半剛性基層材料抗裂性能試驗研究

王 瓊, 莫慧蘭, 洪 亮, 代 杰

(1. 信陽市公路管理局， 河南 信陽 450052; 2. 湖北省路橋集團有限公司， 湖北 武漢 430000;3. 湖北城際鐵路有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430062; 4. 湖北省高速公路實業(yè)開發(fā)有限公司， 湖北 武漢 430051)

一般來說，半剛性基層干縮導(dǎo)致的裂縫或微裂縫發(fā)生在基層鋪筑后、面層鋪筑前。瀝青面層鋪筑后，這些裂縫或微裂縫是路面的薄弱點或面，在低溫或溫度驟然下降的條件下，這些裂縫或微裂縫將擴展，從而形成半剛性瀝青路面的反射裂縫[1～4]。因此，要提高半剛性基層材料的抗裂性能，必須同時提高抗干縮性能和溫縮性能[5～8]。

本文對不同級配和結(jié)合料的半剛性基層材料進行了干縮試驗和溫縮試驗研究。根據(jù)干縮與溫縮導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生時間的不同，確定干縮試驗在試件成型后馬上測試，溫縮試驗在試件養(yǎng)護90d后測試。

1 試驗配合比組成

石灰粉煤灰(簡稱二灰)比例對混合料抗裂性能的影響很大。試驗選擇了五種二灰比例，即石灰∶粉煤灰=1∶2，1∶2.5，1∶3，1∶3.5，1∶4(質(zhì)量比)，進行抗壓強度試驗，并以強度最大值對應(yīng)的二灰比例作為最佳二灰配比。得到二灰比例在1∶2.3左右的7 d抗壓強度最大，因此本研究采用石灰∶粉煤灰=1∶2.3(質(zhì)量比)，由內(nèi)插法得到其最大干密度為1.25 g/cm3，最佳含水量為27.8%。按富勒(Fuller)的最大干密度曲線公式，得到的初定級配見表1所示。

表1 砂礫初定級配

表2 六種集料級配 (%)

以初級配為基準(zhǔn)級配W-1，細(xì)集料采用逐級替代，得到六種砂礫級配見表2，研究細(xì)集料級配對半剛性基層材料抗裂性能的影響。根據(jù)級配理論，針對平頂山地區(qū)原材料，可得二灰的合理填充量。

為了研究不同結(jié)合料對半剛性基層材料性能的影響，進行了不同結(jié)合料的半剛性基層材料力學(xué)性能試驗，結(jié)合料類型如表3所示。

通過摻加纖維可以提高半剛性基層材料的抗裂性能，為了分析纖維的摻量、截面形狀、界面粗糙度對抗裂性能的影響，還進行了摻加纖維帶和纖維網(wǎng)的試驗，如表4所示。

表3 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫代號

表4 添加復(fù)合材料的三灰砂礫代號

2 干燥收縮性能試驗

2.1 不同細(xì)集料級配二灰砂礫的干燥收縮試驗

不同細(xì)集料級配二灰砂礫的干燥收縮試驗結(jié)果見圖1、圖2所示。其間溫度在24℃～29℃之間，相對濕度在39%～65%之間。

圖1 不同細(xì)集料級配二灰砂礫干縮應(yīng)變與時間關(guān)系

圖2 不同細(xì)集料級配二灰砂礫干燥失水量與時間關(guān)系

由圖1、圖2可知，在自然條件下，試件成型后其失水率最大，但對應(yīng)的收縮應(yīng)變卻不太大。特別是成型后24 h內(nèi)的失水量占總失水量的一半以上，但是所對應(yīng)的收縮應(yīng)變還不到總應(yīng)變的35%，平均在20%左右。以W-1為例，成型后24 h內(nèi)的失水量占總失水量的76.8%，而對應(yīng)的干縮應(yīng)變占總應(yīng)變量的28%。試驗結(jié)果表明半剛性基層材料的干燥收縮具有滯后性。

2.2 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的干燥收縮試驗

不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的干縮試驗結(jié)果見圖3、圖4，其間溫度在24℃～31℃之間，相對濕度在41%～55%之間。

