不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能研究

羅 祺，黃顯鑄

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司沿海高速公路分公司，廣西 欽州 53500)

0 引言

現(xiàn)階段，我國高速公路路面半剛性基層大多采用水泥穩(wěn)定碎石材料鋪筑而成。水泥穩(wěn)定碎石基層在廣泛的使用中表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但其也存在如易產(chǎn)生收縮裂縫、耐久性不足等較多的缺點[1-4]，因此，有必要對水泥穩(wěn)定碎石材料做進(jìn)一步的研究。

目前，已有較多學(xué)者針對水泥穩(wěn)定碎石基層存在的不足進(jìn)行了研究，楊春玲等通過研究不同級配類型、不同水泥摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞性能，指出骨架密實型的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗疲勞性最佳，并且水泥含量越高抗疲勞性越強[5]。應(yīng)榮華等依托實際工程，對比了傳統(tǒng)缸拌水泥穩(wěn)定碎石與振動缸拌水泥穩(wěn)定碎石7 d抗壓強度，認(rèn)為振動攪拌技術(shù)對提升混合料路用性能具有較大優(yōu)勢[6]。暴英波通過對比玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石與普通水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度、劈裂強度，指出玄武巖纖維能顯著提升水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能[7]。房英鋒通過對聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行一系列路用性能試驗，指出聚酯纖維摻量在0.6‰～0.8‰時對混合料路用性能提升最佳[8]。應(yīng)榮華等還通過相關(guān)試驗研究指出，膨脹劑能明顯改善混合料的干縮性能、溫縮性能以及水穩(wěn)定性能[9]。付春梅等對比了兩種不同纖維水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能，發(fā)現(xiàn)聚酯纖維能更好地改善混合料抗裂性能[10]。綜上所述，在水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入纖維、膨脹劑，或者提高水泥摻量可以改善其路用性能。但大多數(shù)學(xué)者的研究集中于纖維、膨脹劑等單一添加劑對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，而不同外摻劑對水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的影響對比則較少。

基于以上原因，本文設(shè)計了四種不同類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料：5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石、5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石、5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石、8%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石。分別對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗及干縮性能、溫縮、疲勞試驗，研究不同水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能，從而為實際應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1)水泥：采用湖南某公司生產(chǎn)的P.C32.5型號水泥，其主要技術(shù)如表1所示。高水泥含量水泥穩(wěn)定碎石中的水泥摻量為8%，其他三種水泥穩(wěn)定碎石水泥摻量均為5%。

(2)集料：集料采用石灰?guī)r碎石，其各項技術(shù)指標(biāo)符合要求。

(3)玄武巖纖維：本研究中選用的玄武巖纖維由山東青島某纖維公司生產(chǎn)，束狀長度為12 mm。

(4)膨脹劑：選用的膨脹劑為UEA膨脹劑。膨脹劑摻量按所使用的水泥質(zhì)量的5%計。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果表

(5)根據(jù)本文依托工程所用的級配范圍，確定其級配范圍見表2。四種不同水泥穩(wěn)定碎石混合料的級配組成都按照表2來進(jìn)行。

表2 級配組成表

1.2 試驗方案

根據(jù)規(guī)范[11]相關(guān)要求，振動壓實成型相應(yīng)的圓柱體試件和梁型試件，每組試驗成型3個試件，試件制作好之后放置3 h脫模，然后稱量質(zhì)量、測量高度，并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生至規(guī)定齡期。之后取試件分別進(jìn)行干縮試驗、溫縮試驗，并利用MTS萬能試驗機進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗、四點彎曲疲勞試驗。溫縮試驗控制降溫速率為0.5 ℃/min，保溫時間為3 h，溫度區(qū)間分別為30 ℃～40 ℃、20 ℃～30 ℃、10 ℃～20 ℃、0 ℃～10 ℃、-10 ℃～0 ℃五個區(qū)間。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石、5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石、5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石、8%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石分別記為類型1、類型2、類型3、類型4。四種類型混合料的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出：7 d齡期時的類型2無側(cè)限抗壓強度相比于類型1有所減小，但減小程度不大；28 d、60 d齡期時類型2相比于類型1又分別有一定程度提高，且提高幅度也較小。這表明玄武巖纖維會降低水泥穩(wěn)定碎石的前期強度，但隨著齡期的增長，其后期強度會略有提高。這是由于水泥穩(wěn)定碎石試件在成型初期時玄武巖纖維與水泥穩(wěn)定碎石混合料之間的作用力減弱，隨著齡期增長，水泥穩(wěn)定碎石混合料與纖維之間的粘結(jié)作用不斷得到增強，使纖維與混合料成為整體，充分發(fā)揮其粘結(jié)作用。從28 d、60 d的結(jié)果來看，摻加玄武巖纖維、膨脹劑和提高水泥摻量均能增強水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度，其中高水泥摻量提升效果最為明顯。

