骨架密實(shí)型二灰碎石基層的收縮性能

馬士賓，劉俊琴，郭建寧，王麗潔，陳 曦

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，天津 300400;2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300400）

骨架密實(shí)型二灰碎石基層的收縮性能

馬士賓1，劉俊琴1，郭建寧1，王麗潔2，陳 曦1

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，天津 300400;2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300400）

基于失水率、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)等指標(biāo)，研究了不同配合比條件下二灰碎石混合料的干縮性能;回歸分析了累計(jì)干縮量與時間、累計(jì)失水率的關(guān)系;通過溫縮試驗(yàn)研究了溫縮系數(shù)與溫度區(qū)間、平均溫縮系數(shù)與最大溫縮系數(shù)的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:多碎石條件下的二灰穩(wěn)定碎石干縮性能優(yōu)于常規(guī)配比的二灰穩(wěn)定碎石混合料。配合比分別為8∶12∶80，6∶14∶80，8∶17∶75的二灰碎石混合料干縮性能均優(yōu)于配合比為5∶10∶75;評價材料溫縮性能時以0～-10℃之間的溫縮系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)較為合理。

二灰碎石混合料;干縮性能;溫縮性能;配合比

半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)是我國高等級公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式。二灰碎石基層具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強(qiáng)、施工工藝相對簡單等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著二灰碎石的普遍使用和不斷深入的研究，其基層縮裂問題也越來越突出的表現(xiàn)出來。在基層鋪筑后、面層鋪筑前，發(fā)生由于半剛性基層干縮導(dǎo)致的開裂，并導(dǎo)致產(chǎn)生瀝青面層反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫［1］。由于收縮裂縫的產(chǎn)生使道路使用性和耐久性下降，工程投資和維護(hù)費(fèi)用增加，已成為當(dāng)前路面工程建設(shè)中急需解決的重大難題。

同時提高干縮性能和溫縮性能可以提高半剛性材料的抗裂性能［2-3］。筆者通過對石灰、粉煤灰、細(xì)料3者在混合料中的不同含量對二灰碎石基層材料干縮和溫縮性能的影響進(jìn)行研究，并根據(jù)失水率、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)等指標(biāo)，回歸分析了累計(jì)干縮量與時間和累計(jì)失水率的關(guān)系。通過溫縮試驗(yàn)分別研究了溫縮系數(shù)與溫度區(qū)間的關(guān)系、平均溫縮系數(shù)與最大溫縮系數(shù)的關(guān)系，得出了在不同配合比下的干縮性能、溫縮性能優(yōu)劣排序，系統(tǒng)分析了各配合比的抗裂性能。

1 原材料性能試驗(yàn)

1.1 石 灰

石灰是粉煤灰水化反應(yīng)的激發(fā)劑，應(yīng)對其有效氧化鈣、氧化鎂含量提出最低的要求。經(jīng)檢驗(yàn)其技術(shù)等級為二級，符合JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的要求。所用石灰的檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 石灰技術(shù)指標(biāo)Table 1 Lime technical indicators /%

1.2 粉煤灰

為了二灰碎石混合料的質(zhì)量保證，應(yīng)檢測粉煤灰中（Fe2O3+Al2O3+SiO2）活性成分的含量、比表面積和燒失量，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)檢驗(yàn)，采用的粉煤灰均符合JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Table 2 Fly ash technical indicators

1.3 集 料

試驗(yàn)所用集料為石灰?guī)r，規(guī)格分別為10～30，5～10，3～5，0～3 mm。0.6 mm 以下顆粒塑性指數(shù)為5，均符合JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

壓碎值的大小直接影響基層強(qiáng)度，是衡量集料力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)［4］。集料壓碎值為15.2%，滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，高速公路和一級公路的集料壓碎值不得大于30%。

2 二灰穩(wěn)定碎石的干縮性能

2.1 試驗(yàn)方法

參考《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中推薦的上下限，骨架密實(shí)型集料級配各規(guī)格粒料比例為（9.5 ～31.5）碎石∶（9.5 ～19）碎石∶（4.75 ～9.5）碎石∶石屑 =58 ∶19 ∶11 ∶12，合成級配如表3。

表3 骨架密實(shí)型混合料合成級配Table 3 Synthesis gradation of the skeleton dense mixture

石灰與粉煤灰之間存在一個最佳的配比，在這個配比下二灰混合料的性能最優(yōu)。在進(jìn)行二灰配比設(shè)計(jì)時，石灰與粉煤灰的比例控制在1∶2～1∶3，目的是縮小范圍。實(shí)驗(yàn)選用4組混合料如表4。

