低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫度收縮特性研究

■郭根才

（泉州市公路局，泉州 362000）

0 引言

自2005年，泉州市公路局開始在對普通公路水泥混凝土路面進行改造時采用了加鋪水泥混凝土路面結構形式（即“白加白”路面），但 “白加白”路面在經(jīng)過幾年使用后，出現(xiàn)了大面積的開裂、斷板、唧泥、錯臺和沉陷等不同程度的病害問題。為進一步改善交通條件，提升道路的服務性能，從2012年開始，泉州市公路局開始在原有的水泥混凝土路面進行加鋪瀝青混凝土（即“白加黑”路面），極大提升了車輛行駛的舒適性和路面整體的穩(wěn)定性。目前越來越多的“白加黑”路面結構采用了水泥穩(wěn)定級配碎石半剛性基層瀝青路面，一般的路面半剛性基層水泥摻量為4.5%～6.0%。水泥穩(wěn)定級配碎石中的水泥摻量對其性能有較大的影響，一方面，混合料中的水泥摻量越高，其材料強度相對就越高；另一方面，由于路面結構形式常常使其抗拉強度偏小，在車輛荷載作用下，混合料內(nèi)部容易產(chǎn)生損傷斷裂破壞，當混合料內(nèi)部水分蒸發(fā)或外界溫度降低時，混合料就會產(chǎn)生干縮、溫縮現(xiàn)象，初始裂縫從下向上開始傳遞，最終在加鋪瀝青面層形成反射裂縫。

低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石中水泥含量較少，混合料的收縮系數(shù)相對降低，由此增強了穩(wěn)定級配碎石的抗裂性能，因此研究低水泥劑量下水泥穩(wěn)定級配碎石的溫度收縮特性對于防止半剛性基層路面的開裂現(xiàn)象具有重要的現(xiàn)實意義。

本文基于低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石材料，采用1%、2%和3%三種水泥摻量和Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三種不同級配展開材料溫度收縮特性研究，基于本研究找到低劑量水泥穩(wěn)定碎石的溫縮變化規(guī)律，同時提出能夠應用于實際施工現(xiàn)場的低劑量水泥穩(wěn)定碎石級配，以期為現(xiàn)場施工提供指導與借鑒作用。

1 常規(guī)的溫度收縮測試方法

目前基于無機結合料穩(wěn)定粒料的溫縮測試方法一般要求試件全程應處于高低溫交變環(huán)境下[1]。使用的測量設備除了常規(guī)的支架法、電阻應變片法、振弦式法外，長安大學還研發(fā)了路面材料收縮變形測試儀[2]，該儀器主要源于立式支架法的測試原理，利用位移傳感器進行收縮測試。以上方法的對比分析見表1。

表1 不同溫度收縮測試方法對比

2 本文采用的溫度收縮測試方法

基于上述，本文決定采用外置振弦式法進行溫縮測試研究。為保證測量精度，宜在試件制作過程中往里預埋熱電偶線，具體安裝方式見圖1和圖2。

圖1 振弦式法測量溫度收縮

圖2 一組溫縮試驗（Ⅰ型-2%）

具體試驗步驟如下：

（1）梁試件尺寸初步設計為 100mm×100mm×400mm。最佳含水量情況下，通過振動成型控制，保證達到98%的最大干密度，最終獲得不同水泥劑量（1%、2%、3%）、不同級配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的試件，每組試件共3個，作為平行對比試件，注意在試件成型過程中預埋熱電偶線。

（2）對成型后的試件采取保溫措施，如用塑料薄膜覆蓋，同時進行標準養(yǎng)護（溫度20±2℃，相對濕度≥95%）。

（3）試件養(yǎng)護14d后，將其取出，放置于烘箱中，控制溫度環(huán)境為105℃，持續(xù)烘燒至恒重，以排除前期材料收縮[1]效應造成的影響。

（4）試件恢復常溫后，開始安裝傳感器底座，注意兩個底座應盡量保證在試件的中軸線上，最后用環(huán)氧樹脂固定。

（5）底座安裝完成后，開始傳感器安裝。具體方法：將外置式傳感器通過螺絲錨固于底座。為使傳感器有較大測量范圍，可利用傳感器的同向螺絲調(diào)節(jié)鋼弦的初始頻率使其處于零點頻率附近。

（6）上述準備就緒，將試件豎著放入高低溫交變箱中。保證試件先在45℃下恒溫2h，然后開始正式進入設定的變溫曲線，降溫幅度在45℃～-5℃之間，溫度間隔設定為10℃，降溫速率為1℃/min，當室溫降至節(jié)點溫度值后接著保持恒溫2h，如圖3所示。同時如圖4與圖5所示，自動應變數(shù)據(jù)采集儀及自動溫度數(shù)據(jù)采集儀的采樣集頻率為3min每次。

圖3 降溫曲線

圖4 應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 三種級配的選取

本文選用三種不同級配進行試驗對比，分別命名為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型級配碎石，其具體的級配組成詳見表2。本文研究揭示低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫度收縮特性，因此水泥劑量取1%、2%、3%。

