果见表2。

表2 不同剂量90 d 弯拉强度试验结果

分析表2 数据可知，随着水泥剂量的增加，水稳碎石基层弯拉强度不断增加，且水泥剂量由2%增加到3%时，弯拉强度增长幅度较大。结合《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中对水稳基层材料的相关规定，弯拉强度与路面结构疲劳寿命相关。水稳基层材料的弯拉强度越大，路面结构的疲劳寿命越长。当弯拉强度值处于1.5 ～2.0 MPa 时，说明水泥稳定碎石基层材料级配良好，整体性能好；当弯拉强度值处于0.9 ～1.5 MPa 时，说明水泥稳定碎石基层材料级配和整体性能相对较差。低剂量水稳碎石基层基层材料的弯拉强度检测值均位于0.9 ～1.5 MPa，在设计与施工应适当增加基层结构厚度。

1.3 弹性模量试验结果分析

弹性模量是水泥稳定基层材料的重要力学性能参数，可以反映荷载作用下基层的变形特性[4]。《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中规定了采用弹性模量中间段试验方法作为水稳基层材料弹性模量的检验方法，按照此方法进行试验并绘制不同水泥剂量弹性模量的变化曲线，试验结果见表3。

表3 不同剂量90 d 单轴压缩模量试验结果

分析表3 数据可以得出，水稳碎石基层材料的弹性模量随水泥剂量的增加而增加，且增加幅度较大。弹性模量越大，水稳碎石基层材料在荷载作用下所产生的变形越小。弹性模量不是越大越好，虽然基层结构的变形变小，但路面结构所承受的拉应力会显著增加，容易造成沥青面层剪切破坏。

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中虽没有对水稳基层材料的弹性模量标准值做出规定，但给出了两个范围：14 000 ～20 000 MPa 和20 000 ～28 000 MPa。水泥剂量为4%的水泥稳定碎石基层材料的弹性模量为16 345 MPa，在14 000 ～20 000 MPa范围内，但水泥剂量为2%、3%的水泥稳定碎石基层材料的弹性模量不在这两个范围内。

2 试验路段检测结果分析

2.1 依托项目概况

山西省内某道路改造工程，全长10.789 km。公路建设等级为二级，K3+293—K4+130 段、K4+560—K14+081.933 段路基宽10 m，路面宽8.5 m；设计速度60 km/h。路面基层采用低剂量抗裂水泥稳定基层，设计厚度为34 cm，基层厚度为16 cm，底基层厚度为18 cm。施工中建立试验段，分别铺筑100 m 水泥剂量为2%、3%和4%低剂量抗裂水稳碎石基层，养生后通过试验确定基层的弯沉值和成型情况。

2.2 现场取芯检测

在基层养生10 d 后进行现场钻芯取样，查看基层结构的成型情况。在水泥剂量为2%、3%和4%的低剂量水稳碎石基层上取芯10 个，取芯后发现水泥剂量为2%的水稳碎石基层成型质量较差，大部分开裂，基本没有取出完整的芯样。水泥剂量为3%的水稳碎石基层成型较好，可以取出完整的芯样。水泥剂量为4%的水稳碎石基层成型质量最好，芯样完整，具有良好的抗裂性能。通过现场取芯，可以得出水泥剂量越高，基层成型质量越好，强度越高。

试验路段完工1 a后，再次对水泥剂量为2%、3%、4%的水稳碎石基层钻芯取样，均能取出完整芯样，说明低剂量水稳碎石基层完整性良好，可以满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）要求。

2.3 弯沉试验

试验段对三种剂量的基层进行承载板试验和弯沉试验，测得回弹模量和弯沉值见表4、表5。

表4 承载板试验结果

表5 弯沉试验结果

通过分析表4 和表5 数据得出：（1）随着水泥剂量的增加，基层顶面回弹模量随之变大；（2）随水泥剂量的增大，弯沉值不断下降。试验结果表明，水泥剂量为4%的基层平均回弹模量约为2%时的3倍，说明随水泥剂量提高，基层的抗变形性能显著提高。

2.4 路面弯沉检测

采用落锤式弯沉仪（FWD）在不中断的情况下进行检测。通过试验确定各路面结构层的回弹模量，并计算路表弯沉值。选取试验路段完工后30 d、108 d和250 d 的路段检测路表弯沉值，试验结果见表6 和表7。

分析表6 和表7 数据可知：（1）完工后30 d，水泥剂量为2%的水稳碎石基层路表弯沉值较大，基层回弹模量较小，水泥剂量为4%最大，3%居中，说明随水泥剂量的增加，路表弯沉值不断变小，基层回弹模量不断增加。（2）完工后250 d，路表弯沉值相近，水泥剂量为2%和3%的基层顶面回弹模量相近，水泥剂量为4%最大。

表6 试验段路表弯沉值（FWD）检测结果

表7 基层回弹模量计算值/MPa

3 结语

（1）随着水泥剂量的增加，基层无侧限抗压强度、弯拉强度、弹性模量随之增加，工程设计中适当增加基层厚度以提高力学性能。（2）对7 d 龄期的基层在试验路段钻芯取样进行观察，水泥剂量为2%的基层成型质量较差，但竣工1 a 后钻芯取样均能取出完整的芯样，说明低剂量抗裂水稳基层强度和整体稳定性良好。（3）采用FWD 法对完工后路表弯沉值进行检测，检测结果表明不同水泥剂量路面弯沉值和基层回弹模量存在较大差异，且随着水泥剂量的增加，路表弯沉值不断变小，基层回弹模量不断增加。