微裂水泥穩(wěn)定碎石基層材料抗凍性能研究

樊旺生

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 微裂技術(shù)的概念及原理

1.1 微裂技術(shù)

微裂技術(shù)是指水穩(wěn)基層在剛開始養(yǎng)生的1～3 d內(nèi)，通過振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，使基層出現(xiàn)可見的細(xì)微網(wǎng)狀裂縫，通過微裂網(wǎng)絡(luò)吸收材料的干縮或溫縮應(yīng)力，避免水穩(wěn)基層出現(xiàn)長寬裂縫。材料在微裂技術(shù)處理后形成較小間距的細(xì)微裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而阻斷了長寬裂縫的發(fā)展路徑，隨著材料在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的反應(yīng)，生成的物質(zhì)逐漸填充裂縫，宏觀上形成材料的自愈現(xiàn)象，同時(shí)也保障了水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度和承載力。根據(jù)水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度形成及微裂技術(shù)的原理可知，微裂水穩(wěn)碎石基層的強(qiáng)度形成及自愈合過程是較為復(fù)雜的過程。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石基層微裂機(jī)理

水穩(wěn)碎石基層在采用微裂技術(shù)處理后，在小間距內(nèi)形成的細(xì)微裂縫網(wǎng)絡(luò)，使半剛性材料的早期收縮應(yīng)力得以釋放，避免出現(xiàn)長且寬的裂縫。由于水穩(wěn)碎石材料的微裂往往在養(yǎng)護(hù)的早期階段開展，裂縫周邊的材料仍會(huì)繼續(xù)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，形成宏觀上的裂縫自愈效果，基層強(qiáng)度隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行而提升，保證了基層的整體板結(jié)性和承載力不受前期微裂處理的影響。

1.3 微裂技術(shù)主要影響因素

(1)結(jié)構(gòu)類型。水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)隨著集料類型、級(jí)配等的變化而改變，材料的力學(xué)性能也隨之變化。研究表明，由于水穩(wěn)碎石微裂縫往往發(fā)生在膠結(jié)料與集料的結(jié)合處，不同的結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)了不同的比表面積和接合面狀況，當(dāng)集料受到上部振動(dòng)壓路機(jī)作用時(shí)，集料與膠結(jié)料的接觸面破壞情況有所差別，導(dǎo)致微裂效果、裂縫愈合情況也不同。

(2)水泥劑量。水泥是水穩(wěn)碎石材料的主要成分，對(duì)材料的強(qiáng)度形成有關(guān)鍵影響。水泥劑量對(duì)于混合料早期水化反應(yīng)的進(jìn)行和初期強(qiáng)度形成有決定性影響，劑量過大會(huì)導(dǎo)致水化作用劇烈，大量熱量集中釋放，導(dǎo)致材料過早出現(xiàn)裂縫。合適的水泥劑量能夠保證水化反應(yīng)在材料的養(yǎng)護(hù)期內(nèi)持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)微裂技術(shù)的開展也是在混合料養(yǎng)護(hù)的初期，水泥劑量對(duì)材料的微裂效果有影響。

(3)微裂實(shí)施時(shí)間。在水泥穩(wěn)定碎石材料養(yǎng)護(hù)的初期，材料強(qiáng)度形成速度較快，導(dǎo)致材料收縮特性較為明顯。雖然在養(yǎng)護(hù)初期采取微裂技術(shù)對(duì)最終的強(qiáng)度成長沒有影響，但是由于混合料在初期不同時(shí)間的強(qiáng)度、收縮性差異明顯，導(dǎo)致微裂技術(shù)形成的裂縫狀態(tài)也差別巨大。要獲得最佳的微裂縫網(wǎng)絡(luò)，需要通過試驗(yàn)明確實(shí)施微裂技術(shù)的最佳時(shí)機(jī)。