表2 各試驗方案級配組成

4 低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石材料溫縮特性及其評價

式中：αt——平均干縮系數(shù)，10-6；εi——第i個溫度下的溫縮應變，10-6；ti——變溫曲線中第i個溫度區(qū)間，℃。

4.1 溫縮應變的變化規(guī)律

本節(jié)采用高低溫交變箱來模擬試件所受的外界溫度變化環(huán)境，通過控制不同的高低溫變化環(huán)境，試件內(nèi)部的溫度也會隨著環(huán)境中溫度的變化而變化，圖6、圖7、圖8和圖9是表示不同水泥劑量、不同級配的低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮應變與試件溫度隨時間的變化規(guī)律曲線圖。由圖6、圖7、圖8和圖9可知：

（1）隨著試驗的進行，可以發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部的溫變規(guī)律基本與外界溫變環(huán)境變化情況相吻合，但基本會延遲一

根據(jù) 《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[4]的相關規(guī)定，對低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮特性的評價可采用溫縮應變εt與平均溫縮系數(shù)αt兩個指標，其中利用應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以獲得溫縮應變，同時進行溫度修正，基于平均溫縮系數(shù)αt的計算方法如式1所示：

圖6 試件溫度隨時間的變化規(guī)律（平均值）

圖7 溫縮應變隨時間的變化規(guī)律（水泥劑量1%）

圖8 溫縮應變隨時間的變化規(guī)律（水泥劑量2%）

圖9 溫縮應變隨時間的變化規(guī)律（水泥劑量3%）

（2）隨著試驗的進行，可以看出在不同劑量和不同級配工況下，試件的溫縮應變變化趨勢大體相同，均隨時間呈遞增趨勢。同時每一降溫時段與試件溫縮應變的增大時段相對應，而在恒溫時段內(nèi)則無較大變化。

（3）試件中不同的水泥劑量和級配會造成混合料的密實度、空隙率的差異，因此其熱傳導效率也不同，在相同的溫變環(huán)境中會產(chǎn)生不同的溫變差異。

（4）當外界環(huán)境溫度從45℃降到-5℃時，不同水泥劑量、不同級配的低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石產(chǎn)生的總溫縮應變相差不大，基本在390～450×10-6με的范圍內(nèi)。

綜上可知，試件的溫縮應變基本與其內(nèi)部本身的溫度變化規(guī)律一致，同時當外界環(huán)境溫度從45℃降到-5℃時，不同水泥劑量、不同級配的低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石產(chǎn)生的總溫縮應變相差不大。

基于以上，在施工中應注意急劇溫變環(huán)境對路面材料的影響，尤其對于南方濕熱地區(qū)，夏季時常會發(fā)生突發(fā)性暴雨天氣，容易使路面基層的收縮應變急劇產(chǎn)生，當收縮應變來不及松弛時將導致基層開裂，故建議采用覆蓋土工布的養(yǎng)護方法來減小基層的溫變幅度。

4.2 溫縮系數(shù)的變化規(guī)律

基于上述溫縮應變時程曲線，分降溫區(qū)間計算平均溫縮系數(shù)（共有五個），在恒溫區(qū)段內(nèi)選取穩(wěn)定的溫縮應變以及溫度跳動點作為計算基準點圖10顯示了不同級配的低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮系數(shù)與降溫區(qū)間的關系。由圖10可知：

（1）不同降溫區(qū)段對低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石的平均溫縮系數(shù)值影響較大。

（2）同一級配下，除個別情況外大部分試件都表現(xiàn)為隨著水泥劑量的增加，其溫縮系數(shù)也相應增加。說明水泥劑量對試件溫縮效應的影響較大。

（3）不同級配與水泥摻量的低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮系數(shù)的最大值大部分都出現(xiàn)在45℃～35℃區(qū)間內(nèi)。說明低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石材料可能在45℃～35℃高溫區(qū)間內(nèi)溫縮特性最為顯著。

綜上可知，低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石的平均溫縮系數(shù)值有較大差異，其中在45℃～35℃高溫區(qū)間內(nèi)溫縮特性表現(xiàn)最為顯著。同時位于相同降溫區(qū)段時，水泥劑量對試件溫縮效應的影響起主導作用。

4.3 水泥劑量與級配對溫縮特性的影響

圖11顯示了混合料的最大溫縮系數(shù)、平均溫縮系數(shù)與水泥劑量、級配的關系。由圖11可知，對于低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石：

圖10 溫縮系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

（1）最大溫縮系數(shù)隨水泥劑量的增大而增大，且其級配也會影響其增長幅值，當水泥劑量由1%增加至3%時，不同級配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的最大溫縮系數(shù)分別增長7.3%、4.6%以及7.9%。

