蒸发作用下水稳基层早期水分分布试验研究

王召强 高俊启 刘 鹏

(青岛市市政工程设计研究院有限责任公司1) 青岛 266101) (南京航空航天大学民航学院2) 南京 210016)

0 引 言

水泥稳定基层是公路工程领域的一种典型的半刚性基层[1].水稳基层在铺筑成型后具有抗冲刷性好、抗压强度高、水稳定性好等优点.但是,在实际施工过程中,处于早期阶段的水稳基层极易受到气温和水汽的影响,导致其内部温湿度呈现梯度分布的现象,会影响水稳基层形成强度,产生早期干缩裂缝.高翔等[2]认为湿度梯度是导致水泥混凝土路面板早期破坏的重要因素.张静等[3]针对水泥稳定碎石早期微裂现象的研究,结果表明:水泥稳定碎石的干缩应变主要在养护初期形成,在1～3 d内增长最快,微裂时间选择在养生期第二天时,对早期干缩应变最有利,微裂程度40%时,早期干缩应变降低最多.庄少勤等[4]通过对水泥稳定碎石进行干缩试验,发现水泥稳定碎石的干缩率随干燥时间的延长而增大.张鹏等[5]研究了28 d养护龄期内的聚丙烯纤维和水泥稳定碎石的干缩特性,发现水泥稳定碎石的平均干缩系数随试验龄期的增长而减小.在试件成型的最初7 d内,平均干缩系数随龄期急剧减小,当龄期超过7 d后,平均干缩系数随龄期增长较慢.Kodikara等[6]采用各向同性非线性理论分析水泥稳定路面材料干燥过程中的水分流失,研究表明,随着干燥时间的增加,水分损失率逐渐降低,最终趋于环境湿度值.对干燥过程中水分损失的建模是在路面设计阶段预测潜在收缩裂缝的前提.Chakrabarti等[7]对掺入不同胶凝材料的玄武岩碎石进行了干缩试验和吸水试验,研究发现,在早期试件干缩变化明显,几乎所有试件在21 d后收缩趋于稳定;随着粘结剂含量的增加,试件的吸水率和毛细上升速率减小.杨三强等[8]分析了新疆干旱荒漠区水泥稳定砂砾基层干缩、温缩的特性,研究发现水泥剂量越大,干缩应变就越大,当失水率达到2.4%时,干缩应变增长变缓.由此可见,湿度变化是水稳基层早期干缩开裂的根本原因.

水泥稳定基层材料中的水分很难通过简单的物理手段对材料进行内部水分含量的测量.目前主流的方法有破损检测和无损检测两种形式.破损检测方法就是传统的钻孔称重法[9].而无损检测主要有电学方法、核磁共振法[10]和射线衰减技术法[11]等.高原等[12]对C30和C80两个强度等级的混凝土进行了干湿交替试验,测量混凝土不同深度处的相对湿度随时间的发展规律.结果表明:在覆膜养护期间,混凝土先经历一段时间的湿度饱和期,然后进入湿度下降期,当进入干湿交替过程后,只有距表层一定范围内的相对湿度发生变化,大于此深度的混凝土相对湿度基本保持不变.张翛等[13-14]采用Sensirion SHT15型温湿度传感器测量了3个不同水灰比的水泥混凝土试件在不同养生条件下2 cm和4 cm深度处的湿度随时间变化的关系,分析了早龄期水泥混凝土路面板在外部干燥和自干燥作用下的水分迁移机理.王丽娟等[15]基于早龄期水泥路面板内部湿度的室外监测,发现在铺筑完成后,水泥混凝土路面板内湿度场存在湿度饱和、降低和波动三个阶段,这三个阶段所处的时刻和幅值取决于边界条件和自然环境条件.

综上,针对水泥稳定材料内部水分变化的研究,大都集中在试件整体水分质量的变化以及干缩、温缩试验,很少有关注水泥稳定材料在早期成型过程中的内部水分分布及其蒸发规律.基于此,文中针对水稳基层早期内部水分分布不均匀的现象,利用基于Arduino开发板的温湿度传感系统,设计了室内蒸发试验,探究蒸发作用下水稳基层早期内部水分的分布及蒸发规律.

1 试验设计

1.1 试验材料

选用四种不同类型不同粗细程度的集料进行试验,分别为细粒土、粗粒土、细砂和粗砂(见图1),细粒土、粗粒土级配见表1,细砂和粗砂级配见表2.将细砂和粗砂取样筛分处理后,测得细砂样品的细度模数为1.33,粗砂的细度模数为3.23.水泥选用海螺牌普通硅酸盐水泥.四种试件配比见表3.

图1 四种集料样品

表1 土样级配

表2 砂级配

表3 配比及试验方案

1.2 试验系统

试验系统由试验筒、具有温控功能的加热装置、SHT30温湿度传感器、Arduino开发板和集成开发环境组成.其中,试验筒直径200 mm,高度200 mm;SHT30传感器分别埋设在距试件表面2,7,12和17 cm处,并通过杜邦线与具有控制程序的Arduino开发板相连.为保证水分只能从材料表面散失,除试验筒底部用防渗盖密封外,四周将采用隔热铝膜进行绝热.试验系统见图2.

图2 试验系统

1.3 试验方案

试验按集料类型分为4组,每组常温(20℃)和高温(60℃)各2个试件,见表3.所有试件均按照JTG-TF20—2015《公路路面基层施工技术细则》中的标准进行压实.在压实过程中,分层布设传感器,并从下至上依次分层压实.设置SHT30传感器的波特率为9 600,传感器读数间隔为1 h.持续监测7 d,并及时记录试验数据.制作完成的试件见图3.

