基于CAVF法的高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)及其性能

荊強(qiáng)強(qiáng)，李傳海，張榮華，喬鴻超

1.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東濟(jì)南 250014；2.山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東濟(jì)南 250002；3.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層廣泛應(yīng)用于我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的承重層[1-2]。我國(guó)各地氣候差異較大，尤其在高海拔寒冷地區(qū)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的抗凍性能與溫縮性能要求較高[3]。通常在水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入早強(qiáng)劑提高水泥穩(wěn)定碎石的早期力學(xué)性能和抗裂性能[4-5]。但摻入過(guò)多早強(qiáng)劑易導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生后期強(qiáng)度倒縮、開(kāi)裂等病害，又因水泥穩(wěn)定碎石收縮較大，基層易開(kāi)裂，導(dǎo)致路面出現(xiàn)反射裂縫，降低路面使用壽命[6-8]。

為有效減少基層開(kāi)裂現(xiàn)象，黃禎敏等[9]、雷力[10]、鄒桂蓮等[11]、葛折圣等[12]在級(jí)配設(shè)計(jì)方面提出了填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)方法，此方法結(jié)合柔性基層與半剛性基層的優(yōu)點(diǎn)，又克服了二者的缺點(diǎn)，對(duì)解決基層開(kāi)裂現(xiàn)象效果明顯。但填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石混合料的填充料與粗集料的級(jí)配(粒徑)及二者間的質(zhì)量比均根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷，影響該材料的推廣應(yīng)用效果，現(xiàn)場(chǎng)施工需要二次拌和，施工效率低。

本文通過(guò)調(diào)整并優(yōu)化主骨架空隙填充(coarse aggregate voids-filling method，CAVF)法中的設(shè)計(jì)空隙等參數(shù)設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石混合料，研究通過(guò)新型級(jí)配設(shè)計(jì)方法獲得的水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能、抗凍性能和溫縮性能，為后期工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 水泥

膠凝材料采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料

取自某新建高速公路的集料粒徑分別為20～30、>3～5(即2.36～4.75)、0～3(即0～2.36) mm，表觀密度分別為2.745、2.731、2.703 g/cm3，粒徑為20～30 mm集料的緊裝密度為1.586 g/cm3。按照文獻(xiàn)[13]測(cè)得不同粒徑范圍集料的級(jí)配結(jié)果，如表2所示。

表2 不同粒徑范圍集料的級(jí)配

集料的空隙率

VCA=(1-ρSC/ρC)×100%，

式中：ρC為粗集料的表觀密度，ρSC為粗集料的緊裝密度。

經(jīng)計(jì)算，粗集料的空隙率為42.22%。先確定2種粒徑范圍細(xì)集料的質(zhì)量比，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定不同細(xì)集料質(zhì)量比混合后的最小空隙率，結(jié)果如表3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終確定>3～5 mm、0～3 mm兩檔細(xì)集料間的比例為3:7。

表3 不同細(xì)集料比例間的空隙率

1.2 配合比

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定水泥用量和混合料空隙率，粗集料、細(xì)集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

qc(VCA-Vv)/(ρSC×100%)=(qf/ρf)+(qs/ρs) ，

(1)

式中：qc、qf、qs分別為粗集料、細(xì)集料、水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Vv為水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)空隙率，ρf、ρs分別為細(xì)集料、水泥的表觀密度。

通過(guò)式(1)計(jì)算粗集料、細(xì)集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在水泥穩(wěn)定碎石混合料體系中，水泥作為膠結(jié)料與水發(fā)生反應(yīng)，未參與反應(yīng)的水在水泥穩(wěn)定碎石混合料中形成空隙。設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石混合料時(shí)需優(yōu)化Vv，減小水泥穩(wěn)定碎石混合料的空隙，使其更加密實(shí)。初選水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%條件下，Vv分別為0、-5%、-10%，得到不同設(shè)計(jì)空隙率下不同粗、細(xì)集料質(zhì)量比的3種水泥穩(wěn)定碎石混合料，分別記作JP-0、JP-5、JP-10，3種水泥穩(wěn)定碎石混合料20～30、>3～5、0～3 mm粒徑集料的質(zhì)量比分別為：67:7:26、64:7:29、61:8:31，級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 不同設(shè)計(jì)空隙率的水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配曲線