（2）平均溫縮系數(shù)的變化規(guī)律和增長幅值與水泥劑量以及級配的關系基本與上同，當水泥劑量由1%增加至3%時，不同級配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的平均溫縮系數(shù)分別增長9.4%、8.5%以及4.7%。以上分析表明級配對低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮特性的影響不能忽略。

（3）水泥劑量一致時，不同級配下混合料的最大與平均溫縮系數(shù)整體表現(xiàn)為：Ⅲ型級配最大，Ⅱ型級配次之，Ⅰ型級配最小。

（4）Ⅲ型-3%混合料的最大溫縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)均在所有混合料中最大，分別為9.81×10-6和8.823×10-6，而最小的均為Ⅰ型-1%混合料，其值分別為8.68×10-6和7.672×10-6。

圖11 溫縮特性與水泥劑量、級配的關系

綜上可知，低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石最大溫縮系數(shù)與平均溫縮系數(shù)會受到混合料級配和水泥劑量的影響，其差值在15%的范圍內(nèi)。

基于上述有關分析，施工時推薦在進行低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石級配設計時可考慮選用本次提到的Ⅰ型級配，其次選用Ⅱ型級配，非特殊要求不采用Ⅲ型級配。

5 與水泥穩(wěn)定碎石溫縮特性對比

本節(jié)所指的水泥穩(wěn)定碎石是指水泥劑量為4%或5%的半剛性基層?？紤]到4%水泥穩(wěn)定碎石研究文獻偏少，做統(tǒng)計分析意義不大，因此選用兩篇代表性文獻[5，6]，如圖12所示。

圖12 4%水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計圖

通過文獻[5-13]調(diào)研得到5%水泥穩(wěn)定碎石材料平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計結果，見圖13、圖14。

基于以上調(diào)研統(tǒng)計分析結果，結合本文試驗結果繪制圖15。由圖15可以看出，低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石與水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)值差別不大。而水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)會小些，這可能是由于不同的溫縮測試方法導致。本文使用較高精度的振弦式法對試件進行溫縮測試，而文獻中基本未涉及實測試件的真實溫度，使用的是與溫變環(huán)境相同的降溫幅度，導致平均溫縮系數(shù)的計算結果偏低。

圖13 水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計圖（5%Ⅱ型級配）

圖14 水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計圖（5%Ⅲ型級配）

圖15 低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮特性與水泥穩(wěn)定碎石對比圖

由上分析可知，低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石與水泥穩(wěn)定碎石基本具有相同的平均溫縮系數(shù)，這表明研究低劑量水泥對該材料的溫縮特性影響存在一定意義。

6 結論

（1）低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮應變總體保持與試件溫度變化一致，溫度突變會使路面基層在較短時間內(nèi)形成較大收縮應變，當來不及釋放時基層就會開裂。故在實際施工中，應特別注意急劇溫變環(huán)境，推薦使用土工布覆蓋養(yǎng)護以期減小基層受外界溫變環(huán)境的影響。

（2）低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石最大溫縮系數(shù)與平均溫縮系數(shù)會受到混合料級配和水泥劑量的影響，但差值在15%的范圍內(nèi)。推薦低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石級配可考慮選用本文的Ⅰ型級配，當各檔料現(xiàn)場配合比達不到Ⅰ型級配要求時，其次選擇Ⅱ型級配，非特殊情況不用Ⅲ型級配。

（3）低劑量水泥穩(wěn)定級配碎石與水泥穩(wěn)定碎石基本具有相同的平均溫縮系數(shù)。

[1]楊成忠，陳萬祥，等.基于半剛性基層的瀝青路面反射裂縫分析與防治[J].公路，2002，（04）：85-89.

[2]光同文.半剛性基層溫縮裂縫控制措施的研究[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2003，26（1）：127-132.

[3]中交公路規(guī)劃設計院.JTG（JTG D50-2006），公路瀝青路面設計規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4]交通部公路科學研究所.公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[M].北京：人民交通出版社，1994.

[5]蔣應軍.水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫防治研究[D].西安：長安大學，2001.

[6]趙磊.半剛性基層瀝青路面結構疲勞壽命研究[D].西安：長安大學，2009.

[7]楊文丁.半剛性基層材料收縮性能研究[D].西安：長安大學，2004.

[8]Pittman D W，McCulloug B.Development of a roller-compacted concrete pavement crack and joint spacing model[J].Transportation Research Record：Journalofthe Transportation Research Board，1997，1568（1）：52-64.

[9]張登良，鄭南翔.半剛性基層材料收縮抗裂性能研究[J].中國公路學報，1991，4（1）：16-22.

[10]胡力群.半剛性基層材料結構類型與組成設計研究[D].西安：長安大學，2004.

[11]姜蓉，尹敬澤，顧安全，等.半剛性基層材料強度與收縮性能的試驗研究[J].公路，2002，（12）：107-110.

[12]賈侃.半剛性基層材料的疲勞特性研究[D].西安：長安大學，2008.[13]劉鳳山.冷再生技術在河惠高速公路改造工程中的應用[J].建設機械技術與管理，2009，（6）：87-90.