水泥穩(wěn)定碎石抗離析評(píng)價(jià)方法研究

王明軍,翟新明,邸文錦,翟健梁,關(guān)博文,熊 銳

(1.青海省果洛公路工程建設(shè)有限公司,西寧 810021;2.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710061)

0 引 言

寬幅超厚水泥穩(wěn)定碎石基層由于施工便利且整體性能好,被廣泛用于道路基層建設(shè)[1-2]。然而,在水泥穩(wěn)定碎石材料的運(yùn)輸、裝卸以及鋪筑過程中極易發(fā)生混合料級(jí)配離析[3-4],而道路基層發(fā)生局部或整體性的級(jí)配離析后則會(huì)進(jìn)一步引發(fā)所鋪筑道路中各處的力學(xué)性能及路用性能不一致[5-7],致使整體路用性能下降[8-10]。

美國國家瀝青研究中心(NCAT)提出了根據(jù)道路芯樣的孔隙率變化、瀝青含量變化以及壓實(shí)度變化對(duì)道路離析程度進(jìn)行劃分的方法[11-12]。NCAT利用構(gòu)造深度法、原位密度法、紅外熱像儀法和鉆芯取樣法等,并根據(jù)孔隙率等指標(biāo)的波動(dòng)結(jié)果,將道路離析劃分為無離析、輕度離析、中度離析以及嚴(yán)重離析四類。其中,鉆芯取樣法為有損檢測(cè)[13],其余三種方法均為無損檢測(cè)。以上離析檢測(cè)方法均需要在路段鋪筑完成后,對(duì)道路芯樣進(jìn)行離析檢測(cè),但目前鮮有水泥穩(wěn)定碎石在室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的離析評(píng)價(jià)方法。徐程[14]運(yùn)用料堆試驗(yàn)設(shè)計(jì)理念,研究了拌和方法對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料抗離析性能的影響,并引用離析系數(shù)L對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的離析程度進(jìn)行評(píng)價(jià),但文中僅利用了料堆的徑高比來簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)混合料的離析等級(jí),并不能精確劃分離析等級(jí)。胡立群等[15]最早提出了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料的離析評(píng)價(jià)方法,建議在混合料拌和后的傳送階段、運(yùn)料車的不同部位以及攤鋪機(jī)的受料斗和分料器的兩端取樣,經(jīng)過篩分、烘干等過程,計(jì)算級(jí)配曲線與原始級(jí)配曲線的偏差程度,并將其定義為離析度,然而使用級(jí)配偏差的絕對(duì)值之和進(jìn)行離析等級(jí)的劃分時(shí),不能突出各級(jí)配的偏差程度,且部分區(qū)域的隨機(jī)取料也不能全面說明混合料的離析程度?，F(xiàn)階段對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的室內(nèi)離析試驗(yàn)及抗離析性能的評(píng)價(jià)多借鑒瀝青混合料的評(píng)價(jià)方法,但由于瀝青混合料與水泥穩(wěn)定碎石混合料存有一定差異,還需進(jìn)一步研究離析評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的適用性。另外,針對(duì)大厚度半剛性基層易離析的特性,有必要對(duì)其抗離析性能進(jìn)行研究。因此,在室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M混合料的拌和及儲(chǔ)存過程中引入合理的離析系數(shù)及離析評(píng)價(jià)方法來對(duì)混合料的離析程度進(jìn)行劃分,對(duì)大厚度半剛性基層抗離析性能的研究具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了適用于水泥穩(wěn)定碎石基層的室內(nèi)離析試驗(yàn),并從兩方面研究了不同級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石的抗離析性能。首先對(duì)料堆高度和底面直徑進(jìn)行測(cè)量,利用料堆的徑高比表征水泥穩(wěn)定碎石混合料的離析程度;其次對(duì)料堆進(jìn)行橫向與縱向分區(qū),利用各分區(qū)內(nèi)級(jí)配與原級(jí)配的偏離方差表征混合料的離析程度,并從以上兩方面綜合計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石混合料的離析系數(shù),不僅可以整體地評(píng)價(jià)料堆的抗離析能力,還能精確分區(qū)計(jì)算料堆各區(qū)域的離析情況,最后根據(jù)離析系數(shù)的大小判定混合料的離析程度。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用海螺牌425號(hào)普通硅酸鹽水泥;集料選用中建西部建設(shè)北方有限公司航天預(yù)拌廠的破碎集料,集料包括4檔,分別為1# [20,25)、2# [10,20)、3# [5,10)以及4# (0,5)mm,其中定義4#(0,5)mm集料為細(xì)集料,其余三檔料為粗集料。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石基層配合比

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[16]中推薦的高速公路與一級(jí)公路水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配,設(shè)計(jì)了5種不同粗細(xì)的混合料,并以粒徑為4.75 mm的混合料通過率作為控制指標(biāo),將4.75 mm通過率分別為25%、30%、35%、40%以及45%的5種級(jí)配對(duì)應(yīng)命名為GW1、GW2、GW3、GW4和GW5,具體級(jí)配設(shè)計(jì)如表1所示。根據(jù)水泥穩(wěn)定碎石試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,選用占集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、5%與6%的水泥劑量,并在最佳含水率條件下進(jìn)行不同級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料的室內(nèi)離析試驗(yàn)。