图3 试件

2 结果分析与讨论

2.1 水泥稳定土内部湿度变化规律

图4为在表面60℃加热状态下水泥稳定细砂和粗砂的内部湿度变化情况.由图4可知:7d后的水泥稳定材料内部湿度呈梯度分布,在距表面2 cm处,水泥稳定细砂和水泥稳定粗砂内部湿度分别降低了53.27%和58.98%.在距表面7 cm处分别降低了31.14%和41.62%.距表面越远,湿度下降越缓慢,下降的值也越小.在距表面12和17 cm处两种材料内部湿度下降值在3%～8%.两种材料在距表面12 cm左右的湿度基本不受外界环境的影响,图5为四种材料7 d后各层湿度变化情况.由图5可知:曲线在7～12 cm处存在一个拐点,因此在距表面7～12 cm处存在一个临界的界面,在该界面以上,材料内部湿度受外界影响较为明显,在该界面以下,材料内部湿度受外界环境的影响较小.这与文献[12]对混凝土的研究结果类似.混凝土在经过干湿交替过程后,只有距表层一定范围内的相对湿度发生变化,大于此深度的混凝土的相对湿度保持不变.水泥稳定细粒土和水泥稳定粗粒土的水分变化规律也具有这样的特点.

图4 60℃下水稳细、粗砂内部湿度变化

图5 四种材料7 d后各层湿度变化

2.2 温度对水泥稳定材料水分变化的影响

图6为水泥稳定细粒土和粗粒土在不同温度条件下距表面2,7,12和17 cm处的湿度变化图.由图6可知:在初始状态下水泥稳定细粒土和粗粒土的内部湿度相差不大.当表面加热一段时间后,在同一时刻同一深度处,20℃下的水泥稳定细砂的相对湿度总比60℃下的相对湿度高.7 d后60℃下的水泥稳定细粒土距表面2,7,12和17 cm处的相对湿度分别比20℃时低73.21%、48.04%、5.98%和2.13%.7 d后60℃下的水泥稳定粗粒土距表面2,7,12和17 cm处的相对湿度分别比20℃时低71.18%、57.96%、4.74%和0.78%.这表明表面温度变化对水泥稳定材料7cm内的湿度影响较大,且温度越高,水泥稳定材料表层湿度下降越快.分别比较水泥稳定细粒土和粗粒土试件在表面20℃和60℃加热条件下168 h后的湿度下降值,发现不同温度下距表面12和17 cm处168 h后的湿度差不超过6%.因此温度变化对水泥稳定材料距表面12 cm以下部分的影响较小.

图6 水稳细、粗粒土内部湿度变化

2.3 集料类型对水泥稳定材料水分迁移的影响

图7为20℃下四种水泥稳定材料内部距表面2,7,12和17 cm处的湿度变化曲线.由图7可知:水泥稳定细粒土、水泥稳定粗粒土的初始湿度较水泥稳定细砂和粗砂低3%～4%.在20℃的温度下,距表层2 cm处的水泥稳定粗砂、水泥稳定细砂、水泥稳定细粒土、水泥稳定粗粒土在初始24 h内的相对湿度分别下降了6.5%、3.5%、1.0%和0.8%.相同温度条件下,距表层7 cm处的相对湿度在24 h内分别下降了1.9%、1.8%、0.7%和0.2%.可见四种材料湿度下降速度由快到慢依次为水泥稳定粗砂、水泥稳定细砂、水泥稳定细粒土、水泥稳定粗粒土.60℃下的四种材料内部湿度下降速度由快到慢的顺序也相同.这与材料内部毛细孔大小以及孔隙分布有一定的关系.造成水泥稳定砂类水分蒸发比水泥稳定土类快的原因主要与集料粒径有关,细粒土的粒径远小于砂粒粒径,因此相同水泥含量的水泥稳定细粒土内部孔隙远小于水泥稳定砂,当水分从表面散失时,毛细孔中的水分最先散失,毛细孔孔径大于5 μm时,由弯液面附加应力引起的液面上饱和水蒸气压力的改变可以忽略,此时毛细孔内的液面为平面液面.而毛细管半径小于1 μm时,弯曲液面对饱和水蒸气压力的影响逐渐增大,毛细管内的水分很难蒸发出去.

图7 距表面2、7、12、12 cm四种材料湿度变化

3 结 论

1) 早期阶段水稳基层内部存在湿度梯度.在表面60℃加热168 h,水泥稳定粗砂距表层2 cm处湿度下降约59%,且距离表面越远,湿度下降越慢,距表面12 cm以下部分湿度下降仅为3%～8%,基本没有太大的变化.在距表面7～12 cm内存在一个过渡界面,在该界面以上,材料内部湿度下降明显,在该界面以下,材料内部湿度基本保持不变.其他水泥稳定材料内部湿度变化规律也和水泥稳定粗砂一致.

2) 在表面加热20℃和60℃的条件下,距表面7 cm内的水泥稳定土内部湿度均随温度的上升而下降.水泥稳定材料浅表层的水分在初期的蒸发速度对温度较为敏感.环境温度越高,蒸发速度越快.温度对水泥稳定土内部湿度的影响处于表面12 cm以上,在距表面12 cm以下部分,材料内部湿度几乎不受环境温度的影响.

3) 在表面加热条件下,四种材料按内部湿度下降速度由快到慢依次为水泥稳定粗砂、水泥稳定细砂、水泥稳定细粒土、水泥稳定粗粒土.这与材料内部毛细孔大小及孔隙分布有一定的关系.细粒土的粒径小于砂粒粒径,相同水泥含量的水泥稳定细粒土内部孔隙小于水泥稳定砂,因此水泥稳定砂的蒸发速度大于水泥稳定细粒土.