(4)微裂荷載。國內(nèi)常用于水泥穩(wěn)定碎石微裂技術(shù)的機(jī)械是20～30 t位的振動(dòng)壓路機(jī)。但是不同的壓路機(jī)力學(xué)參數(shù)、作用荷載、壓實(shí)效果等也有差別。對(duì)于微裂技術(shù)而言，碾壓荷載過大，容易導(dǎo)致混合料出現(xiàn)不可控的嚴(yán)重裂縫，造成基層的粗集料及結(jié)構(gòu)破壞，難以滿足基層承載力要求；若荷載過小，則難以形成有效的微裂縫網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不能有效組織材料收縮形成的長寬裂縫。因此，碾壓荷載也是保證微裂技術(shù)效果、混合料最終強(qiáng)度及耐久性的因素。

2 依托工程與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

以某國道改造項(xiàng)目為工程依托，路面改造的結(jié)構(gòu)為：4 cm AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土+6 cm AC-16中粒式瀝青混凝土+30 cm水泥穩(wěn)定碎石+30 cm石灰土。采用SH系列智能數(shù)字測(cè)溫儀對(duì)凍融期內(nèi)的基層溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，時(shí)間從當(dāng)年10月13日至次年4月11日，測(cè)溫間隔為5 d。將溫度傳感器進(jìn)行防水處理后，埋設(shè)在基層的上部和下部，如圖1所示。

圖1 傳感器埋設(shè)位置

圖2 基層上下部溫度曲線

最終得到的基層上部下部的溫度變化曲線如圖2所示。本次試驗(yàn)路處于凍深淺的輕凍區(qū)，因此主要考慮基層頂部的凍融情況。根據(jù)圖2的溫度測(cè)量結(jié)果可知，水穩(wěn)碎石基層共經(jīng)歷三次凍融循環(huán)，頂面冰凍最低溫度為-11 ℃，由于凍融循環(huán)三次后材料的強(qiáng)度下降損失速率并不明顯，因此室內(nèi)試驗(yàn)選擇五次凍融循環(huán)，冰凍溫度定為最低溫度-11 ℃。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原材料與混合料

(1)水泥。本次試驗(yàn)采用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的主要參數(shù)如表1所示，水泥劑量選擇5%。

表1 試驗(yàn)所用水泥的主要參數(shù)

(2)集料。集料采用石灰?guī)r，要求具備較少的針片狀含量和良好的粒形，確保混合料能夠形成良好的級(jí)配結(jié)構(gòu)。集料的參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 試驗(yàn)所用集料的主要參數(shù)

(3)級(jí)配組成。本次試驗(yàn)水穩(wěn)碎石混合料結(jié)構(gòu)選擇懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，最終確定的集料級(jí)配如表3所示。

表3 級(jí)配組成表

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)方法

室內(nèi)試驗(yàn)采用DZY-09型振動(dòng)壓實(shí)儀進(jìn)行水穩(wěn)碎石的微裂處理，微裂時(shí)間為養(yǎng)生初期的兩小時(shí)后。試件養(yǎng)護(hù)天數(shù)分為7、14、28、60、90 d共5種，微裂程分為0%、20%，30%、40%共4種，共計(jì)20個(gè)試驗(yàn)組。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，本次試驗(yàn)采用的抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)為抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率。

4 抗凍試驗(yàn)結(jié)果

4.1 抗凍系數(shù)

對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)定凍融前后抗壓強(qiáng)度的變化情況，計(jì)算抗凍系數(shù)BDR，結(jié)果如表4所示。

表4 凍融前后抗壓強(qiáng)度變化情況

根據(jù)表4和圖3可知，凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化情況隨微裂程度的不同而不同。在相同養(yǎng)生天數(shù)下，抗凍系數(shù)隨著微裂程度的增加而減小，這種差異在養(yǎng)生初期最為明顯。雖然這種差異會(huì)持續(xù)存在，但是隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行，差異會(huì)逐漸減少且趨于穩(wěn)定。對(duì)比微裂程度為0(即普通水泥穩(wěn)定碎石材料)，微裂水穩(wěn)碎石的抗凍融能力確實(shí)有所下降。隨著微裂程度的增大，材料內(nèi)部的微裂縫及空隙增加，承受的孔道壓力增加，這也導(dǎo)致材料的密實(shí)性相比正常水穩(wěn)材料有所下降，抵抗凍融循環(huán)的能力降低。