表1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配Table 1 Gradation of cement stabilized macadam mixture

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 室內(nèi)離析試驗(yàn)

室內(nèi)離析試驗(yàn)裝置由離析試驗(yàn)架、兩個(gè)錐形桶和方形底板組成,裝置如圖1所示。為明確水泥穩(wěn)定碎石混合料料堆各區(qū)域的離析情況,對(duì)水泥穩(wěn)定碎石下落堆體進(jìn)行了分區(qū),具體分區(qū)情況如圖2所示。將料堆分為5個(gè)區(qū)域,分別標(biāo)記為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和 Ⅴ 區(qū),其中 Ⅰ 區(qū)和 Ⅱ 區(qū)為豎直排列的中間區(qū)域,Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ區(qū)為周圍底部區(qū)域,3個(gè)區(qū)域面積相等。通過對(duì)比不同區(qū)域內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配變化,判斷料堆在豎直同水平方向上的離析差異情況。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石混合料室內(nèi)離析試驗(yàn)裝置Fig.1 Indoor segregation test device of cement stabilized macadam mixture

圖2 水泥穩(wěn)定碎石混合料料堆分區(qū)示意圖Fig.2 Pile partition schematic diagram of cement stabilized macadam mixture

1.3.2 室內(nèi)離析試驗(yàn)方法

1)將拌和好的水泥穩(wěn)定碎石混合料倒入上層錐形桶,蓋好前后蓋,轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄 2 min,使混合料保持整體均勻性,降低因倒料而造成的誤差。

2)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后,上層錐形桶靜置30 s后,迅速打開錐形桶前蓋使混合料全部落入下層錐形桶中(此時(shí)下層錐形桶下部的可抽拉擋板處于閉合狀態(tài)),待混合料全部落入后,將下層錐形桶靜置 30 s。

3)靜置結(jié)束后,快速抽出下層錐形桶的可抽拉擋板,使混合料落至地面帶有同心圓輔助線和分區(qū)線的方形底板中。當(dāng)集料顆粒全部停止?jié)L動(dòng)后,使用標(biāo)尺測(cè)量料堆高度,借助底板同心圓刻度線測(cè)量料堆的直徑,做好記錄。

4)使用小鏟在料堆頂部取1.6 kg混合料,倒入0.6 mm 方孔篩中,標(biāo)記為 Ⅰ 區(qū)混合料。按照底板扇形分區(qū)線,在每個(gè)分區(qū)取1.6 kg混合料,然后將各分區(qū)混合料分別裝入對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的 0.6 mm方孔篩中,做好各區(qū)標(biāo)記;最后,在料堆中間區(qū)域取1.6 kg混合料倒入2號(hào)0.6 mm方孔篩中,標(biāo)記為 Ⅱ 區(qū)混合料。

5)將方孔篩上混合料沖洗干凈,直至0.6 mm以下細(xì)料及水泥被全部沖走后,將濕料移至105 ℃ 烘箱中恒溫 4 h,待水分完全蒸發(fā),稱取各區(qū)域干料質(zhì)量并做記錄。然后,將各區(qū)域干料做篩分試驗(yàn)并稱量26.50、19.00、9.50、4.75、2.36 及0.60 mm的篩上質(zhì)量,做好記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 離析系數(shù)計(jì)算方法

由于料堆形狀與料堆各區(qū)域內(nèi)的級(jí)配組成都能較好地反映水泥穩(wěn)定碎石混合料的離析情況[17],因此本研究引入2種評(píng)價(jià)混合料離析程度的指標(biāo),分別為形狀離析系數(shù)和篩分離析系數(shù)。其中,形狀離析系數(shù)是針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的下落堆體高度與底面積提出的評(píng)價(jià)指標(biāo),可用于評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石混合料的整體離析情況;篩分離析系數(shù)是針對(duì)各區(qū)域混合料的各篩孔通過率變化而提出的評(píng)價(jià)指標(biāo),可體現(xiàn)料堆局部離析情況。

1)形狀離析系數(shù)