表4 二灰碎石混合料配合比Table 4 Mix proportion of lime fly-ash macadam mixture

采用靜壓法（壓實(shí)度為98%）成型尺寸為10 cm×10 cm×40 cm的中梁試件，脫模后用塑料袋密封，并置于（20±1）℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室保濕養(yǎng)生7 d，在室內(nèi)自然溫度、濕度試驗(yàn)對不同配合比的二灰穩(wěn)定碎石混合料采用上述配比進(jìn)行了干縮試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為20℃，相對濕度60%［5］。

2.2 干縮性能試驗(yàn)

2.2.1 二灰碎石混合料失水率、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與時間的關(guān)系

多碎石條件下不同配合比的二灰穩(wěn)定碎石失水率、干縮應(yīng)變與時間的關(guān)系如圖1、圖2。

圖1 二灰碎石失水率-時間關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between water loss rate of lime-fly ash concrete and time

圖2 二灰碎石干縮應(yīng)變-時間關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between dry shrinkage strain of lime-fly ash concrete and time

由圖1、圖2可得，在試驗(yàn)溫度為20℃，相對濕度60%條件下，失水率和干縮應(yīng)變隨齡期的增長而逐漸增大。由于試件成型后初期的失水率較大，其相應(yīng)的收縮應(yīng)變也快速的增加。試件成型7 d內(nèi)的失水率占180 d總失水率的36.5%以上，平均達(dá)到50%。對應(yīng)的收縮應(yīng)變占總收縮應(yīng)變的46.9% ～65.8%，平均 57.12%。

干縮應(yīng)變隨著時間增長而逐漸增大，試件成型后前期干縮應(yīng)變增長較快，隨后幅度變小，反映出干縮趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)表明干縮應(yīng)變先隨時間增大，后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，干縮歷時較長。此外也表明，早期失水速度的減小，同樣會起到控制收縮作用。不同配合比的二灰穩(wěn)定碎石混合料失水率由大到小為:配合比1≈配合比2＞配合比3＞配合比4。各類半剛性基層材料干縮應(yīng)變由大到小為:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。

各配合比的二灰穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)與時間關(guān)系如圖3。

圖3 各配比的二灰碎石干縮系數(shù)-時間關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between dry shrinkage coefficient of lime-fly ash concrete and time in different mix proportion

由圖3可知:

1）二灰碎石材料在各配合比下的干縮系數(shù)和時間曲線近似于波浪線，7 d內(nèi)的干縮系數(shù)增長較快，隨后干縮系數(shù)增長逐漸趨于緩慢，最后干縮系數(shù)的增長基本平緩，不同配合比的二灰穩(wěn)定碎石增長趨勢基本相同。

2）試件成型后早期相同齡期下各配合比下干縮系數(shù)由大到小為:配合比4＞配合比3＞配合比1＞配合比2，后期相同齡期下各配合比下干縮系數(shù)由大到小為:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，配合比良好的方案干縮量曲線較為平緩，這表明施工中養(yǎng)生是非常重要的，要注意因養(yǎng)生不充分引起較大失水發(fā)生干燥收縮開裂的現(xiàn)象。

2.2.2 干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與失水率之間關(guān)系

二灰碎石材料在不同配合比下的干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系如圖4、圖5。

分析圖4、圖5可得，在失水率為5%以前，各類二灰穩(wěn)定碎石材料的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)差異性較大，這表明施工中養(yǎng)生環(huán)節(jié)是非常重要的，要保證基層表面的濕潤，防止因養(yǎng)生不充分而發(fā)生較大的失水，從而杜絕材料的干燥收縮開裂。

圖4 二灰碎石干縮應(yīng)變-失水率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between dry shrinkage strain of lime-fly ash concrete and water loss rate

圖5 二灰碎石干縮系數(shù)-失水率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between dry shrinkage coefficient of lime-fly ash concrete and water loss rate

各種二灰穩(wěn)定碎石材料平均干縮系數(shù)與最大干縮應(yīng)變?nèi)绫?，其中參考值為集料級配采用的參考值，二灰碎石配合比為 7∶13∶80。

表5 二灰碎石混合料平均干縮系數(shù)及最大干縮應(yīng)變Table 5 Average shrinkage coefficient＆maximal shrinkage strain of lime fly-ash macadam mixture

由表5可以看出:

1）各類二灰穩(wěn)定碎石材料平均干縮系數(shù)由大到小依次為:配合比4＞配合比3＞配合比2≈配合比1。

2）各類二灰穩(wěn)定碎石材料最大干縮應(yīng)變由大到小依次為:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。

3）在干縮性能上，多碎石條件下的二灰穩(wěn)定碎石優(yōu)于常規(guī)配比的二灰穩(wěn)定碎石混合料。

由干縮系數(shù)-失水率關(guān)系（圖5）及失水率-時間關(guān)系（圖1）可看出，失水量變化速度在試驗(yàn)初期最快，這是因?yàn)闊o機(jī)結(jié)合料在初期水化反應(yīng)快造成的，此時干縮系數(shù)變化最大且數(shù)值較大，因而二灰穩(wěn)定碎石半剛性材料在施工初期的7 d左右養(yǎng)生條件至關(guān)重要。建議施工后7 d內(nèi)必須采用濕法養(yǎng)生，以防失水過多，加劇干縮應(yīng)變，過早地產(chǎn)生干縮裂縫。2.2.3 干縮性能的回歸分析

經(jīng)過回歸，得出各種配合比的二灰碎石混合料累計(jì)干縮應(yīng)變與時間及累計(jì)失水率的方程，如表6。

表6 材料累計(jì)干縮應(yīng)變與時間、累計(jì)失水率的關(guān)系Table 6 Relationship between cumulative dry shrinkage strain，time and cumulative water loss rate

通過得到的回歸方程，可以計(jì)算出材料在不同時間和失水程度下的干縮量，從而可以在養(yǎng)護(hù)時更好的控制含水量的變化對干縮的影響，指導(dǎo)施工。

3 二灰穩(wěn)定碎石的溫縮性能

3.1 試驗(yàn)方法

參考干縮性能的方法成型試件，試件尺寸為小10 cm×10 cm×40 cm，在溫度（20±2）℃，濕度 ＞90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下，養(yǎng)生7 d。材料的溫縮系數(shù)采用電阻應(yīng)變片測試，測試時首先將試件兩側(cè)烘干，把應(yīng)變片貼到合適的位置，接到電路中，將環(huán)境箱的溫度先降到最低（-20℃），然后恒溫2 h，以后每2 h升溫5℃，當(dāng)各溫度段應(yīng)變片的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（每2 h后），讀取數(shù)據(jù)，直到達(dá)到最終溫度（30℃）。這些數(shù)據(jù)可通過自動數(shù)據(jù)采集儀采集［6］。

3.2 溫縮性能試驗(yàn)研究

3.2.1 溫縮系數(shù)與溫度區(qū)間關(guān)系

不同半剛性基層材料的溫縮系數(shù)與溫度區(qū)間之間的關(guān)系［6-7］如表 7。

表7 不同配合比半剛性材料溫縮系數(shù)Table 7 Temperature shrinkage test results of semi-rigid material in different mix proportion /（10-6℃-1）

分析表7可知:不同級配的二灰穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)曲線在-20～30℃的試驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出隨溫度降低到0～-10℃區(qū)間時出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象，溫縮系數(shù)達(dá)到最大，這說明二灰穩(wěn)定碎石基層的溫縮裂縫易發(fā)生在寒冷的冬天。因此，選擇以0～-10℃之間的溫縮系數(shù)評價材料的溫縮性能。二灰穩(wěn)定碎石混合料溫縮性能的優(yōu)劣順序?yàn)?配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。這與干縮性能排序不完全相同，但各種配合比的溫縮性能均優(yōu)于相關(guān)文獻(xiàn)中二灰穩(wěn)定碎石的參考值。

3.2.2 平均溫縮系數(shù)與最大溫縮系數(shù)關(guān)系對比

表8為材料在不同配合比下的平均溫縮系數(shù)和最大溫縮系數(shù)。

由表8可以看出，材料在不同配合比下的平均溫縮系數(shù)及最大溫縮系數(shù)排列順序相同，由大到小依次為:參考值＞配合比3＞配合比1＞配合比2＞配合比4。從而得到材料不同配合比下溫縮性能優(yōu)劣順序?yàn)榕浜媳?＞配合比2＞配合比1＞配合比3＞參考值。

表8 二灰碎石混合料平均溫縮系數(shù)和最大溫縮系數(shù)Table 8 Average temperature shrinkage coefficient and mix temperature shrinkage coefficient of lime fly-ash macadam mixture