1.3 擊實(shí)試驗(yàn)

不同設(shè)計(jì)空隙條件下水泥穩(wěn)定碎石混合料的擊實(shí)曲線如圖2所示。

圖2 不同級(jí)配混合料的擊實(shí)曲線

由圖2可知：水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度均隨水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)空隙率絕對(duì)值的增大而增大。JP-0級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水率為3.7%，最大干密度為2.410 g/cm3；與JP-5和JP-10相比，JP-0中細(xì)集料較少，不能填充粗集料形成的骨架，混合料內(nèi)部有較多空隙，JP-0的最大干密度均小于JP-5和JP-10。細(xì)集料比粗集料吸水率更高，隨設(shè)計(jì)空隙率絕對(duì)值的增大，粗集料用量減少，細(xì)集料用量增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水率增大[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能

根據(jù)第1章結(jié)果成型Ф150 mm×150 mm圓柱體試件，壓實(shí)度為98%。JP-0、JP-5、JP-10的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6.8、7.5、8.4 MPa。

隨設(shè)計(jì)空隙率絕對(duì)值的增大，細(xì)集料摻加量增大，水泥穩(wěn)定碎石混合料體系密實(shí)度增大。相較于JP-0，JP-10的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高23.5%。在此水泥穩(wěn)定碎石混合料體系中，骨架嵌擠效應(yīng)在抗壓強(qiáng)度中起主要作用[15-16]，粗集料的嵌入效果較好，說(shuō)明顆粒間嵌入更穩(wěn)定，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。與嵌擠效應(yīng)相比，細(xì)集料的填充效應(yīng)對(duì)提高抗壓強(qiáng)度有輔助作用。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石混合料體系的骨架穩(wěn)定時(shí)，增大細(xì)骨料的質(zhì)量比可使水泥穩(wěn)定碎石混合料更致密，力學(xué)性能更好。

試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的破型外觀如圖3所示。由圖3可知：試件破壞以粗集料的壓碎為主，說(shuō)明按照CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料可發(fā)揮粗集料間石-石骨架嵌擠作用；隨細(xì)集料摻量的增加，細(xì)集料和水泥漿體填充粗骨料間隙，試件的整體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，可進(jìn)一步保證水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能[17]。

圖3 破型試件外觀

2.2 抗凍性能

按照無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，成型Ф150 mm×150 mm圓柱體試件分別養(yǎng)護(hù)7、28 d后，放入(-18±3)℃低溫箱內(nèi)15～17 h，再移至(20±3)℃水槽中放置8～10 h，重復(fù)上述步驟5次，采用凍融前、后的抗壓強(qiáng)度比EBDR評(píng)價(jià)混合料的抗凍性能，計(jì)算公式為

EBDR=RDC/RC×100%，

式中：RDC為凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，RC為凍融循環(huán)前的抗壓強(qiáng)度。

