抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料在公路中應(yīng)用研究

劉鐵軍

（鄭州第二市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450099）

道路新建或改擴(kuò)建工程中伴隨著路面結(jié)構(gòu)的選擇和優(yōu)化，道路基層是路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，其質(zhì)量的好壞直接影響道路的使用性能。因此，有必要研究和開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗裂能力強(qiáng)、使用損壞率低的基層材料[1-3]。道路基層材料一般可以分為半剛性基層和柔性基層，其中，半剛性基層是目前使用和推廣的主要基層類(lèi)型，半剛性基層具有較高的強(qiáng)度和較好的荷載傳力效果。在實(shí)際的工程建設(shè)中，水泥穩(wěn)定碎石是半剛性基層材料的主要代表，水泥穩(wěn)定碎石材料是將水泥和碎石等材料按照一定比例拌和而成型的骨架顆粒材料[4]。隨著道路使用年限的增長(zhǎng)，半剛性基層路面也會(huì)逐步產(chǎn)生一定的質(zhì)量缺陷，其中，道路的裂縫問(wèn)題是困擾路面結(jié)構(gòu)的主要難題，施工過(guò)程中水穩(wěn)碎石對(duì)溫度與濕度敏感較強(qiáng)。在溫度較高和濕度變化較大時(shí)，傳統(tǒng)水穩(wěn)碎石發(fā)生了收縮產(chǎn)生裂縫，該現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致基層裂縫以及瀝青面層的反射裂縫[5-6]。

針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題國(guó)內(nèi)學(xué)者也關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石基層材料做了大量的研究，圍繞材料改性、外摻材料、級(jí)配設(shè)計(jì)等改善水泥水穩(wěn)碎石的抗開(kāi)裂性能[7-8]。而銑刨料作為道路回收的廢舊材料，將其應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層材料中不僅可以解決資源可循環(huán)問(wèn)題，還可以綜合提升水泥穩(wěn)定碎石材料的性能。本文通過(guò)研究銑刨料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石材料中的性能變化規(guī)律，推薦出科學(xué)的抗裂性水泥穩(wěn)定碎石材料。

1 抗裂水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）水泥

試驗(yàn)選用普通的硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，水泥的初凝時(shí)間大于45min，終凝時(shí)間小于600min。

（2）集料

本試驗(yàn)采用河南產(chǎn)石灰?guī)r集料，集料表面潔凈無(wú)雜質(zhì)，對(duì)新集料的壓碎值、軟石含量、針片狀顆粒含量等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定滿足規(guī)范要求。

（3）銑刨料

銑刨料是道路改擴(kuò)建過(guò)程中銑刨、破碎、回收的瀝青路面材料，其表面附著一層老化瀝青，在水泥穩(wěn)定碎石拌和過(guò)程中能增強(qiáng)材料嵌擠性能。本研究使用的銑刨料為廣西某二級(jí)公路回收的銑刨料，老化程度為輕度老化。

1.2 抗裂水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配優(yōu)化

結(jié)合道路施工設(shè)計(jì)說(shuō)明技術(shù)要求，研究設(shè)計(jì)了基層抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配范圍，見(jiàn)表1。通過(guò)多組水穩(wěn)碎石材料的級(jí)配對(duì)比和驗(yàn)證，為滿足抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度和抗裂性能需求，考慮增加碎石的摻量、嚴(yán)格控制用水量等方式進(jìn)行質(zhì)量保障?？沽研退喾€(wěn)定碎石混合料中合成碎石的顆粒組成，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配范圍要求Table 1 Requirements for grading range of cement stabilized macadam mixture

圖1 水穩(wěn)碎石材料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線Fig. 1 Grading design curve of water stable macadam

抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料在拌和過(guò)程中采用的水泥劑量為4.2%，銑刨料摻量從0%、5%、15%、20%、25%、30%不等，研究不同銑刨料摻量下抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度變化關(guān)系，銑刨料摻量與最佳含水量、最大干密度變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 銑刨料摻量與最佳含水量關(guān)系Fig. 2 Relationship between milling material content and optimum water content

圖3 銑刨料摻量與最大干密度關(guān)系Fig. 3 Relationship between milling material content and maximum dry density

研究表明：銑刨料摻入水泥穩(wěn)定碎石基層材料中，在水泥用量固定的前提下，銑刨料摻量的提升會(huì)降低水泥穩(wěn)定碎石基層材料的最佳含水率，與此同時(shí)，最大干密度也成先上升后下降的趨勢(shì)。其主要原因是銑刨料經(jīng)常年的道路服役使用，材料表面被老化瀝青裹附形成半封閉結(jié)構(gòu)，在一定程度上會(huì)減少材料的吸水率，銑刨料摻量增加后會(huì)增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的嵌擠作用。

2 抗裂型水泥穩(wěn)定碎石路用性能

研究通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)研究抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料的路用性能。

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是表征水泥穩(wěn)定碎石基層材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）中不同等級(jí)道路無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值制定了明確的規(guī)范要求。本研究對(duì)摻不同摻量銑刨料的抗裂性水泥穩(wěn)定碎石基層材料進(jìn)行7d和28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig. 4 7d unconfined compressive strength

圖5 28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig. 5 28d unconfined compressive strength