4 二灰穩(wěn)定碎石離析的防控措施

二灰穩(wěn)定碎石容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，在基層的局部范圍內(nèi)形成粗集料窩和細(xì)集料聚集區(qū)，使得裂縫增多，造成基層整體性不足，發(fā)生路面的早期破壞［8］。應(yīng)該采取措施使離析現(xiàn)象控制在可接受的范圍內(nèi)。建議:①控制混合料來源的統(tǒng)一;②控制集料的最大粒徑;③降低集料的變異性;④保證混合料的均勻性;⑤拌和連續(xù)穩(wěn)定，時間合適;⑥注意裝卸料方式;⑦合理選擇攤鋪寬度;⑧保持穩(wěn)定的攤鋪速度。

5 結(jié)論

1）多碎石條件下的二灰穩(wěn)定碎石干縮性能優(yōu)于常規(guī)配比的二灰穩(wěn)定碎石混合料。在試驗(yàn)溫度為20℃、相對濕度60%條件下，試件成型后早期相同齡期下各配合比干縮性能由大到小為:配合比2＞配合比1＞配合比3＞配合比4，后期相同齡期下各配合比下干縮性能由大到小為:配合比3＞配合比2＞配合比1＞配合比4。表明施工中養(yǎng)生環(huán)節(jié)是非常重要的，要保證基層表面的濕潤，防止因養(yǎng)生不充分而發(fā)生較大的失水，從而杜絕材料的干燥收縮開裂。

2）通過回歸方法，得到材料在不同配合比下的累計(jì)干縮應(yīng)變與時間及累計(jì)失水率的方程，從而可以計(jì)算出材料在不同時間、不同失水程度下的干縮量，這樣在養(yǎng)護(hù)時就可以更好的控制含水量的變化對干縮的影響，指導(dǎo)施工。

3）材料在不同配合比下的平均溫縮系數(shù)及最大溫縮系數(shù)排列順序相同，溫縮性能優(yōu)劣順序?yàn)?配合比4＞配合比2＞配合比1＞配合比3＞參考值。

4）不同級配的二灰穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)曲線在-20～30℃的試驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出隨溫度降低到0～-10℃區(qū)間時出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象，溫縮系數(shù)達(dá)到最大。說明二灰穩(wěn)定碎石基層的溫縮裂縫易發(fā)生在寒冷的冬天。因此，選擇以0～-10℃之間的溫縮系數(shù)評價材料的溫縮性能。二灰穩(wěn)定碎石混合料溫縮性能的優(yōu)劣順序?yàn)?配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3，各種配合比的溫縮性能均優(yōu)于相關(guān)文獻(xiàn)中二灰穩(wěn)定碎石的參考值。說明二灰含量對混合料的溫縮性能影響較大，二灰含量越低，溫縮性能越好;在二灰含量一定時，石灰含量越少，溫縮性能越好。

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Research on Shrinkage Performance of Dense Skeleton Based on Lime Fly-Ash Stabilized Aggregate

Ma Shibin1，Liu Junqin1，Guo Jianning1，Wang Lijie2，Chen Xi1
（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China;
2.School of Architecture＆ Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China）

Dry shrinkage performance of lime fly-ash macadam was analyzed with different mix proportions，which was based on the indices of water loss rate，dry shrinkage strain and shrinkage coefficients.By regression analysis，the relation of accumulative dry shrinkage amount with time and accumulative water loss rate was got.Through temperature shrinkage test the relation between temperature shrinkage coefficient and temperature range was studied，and the relation between average temperature shrinkage coefficient and maximum temperature shrinkage coefficient was researched.The results show that:dry shrinkage performance with lime fly-ash stabilized aggregate in gravelly conditions is superior to the normal lime fly-ash macadam mixture.Dry shrinkage performance is in different orders after forming the specimens at early and late time with different mix proportions.Dry shrinkage performance with mix proportion of 8 ∶12 ∶80，6 ∶14 ∶80，8 ∶17 ∶75 are superior to 5 ∶10∶75.It is reasonable that using temperature shrinkage coefficients of 0 ～ -10℃ to evaluate the temperature shrinkage performance of lime fly-ash stabilized aggregate.

lime fly-ash macadam mixture;dry shrinkage performance;temperature shrinkage performance;mix proportion

TU746.2

A

1674-0696（2013）02-0215-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.10

2012-04-27;

2013-01-05

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（12217636）

馬士賓（1974—），男，河北保定人，副教授，博士，主要從事路基路面方面的研究。E-mail:286563105@qq.com。