圖3 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫干縮應(yīng)變與時間關(guān)系

圖4 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫干燥失水量與時間關(guān)系

由圖3、圖4可知，與不同細(xì)集料級配二灰砂礫的干縮試驗結(jié)果相似，不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫在自然條件下，試件成型后失水量最大，但對應(yīng)的收縮應(yīng)變卻不太大。成型后24 h內(nèi)失水占總失水量的一半以上，但對應(yīng)的干縮應(yīng)變不到總應(yīng)變的30%。以J-2為例，J-2試件在成型后24 h內(nèi)的失水量占總失水量的72.6%，對應(yīng)的干縮應(yīng)變占總應(yīng)變量的10.4%；J-2試件在48 h內(nèi)的失水量占總失水量的90.9%，對應(yīng)的干縮應(yīng)變占總應(yīng)變量的39.0%。試驗結(jié)果再次說明半剛性基層材料干燥收縮具有滯后性。

2.3 復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的干燥收縮試驗結(jié)果及分析

摻加纖維三灰砂礫的干燥收縮試驗結(jié)果見圖5、圖6，其間溫度在15℃～19℃之間，相對濕度在78%～94%之間。

從圖5、圖6可知，在溫度較低、濕度較大條件下(相對上面不同細(xì)集料級配三灰砂礫和不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的測試溫度與濕度)，半剛性基層材料的干燥失水、干燥收縮比較緩慢，但還是前期失水量大、對應(yīng)的干縮變形卻不太大。以J-2為例，在0～168 h內(nèi)失水量占總失水量的71.4%，對應(yīng)的應(yīng)變占總應(yīng)變的26.1%，相當(dāng)于溫度較高、濕度較小下一天的失水量和應(yīng)變；而在336 h后其失水量只占總失水量的9.5%，但對應(yīng)的應(yīng)變卻占總應(yīng)變的36.4%。

圖5 復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫干縮應(yīng)變與時間關(guān)系

圖6 復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫干燥失水量與時間關(guān)系

為了全面了解半剛性基層材料失水全過程的干縮規(guī)律，分析了在不同時間內(nèi)的干縮系數(shù)，結(jié)果見圖7所示。

由圖7可見，半剛性基層材料干縮系數(shù)-時間曲線近似呈波浪式變化，在前1、2天內(nèi)的干縮系數(shù)達到峰值，而后干縮系數(shù)逐漸變小，到5～7天內(nèi)干縮系數(shù)最小，而后又緩緩增大，而且變化趨勢基本相同。前期(7天前)規(guī)范級配的三灰砂礫(GF)干縮系數(shù)最大，最佳級配的三灰砂礫的干縮系數(shù)(J-2)比規(guī)范級配小的多；在三灰砂礫中添加纖維后前幾天干縮系數(shù)比不加纖維三灰砂礫大，而后比不加纖維三灰砂礫小，而且添加纖維絲三灰砂礫(J-2-3)的干縮系數(shù)比添加纖維帶(J-2-Ⅲ)的大；這是因為纖維很細(xì)，三灰砂礫添加纖維后，由于三灰砂礫還未與纖維很好的粘結(jié)成整體，導(dǎo)致纖維阻止三灰砂礫的收縮小于其整體性遭破壞而產(chǎn)生的收縮。

圖7 復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的干燥系數(shù)與時間關(guān)系

不同細(xì)集料級配三灰砂礫一天內(nèi)平均干縮系數(shù)(即一天內(nèi)的失水量占總失水量的70%左右)、總的平均干縮系數(shù)見表5；不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫一天內(nèi)平均干縮系數(shù)(即一天內(nèi)的失水量占總失水量的70%左右)、總的平均干縮系數(shù)見表6；摻加纖維及規(guī)范級配三灰砂礫的7天內(nèi)干縮系數(shù)(即一周內(nèi)的失水量占總失水量的70%左右)、總的平均干縮系數(shù)見表7所示。

表5 不同細(xì)集料級配三灰砂礫的平均干縮系數(shù)

表6 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫平均干燥收縮系數(shù)

表7 復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫平均干燥收縮系數(shù)

由表5可知，二灰砂礫的干縮性能并不是細(xì)集料越細(xì)越差，而是存在一個較佳細(xì)集料級配，在此級配下的干縮性能較好。如從W-1到W-6，其級配逐漸變粗，即2.36 mm篩孔通過率從30%(W-1)一直到2.36 mm通過率為0%(W-6)，但并不是W-6的干縮系數(shù)最小，而是W-2～W-4的干縮系數(shù)較小。