由圖4和圖5可知，隨著銑刨料摻量的提升，7d和28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中，銑刨料摻量為15%時(shí)，對(duì)應(yīng)的7d和28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為4.75MPa和6.59MPa，達(dá)到JTG/T F20-2015規(guī)范中重載交通一級(jí)公路使用要求。銑刨料的增加在一定程度上增強(qiáng)了碎石材料間的嵌擠作用，使得材料骨架結(jié)構(gòu)更完整，受力更趨于均衡。而銑刨料摻量達(dá)到一定程度時(shí)，由于銑刨料的壓碎值較普通碎石材料偏低，若使用數(shù)量較多也會(huì)在一定程度上降低材料整體的抗壓性能。

2.2 抗壓回彈模量試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定碎石是介于柔性材料和剛性材料之間的半剛性材料，研究中通常采用抗壓回彈模量來(lái)評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石的剛度，是表征材料的抗裂性能的方法之一。試驗(yàn)參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中的要求對(duì)7d和28d的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 7d抗壓回彈模量Fig. 6 7d compressive modulus of resilience

圖7 28d抗壓回彈模量Fig. 7 28d compressive modulus of resilience

由圖6和圖7所示，隨著銑刨料摻量的增加，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量逐漸降低且下降速率不斷減緩。當(dāng)銑刨料摻量達(dá)到15%時(shí)，7d和28d抗壓回彈模量分別為978MPa和1287MPa，銑刨料的壓碎值一般要遠(yuǎn)小于天然碎石，而抗壓回彈模量又與材料的壓碎值直接相關(guān)。因此，為保障抗裂性水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)銑刨料摻量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.3 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

抗彎拉強(qiáng)度又稱(chēng)為抗折強(qiáng)度，是表征水泥穩(wěn)定碎石基層材料在極限破壞時(shí)所承受的彎拉荷載。研究采用400mm×150mm×150mm的梁式試件進(jìn)行三分點(diǎn)加載破壞試驗(yàn)，7d和28d的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料抗彎拉強(qiáng)度如圖8、圖9所示。

圖8 7d抗彎拉強(qiáng)度Fig. 8 7d flexural tensile strength

圖9 28d抗彎拉強(qiáng)度Fig. 9 28d flexural tensile strength

由圖8和圖9可知，隨著銑刨料摻量的增加，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的抗彎拉強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中，7d和28d抗彎拉強(qiáng)度最大分別為0.44MPa和0.69MPa。此外，研究還發(fā)現(xiàn)銑刨料摻量提升的同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石基層材料28d的抗彎拉強(qiáng)度較7d的提升速率減緩。銑刨料摻量為0時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的28d抗彎拉強(qiáng)度較7d抗彎拉強(qiáng)度提升了64%；而銑刨料摻量為15%時(shí)，提升率為57%；30%的銑刨料摻量時(shí)，其提升率僅為41%。因此，研究表明銑刨料摻量超過(guò)一定程度時(shí)會(huì)削減水泥穩(wěn)定碎石的長(zhǎng)期抗彎拉強(qiáng)度。

2.4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂強(qiáng)度是評(píng)價(jià)水穩(wěn)碎石基礎(chǔ)材料抗開(kāi)裂性能最為關(guān)鍵的指標(biāo)，參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)要求，分別對(duì)不同銑刨料摻量下7d和28d水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 7d劈裂強(qiáng)度Fig. 10 7d splitting strength

圖11 28d劈裂強(qiáng)度Fig. 11 28d splitting strength

由圖10和圖11可知，隨著銑刨料材料摻量的增加，抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的最大劈裂強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，7d和28d水泥穩(wěn)定碎石的最大劈裂強(qiáng)度分別為0.38MPa和0.57MPa，劈裂強(qiáng)度是表征材料抗開(kāi)裂最為關(guān)鍵的指標(biāo)，研究表明：銑刨料以適宜的摻量加入到水泥穩(wěn)定碎石中能夠增強(qiáng)材料的抗裂性能。綜上，結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等試驗(yàn)指標(biāo)，研究認(rèn)為15%的銑刨料摻量為最佳摻量，能夠綜合提升水泥穩(wěn)定碎石材料的路用性能。

3 工程應(yīng)用

2018年4月，研究對(duì)抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料進(jìn)行了實(shí)地工程應(yīng)用，雙幅路鋪筑長(zhǎng)度為4.2公里，道路等級(jí)為一級(jí)公路。本次試鋪段施工經(jīng)檢測(cè)，水泥穩(wěn)定碎石材料各項(xiàng)數(shù)據(jù)合格，施工后壓實(shí)度等指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求，路面外觀質(zhì)量較好。 在2019年上半年對(duì)使用抗裂水泥穩(wěn)定碎石基層材料的道路進(jìn)行路面病害檢查，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 裂縫調(diào)查情況Table 2 Crack investigation

從表2中可以看出，使用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層材料的路段，其路面裂縫數(shù)量、裂縫寬度和裂縫長(zhǎng)度均小于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定基層材料道路，說(shuō)明針對(duì)抗裂水泥穩(wěn)定碎石基層材料在實(shí)際工程中應(yīng)用的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

研究采用銑刨料代替部分天然碎石的方法制備抗裂性水泥穩(wěn)定碎石材料，通過(guò)研究不同銑刨料摻量下7d和28d水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等試驗(yàn)指標(biāo)，研究表明：銑刨料的摻入會(huì)有效提升材料的抗壓強(qiáng)度和抗裂性能，但銑刨料摻量的過(guò)多也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利影響。因此，需嚴(yán)格把控水泥穩(wěn)定碎石基層材料中銑刨料的具體使用摻量，研究對(duì)于提升道路綜合服役性能尤其是緩解基層反射裂縫問(wèn)題具有重要借鑒意義。