不同養(yǎng)護(hù)齡期試件的凍融強(qiáng)度比如表4所示。

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期試件的EBDR %

由表4可知：養(yǎng)護(hù)7 d的試件在凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度略有增長(zhǎng)，強(qiáng)度增大1.03%～2.36%。養(yǎng)護(hù)28 d的試件經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后力學(xué)性能均出現(xiàn)不同程度的降低。因養(yǎng)護(hù)周期較短，養(yǎng)護(hù)7 d后的水泥穩(wěn)定碎石混合料中的水泥未完全水化，隨凍融循環(huán)周期的延長(zhǎng)，水泥不斷進(jìn)行水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物增多，試件內(nèi)集料間的黏結(jié)力提高，EBDR均大于1。此階段內(nèi)，相比凍融循環(huán)作用，水泥水化產(chǎn)物的黏結(jié)作用對(duì)力學(xué)性能的影響占主要作用[18]。養(yǎng)護(hù)28 d后，水泥水化速度降低，力學(xué)強(qiáng)度增大較緩慢，凍融循環(huán)作用對(duì)力學(xué)性能的影響占主導(dǎo)地位，試件內(nèi)的空隙水經(jīng)循環(huán)結(jié)晶膨脹作用影響體系的力學(xué)性能。對(duì)比3種混合料，隨設(shè)計(jì)空隙的減小，試件的EBDR小幅提高，主要原因是細(xì)集料質(zhì)量比增大使水泥穩(wěn)定碎石混合料更密實(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，水-冰晶體轉(zhuǎn)化的膨脹效應(yīng)減弱，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能的影響減少。

2.3 溫縮性能

采用靜壓法成型400 mm×100 mm ×100 mm的試件，壓實(shí)度為98%。按照規(guī)程試件養(yǎng)護(hù)7 d后放入105 ℃烘箱內(nèi)干燥至恒重，測(cè)量試件原始長(zhǎng)度L0。設(shè)定溫度區(qū)間為-20～40 ℃，降溫梯度為10 ℃，先將試件放置于40 ℃環(huán)境中保溫3 h，其中儀器降溫速度控制為0.5 ℃/min，降至設(shè)定溫度后保溫3 h，保溫結(jié)束前最后3 min讀取數(shù)據(jù)，以此類推，直到溫度降至-20 ℃。

第i個(gè)溫度區(qū)間的溫縮應(yīng)變

εi=(li-li+1)/L0，

第i個(gè)溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)

αi=εi/(ti-ti+1) ，

式中：li為第i個(gè)溫度區(qū)間千分表讀數(shù)之和的平均值;ti為溫度控制程序設(shè)定的第i個(gè)溫度區(qū)間，區(qū)間范圍為10 ℃。

不同級(jí)配混合料的溫縮系數(shù)隨溫度的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同級(jí)配混合料的溫縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知：在高于0 ℃時(shí)，各個(gè)級(jí)配混合料的溫縮系數(shù)均隨溫度的降低而逐漸減小。即水泥穩(wěn)定碎石混合料在高溫區(qū)間，集料粒徑對(duì)溫度變化的敏感性較大，在-10～0 ℃內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫度敏感性最小。相同溫度區(qū)間內(nèi)，隨設(shè)計(jì)空隙率的增大，水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)減小。在高溫環(huán)境下，水泥穩(wěn)定碎石混合料試件發(fā)生熱膨脹，體積較常溫有所增加，為后續(xù)冷卻過(guò)程提供了收縮空間。當(dāng)溫度開(kāi)始下降時(shí)，試件體積變化迅速，收縮較大。在收縮過(guò)程中，骨料與膠結(jié)料越來(lái)越緊密，黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增加。隨溫度的降低，水泥穩(wěn)定碎石混合料試件內(nèi)部的材料接觸更緊密，體積變小。這是因?yàn)楣橇虾湍z結(jié)料間的接觸點(diǎn)增多，導(dǎo)致強(qiáng)度更高，可接受的收縮空間更小。溫度越低，水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮越小[19]。

3 結(jié)論

1)水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化空隙率等參數(shù)的CAVF法設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石混合料可行。設(shè)計(jì)空隙率絕對(duì)值為0～10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能與設(shè)計(jì)空隙絕對(duì)值呈正相關(guān)。

2)隨設(shè)計(jì)空隙率絕對(duì)值的增大，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗凍性能逐漸提高，設(shè)計(jì)空隙率為-5%、-10%的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件養(yǎng)護(hù)28 d的凍融強(qiáng)度比不小于95%，抗凍性能優(yōu)異。

3)溫縮試驗(yàn)結(jié)果表明，采用CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料可有效避免基層發(fā)生溫縮開(kāi)裂，在0～-10 ℃內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫度敏感性最小。