圖1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果對比柱狀圖

2.2 干縮性能

通常采用干縮系數(shù)來衡量材料干縮性能，干縮系數(shù)越大，材料抗干縮性就越差，干縮系數(shù)越小，其抗干縮性能就越好。干縮系數(shù)的計算公式為：

(1)

式中：αd——水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)(με/%)；

εi——試件的干縮應(yīng)變(με)；

wi——試件的失水率(%)。

干縮試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：四種類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)在一開始增長迅速，后期緩慢增長，最后趨于一個穩(wěn)定值。5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)增速大約在第8 d左右開始變得平緩，5%水泥摻量玄武巖水泥穩(wěn)定碎石以及5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)增速大約在第6 d左右開始變得平緩，8%水泥摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)增速大約在第5 d左右開始變得平緩；8%水泥摻量的水泥穩(wěn)定碎石平均干縮系數(shù)較5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石增長7.1%，表明水泥摻量越大，混合料抗干縮性越差；玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)低于普通水泥穩(wěn)定碎石，這表明玄武巖纖維能夠較好地抑制水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮，其原因可能為纖維絲在混合料內(nèi)部的均勻分散，使得纖維絲與膠凝材料之間產(chǎn)生較強的連接力和機械嚙合力，約束了混合料的干縮變形；摻膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)最小，表明膨脹劑能顯著提升水泥穩(wěn)定碎石的抗干縮性能。四種混合料干縮性能優(yōu)劣依次為：5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石>8%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石。

圖2 不同時間下的水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)曲線圖

2.3 溫縮性能

如下頁圖3所示：在>0 ℃時，隨著溫度的降低，所有類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)均減小，在<0 ℃時，其溫縮系數(shù)均隨溫度降低而增大；四種水泥穩(wěn)定碎石混合料相同溫度區(qū)間下溫縮系數(shù)大小順序為：8%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石；與類型1相比，類型2和類型3的溫縮系數(shù)平均值分別降低了6.2%、11.3%，而類型4的溫縮系數(shù)平均值增加了5.2%，表明玄武巖纖維、膨脹劑均能提高水泥穩(wěn)定碎石混合料抵抗溫度收縮的性能，而水泥用量越多，其抵抗溫度收縮的性能則會變差。

圖3 不同溫度區(qū)間的水泥穩(wěn)定碎石混合料溫縮系數(shù) 對比柱狀圖

2.4 抗疲勞性能

四種不同類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞試驗的結(jié)果如表3所示。如圖4所示為應(yīng)力水平與疲勞壽命對數(shù)的擬合結(jié)果。

表3 不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞試驗結(jié)果表

圖4 疲勞試驗擬合結(jié)果示意圖

從表3可以看出：隨著應(yīng)力強度比的增大，四種水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命依次降低。從圖4的擬合結(jié)果來看：曲線的斜率決定了材料的力學(xué)敏感性，即曲線越陡，斜率的絕對值越大，應(yīng)力強度比的變化對疲勞壽命的影響則越大；疲勞方程曲線的截距值越大，代表疲勞曲線位置越高，材料的抗疲勞性能越好；類型1的截距值最小，斜率絕對值最大，說明其抗疲勞性能較差。四種混合料疲勞壽命大小排序為：類型4>類型2>類型3>類型1。

3 結(jié)語

本文通過對四種不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗、干縮試驗、溫縮試驗、抗疲勞性能試驗，綜合對比試驗結(jié)果，得出的主要結(jié)論如下：

(1)玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石前期的抗壓強度會略微降低，但隨著齡期的增長，后期強度會高于普通水泥穩(wěn)定碎石。四種類型水泥穩(wěn)定碎石混合料60 d抗壓強度大小順序為：8%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石。

(2)膨脹劑和玄武巖纖維均能有效減少水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)與溫縮系數(shù)，其中膨脹劑提高混合料干縮性能、溫縮性能的程度最大。水泥摻量則與混合料干縮性能、溫縮性能成反比，即水泥摻量越高，混合料干縮性能、溫縮性能越差。

(3)相同應(yīng)力強度比情況下，四種混合料疲勞壽命大小依次為，8%水泥摻量水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩(wěn)定碎石。綜合對比所有試驗結(jié)果，膨脹劑對提高混合料各方面性能有著最佳效果，建議實際施工中優(yōu)先選用膨脹劑作為水泥穩(wěn)定碎石材料外摻劑。