由圖3可知，對(duì)于同一微裂程度的水穩(wěn)碎石材料，抗凍系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加而增加，但是增長速率逐漸降低。說明凍融循環(huán)對(duì)材料的強(qiáng)度影響隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行而降低。不同微裂程度的抗凍系數(shù)的變化情況有所不同，對(duì)于微裂程度20%、30%的試件，抗凍系數(shù)的變化速率相當(dāng)接近。當(dāng)程度達(dá)到40%時(shí)，材料抗凍系數(shù)在60 d之前的變化幅度尤為明顯。在微裂程度較大時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行，水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度恢復(fù)較為明顯。對(duì)于40%微裂程度的試件，養(yǎng)護(hù)28 d的抗凍系數(shù)為75.65%，能夠滿足規(guī)范要求。對(duì)40%微裂程度的抗凍曲線進(jìn)行分析可知，材料在養(yǎng)護(hù)24 d左右時(shí)能夠達(dá)到75%抗凍系數(shù)。

圖3 試件抗凍系數(shù)與養(yǎng)生天數(shù)的關(guān)系

4.2 質(zhì)量損失率數(shù)據(jù)分析

通過質(zhì)量損失率的測(cè)定，對(duì)微裂技術(shù)與試件抗凍性、耐久性間的關(guān)系作進(jìn)一步的分析。表5所示為不同微裂程度、不同養(yǎng)生期下試件的凍融循環(huán)損失質(zhì)量。圖4為據(jù)此繪制的質(zhì)量損失率與養(yǎng)護(hù)天數(shù)的關(guān)系圖。

根據(jù)表5和圖4可知，質(zhì)量損失變化曲線能夠印證抗凍系數(shù)的變化結(jié)果。對(duì)于同一裂縫程度的試件，其質(zhì)量損失隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行而減小。養(yǎng)護(hù)天數(shù)為90 d時(shí)，40%微裂程度試件的質(zhì)量損失同正常水穩(wěn)基層的質(zhì)量損失差異較小，分別為0.16%和0.33%，相差僅0.17%。這也表明，隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行，微裂處理對(duì)試件的影響逐漸減少。對(duì)于微裂程度為20%、30%的試件，其質(zhì)量損失情況完全滿足規(guī)范中5%的要求。對(duì)于微裂程度為40%的試件，養(yǎng)護(hù)初期的凍融試驗(yàn)質(zhì)量損失率達(dá)到6.63%，超過了規(guī)范的要求，養(yǎng)護(hù)達(dá)到7 d時(shí)，才滿足5%的質(zhì)量損失率要求。因此對(duì)于微裂程度40%的微裂水泥穩(wěn)定碎石基層，為了滿足規(guī)范中對(duì)質(zhì)量損失的要求，施工養(yǎng)護(hù)天數(shù)不得低于7 d，同時(shí)考慮到上一節(jié)抗凍系數(shù)的要求，微裂水穩(wěn)碎石基層在進(jìn)入冰凍期前，養(yǎng)護(hù)的天數(shù)應(yīng)不少于24 d。

表5 各條件下的質(zhì)量損失率

圖4 質(zhì)量損失率隨養(yǎng)生天數(shù)的變化情況

5 結(jié) 論

微裂技術(shù)能夠在不損失水穩(wěn)基層強(qiáng)度及承載力的前提下，減少基層的長寬裂縫與反射裂縫的數(shù)量。對(duì)微裂水泥穩(wěn)定碎石基層抗凍性能進(jìn)行研究，測(cè)定不同微裂程度、不同養(yǎng)護(hù)期試件的抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用微裂技術(shù)后試件的抗凍能力雖然有所下降，但是仍然能夠滿足規(guī)范要求。對(duì)于微裂程度為40%的水泥穩(wěn)定碎石基層，為了同時(shí)滿足規(guī)范中抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率的要求，應(yīng)當(dāng)保證基層在冰凍期前的養(yǎng)護(hù)天數(shù)超過24 d，微裂程度為20%、30%的水穩(wěn)碎石基層則沒有受此限制。