由材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)評定不同細(xì)集料級配三灰砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：W-4>W-2>W-6>W-3>W-1>W-5；若以總的平均干縮系數(shù)來評定不同細(xì)集料級配三灰砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：W-2>W-5>W-3>W-6>W-1>W-4。兩個不同干縮性能優(yōu)劣順序結(jié)果表明，用何段時間內(nèi)干縮系數(shù)來評定半剛性基層材料抗干縮性能優(yōu)劣，顯得非常關(guān)鍵，否則可能得到相反的結(jié)果，如用總的平均干縮系數(shù)評定，W-4的抗干縮性能最差，而若以材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)評定，W-4的抗干縮性能最佳，結(jié)合工程實際，評定半剛性基層材料的抗干縮性能必須以材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)來衡量，得到W-2～W-4的抗干縮性能較佳。

由表6可知，相同的水泥或石灰用量條件下二灰砂礫的干縮性能(J-1)優(yōu)于水泥穩(wěn)定砂礫(J-5)，這是因為水泥穩(wěn)定類化學(xué)反應(yīng)較快，大量水分消耗于該化學(xué)反應(yīng)中，同時其應(yīng)變除了由于水分減少而發(fā)生干燥收縮外，還包括水泥的化學(xué)收縮；其次，水泥用量越大，抗干縮性能越差，如J-5的水泥用量為6%，J-6的水泥用量為5%，J-5的干縮系數(shù)比J-6大得多；再者，合理配比的三灰砂礫抗干縮性能最佳，如J-2,但是三灰砂礫的配比對干縮性能影響很大，如J-4的干縮系數(shù)最大。

由材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)評定不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2>J-6>J-3>J-1>J-5>J-4。由此得到J-2的抗干縮性能最佳，即水泥∶石灰∶粉煤灰∶砂礫=1.5∶4.5∶14∶80(質(zhì)量比)配比的抗干縮性能最佳。

由表7可知，用材料失水量占總失水量70%左右的平均干縮系數(shù)評定摻加纖維三灰砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2-Ⅲ>J-2>J-2-3>GF。說明設(shè)計的最佳級配三灰砂礫的干縮性能優(yōu)于規(guī)范中三灰砂礫，添加纖維帶三灰砂礫(J-2-Ⅲ)的干縮性能優(yōu)于不加纖維三灰砂礫，添加纖維絲三灰砂礫(J-2-3)的干縮性能卻不如不加纖維的三灰砂礫。

3 溫度收縮性能試驗

3.1 不同細(xì)集料級配三灰砂礫溫度收縮試驗結(jié)果及分析

在干縮試驗的基礎(chǔ)上，取干縮性能較好的W-2級配、W-3級配和W-4級配進行溫度收縮試驗，試驗結(jié)果見圖8所示。

圖8 不同細(xì)集料級配三灰砂礫溫縮結(jié)果

從圖8可知，不同細(xì)集料二灰砂礫的溫度收縮系數(shù)曲線在試驗溫度區(qū)間(-20℃～30℃)內(nèi)表現(xiàn)出隨溫度升高而變緩，而且它們的變化趨勢基本相同。在0℃～10℃之間溫縮系數(shù)達到最小，在0℃～-10℃最大，說明半剛性基層在寒冷的冬天易發(fā)生溫度收縮裂縫；以0℃～-10℃之間的溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：W-2>W-3>W-4，這與用低溫段平均溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能相同。

隨溫度的下降，二灰砂礫的毛細(xì)管中彎曲液面內(nèi)外壓力差和彎曲液面表面張力增大，當(dāng)這種作用力超過毛細(xì)管壁顆粒內(nèi)部的連接力時，使溫縮系數(shù)增大。在高溫區(qū)彎曲液面內(nèi)外壓力差和液面表面張力較小，所以隨溫度下降，溫縮系數(shù)變小，在0℃～10℃之間部分重力水和自由水(自由水冰點一般在4℃左右)開始結(jié)冰膨脹，抵消了部分收縮變形，但由于這部分水含量極少，所以冰凍作用不明顯，表現(xiàn)在圖上為溫縮系數(shù)變小，并達到最小值；但溫度低于0℃后，毛細(xì)管張力有可能大于顆粒的連接力，使溫縮系數(shù)變大。溫度低于-10℃后，溫縮系數(shù)變化不大，甚至有減小的趨勢，這可能是因為毛細(xì)管中水的冰點一般在-10℃～-20℃左右，當(dāng)溫度達到該區(qū)間時，大部分空隙水積聚凍結(jié)，使整體體積發(fā)生膨脹，從而表現(xiàn)為溫縮系數(shù)在該區(qū)間內(nèi)變小。

3.2不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的溫度收縮試驗結(jié)果及分析

不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的溫度收縮試驗結(jié)果見圖9所示。

圖9 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的溫縮試驗結(jié)果

從圖9可知，不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的溫縮系數(shù)在試驗溫度區(qū)間(40℃-～20℃)內(nèi)，隨溫度降低而出現(xiàn)峰值，而且它們的變化趨勢也基本相同。在0℃～10℃之間溫縮系數(shù)達到最小，0℃～-10℃的最大，說明半剛性基層在寒冷的冬天易發(fā)生溫度收縮裂縫；用0℃～-10℃之間的溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2>J-3>J-1>J-4>J-5>J-6，這與用低溫段平均溫縮系數(shù)評定結(jié)果基本相同。

低溫段三灰砂礫(如J-2、J-3、J-4)的溫縮性能優(yōu)于水泥粉煤灰砂礫(J-5、J-6)，同時，水泥用量合理的三灰砂礫(如J-2)的溫縮性能最佳，但隨著三灰砂礫中水泥用量的增加，其溫縮系數(shù)逐漸增大。其中水泥用量合理的三灰砂礫(J-2)在0℃～-10℃的溫縮系數(shù)只有水泥穩(wěn)定砂礫(J-6)的61.5%。

圖10 復(fù)合材料和規(guī)范級配的溫縮試驗結(jié)果

3.3 復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的溫度收縮試驗結(jié)果及分析

從不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的溫度收縮試驗結(jié)果可知，低溫段的溫度收縮系數(shù)較大。為了更準(zhǔn)確地判斷溫度收縮系數(shù)最大的溫度區(qū)間，在復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的溫度收縮試驗中進行溫度調(diào)整，具體調(diào)整及試驗結(jié)果見圖10。

從圖10可知，復(fù)合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的溫縮系數(shù)在試驗溫度區(qū)間(25℃～-25℃)內(nèi)，也隨溫度降低而出現(xiàn)峰值，而且它們的變化趨勢也基本相同。在15℃～5℃之間溫縮系數(shù)達到最小，5℃～-5℃的最大，說明半剛性基層在寒冷的冬天易發(fā)生溫度收縮裂縫，用5℃～-5℃或低溫段的平均溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2-Ⅲ>J-2-3>W-1>GF。

試驗結(jié)果表明，添加纖維可使三灰砂礫抗溫度收縮性能得到很大的提高，添加纖維絲三灰砂礫(J-2-3)的低溫段平均溫縮系數(shù)只有不加纖維(W-1)的56.6%，添加纖維帶三灰砂礫(J-2-Ⅲ)的低溫段平均溫縮系數(shù)只有不加纖維(W-1)的51.1%。

結(jié)合上面的溫度收縮試驗結(jié)果，可以判斷在0～-10℃之間溫度收縮系數(shù)最大，即在0～-10℃之間半剛性基層材料最易產(chǎn)生溫度收縮裂縫；材料抗溫縮性能的優(yōu)劣應(yīng)該用低溫段的平均溫縮系數(shù)或0～-10℃之間的溫縮系數(shù)來評價。

4 結(jié) 論

(1) 細(xì)集料級配對二灰砂礫的抗裂性能有顯著影響。二灰砂礫的抗干縮、溫縮性能并不是細(xì)集料越細(xì)而越差，而是存在一個較佳細(xì)集料級配，在此級配下的抗干縮、溫縮性能較好。

(2)二灰砂礫的抗干縮性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定砂礫，合理配比三灰砂礫的抗干縮性能最優(yōu)。

(3) 半剛性基層材料的抗干縮性能應(yīng)以在夏季溫度較高、濕度較小的最不利條件下基層成型后一天內(nèi)的平均干縮系數(shù)來評價。

(4) 半剛性基層材料的溫度收縮系數(shù)在試驗溫度區(qū)間(40℃～-20℃)內(nèi)，隨溫度降低而出現(xiàn)峰值，而且它們的變化趨勢基本相同。在0℃～10℃之間溫縮系數(shù)達到最小，在0℃～-10℃最大；材料抗溫縮性能的優(yōu)劣應(yīng)該用低溫段的平均溫縮系數(shù)或0～-10℃之間的溫縮系數(shù)來評價。

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