水泥穩(wěn)定碎石混合料的料堆形狀主要由料堆高度及料堆底面積決定。水泥穩(wěn)定碎石混合料中水泥劑量、含水率以及集料級(jí)配存在差異,導(dǎo)致混合料下落過程中的內(nèi)部力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)千差萬別,這賦予了集料顆粒或集料團(tuán)體不同的加速度和速度。另外,不規(guī)則的集料外形、外層部分或全部黏附水泥砂漿以及集料顆粒之間存在黏聚效應(yīng),均會(huì)導(dǎo)致各集料顆?；驁F(tuán)體的自身特性(如摩擦力和質(zhì)量)有所差異。綜合以上兩種原因,下落過程中混合料顆粒或團(tuán)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與自身特性不同,導(dǎo)致料堆的形狀不同,即料堆的休止角不同[18]。料堆的休止角是指料堆母線與料堆底平面形成的夾角,當(dāng)料堆質(zhì)量一定時(shí),顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)影響料堆休止角的大小。休止角大小可以通過料堆的高度和底面積來體現(xiàn),因此本試驗(yàn)通過計(jì)算料堆的徑高比表征水泥穩(wěn)定碎石混合料的離析程度,并將其定義為形狀離析系數(shù)。形狀離析系數(shù)的計(jì)算公式如式(1)所示:

L=D/H

(1)

式中:L為水泥穩(wěn)定碎石混合料的形狀離析系數(shù);D為料堆底平面的直徑,mm;H為料堆的高度,mm。L越大,該混合料的離析情況越嚴(yán)重, 反之,L越小,說明混合料的離析程度越小。

2)篩分離析系數(shù)

除了料堆的形狀特點(diǎn),料堆不同區(qū)域的級(jí)配組成能更精確地反映水泥穩(wěn)定碎石混合料離析程度。在進(jìn)行室內(nèi)離析試驗(yàn)前,任意位置的混合料級(jí)配均與設(shè)計(jì)級(jí)配相近,經(jīng)過室內(nèi)離析試驗(yàn)后,由于顆粒或顆粒團(tuán)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同,使混合料內(nèi)部孔隙率不均,各區(qū)域級(jí)配改變[19]。各區(qū)域級(jí)配與原設(shè)計(jì)級(jí)配的差值可準(zhǔn)確反映混合料離析程度,因此本研究通過各區(qū)域的級(jí)配變化計(jì)算混合料的離析程度,并引入篩分離析系數(shù),具體計(jì)算過程見式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

2.2 基于離析系數(shù)的結(jié)果分析

2.2.1 形狀離析系數(shù)結(jié)果分析

當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石混合料全部下落至方形底板且料堆形狀穩(wěn)定后,借助離析架豎管上的刻度與方形底板上的同心圓刻度來測(cè)量混合料料堆高度和底面直徑,并計(jì)算形狀離析系數(shù),測(cè)量的料堆高度和底面直徑如圖3所示,計(jì)算的形狀離析系數(shù)如圖4所示。

圖3 不同水泥劑量下各級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料的料堆高度和底面直徑Fig.3 Pile height and basel diameter of cement stabilized macadam mixture of each gradation under different cement content

圖4 各級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料的形狀離析系數(shù)Fig.4 Shape segregation coefficient of cement stabilized macadam mixture of each gradation

由圖3可知,不同水泥劑量和不同級(jí)配種類的水泥穩(wěn)定碎石混合料料堆高度和底面直徑有所差異。當(dāng)水泥劑量為4%時(shí),不同級(jí)配混合料料堆高度由大到小的順序?yàn)镚W3>GW4>GW2>GW1>GW5;當(dāng)水泥劑量為5%和6%時(shí),不同級(jí)配混合料料堆高度由大到小的順序?yàn)镚W3>GW4>GW2>GW5>GW1。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi),水泥劑量越大、級(jí)配嵌鎖能力越好的混合料,所形成的料堆高度越高;其次,因水泥劑量不同所造成料堆高度的差異主要體現(xiàn)在GW1和GW5上,因?yàn)镚W1的粗集料比例更高,在自然堆積狀態(tài)下的料堆休止角更大,所以當(dāng)水泥劑量為4%時(shí),GW1的料堆高度高于GW5。隨著水泥劑量的增加,混合料的內(nèi)部黏結(jié)能力提升,集料級(jí)配對(duì)混合料料堆性能的影響占據(jù)主導(dǎo)地位,此時(shí)休止角的發(fā)揮作用不大[20]。因此當(dāng)水泥劑量為5%和6%時(shí),GW1的料堆高度低于GW5。另外,料堆的底面直徑變化規(guī)律不明顯,總體在375～423 mm,這是因?yàn)榱隙训酌嬷睆降拇笮〔粌H取決于混合料內(nèi)部的嵌擠能力,還與集料的形狀和位置分布有關(guān),所以底面直徑的變化規(guī)律不明顯。

由圖4可知,3種水泥劑量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的形狀離析系數(shù)變化趨勢(shì)一致,隨著級(jí)配種類從GW1變化至GW5,混合料的形狀離析系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)。以水泥劑量5%為例, GW2的形狀離析系數(shù)較GW1降低了7.2%;GW3的形狀離析系數(shù)較GW1降低了16.1%;GW4的形狀離析系數(shù)較GW1降低了14.1%;GW5的形狀離析系數(shù)較GW1降低了1.2%。顯然,當(dāng)混合料的形狀離析系數(shù)大時(shí),結(jié)構(gòu)松散易離析;反之,若混合料的形狀離析系數(shù)小,則說明混合料粗細(xì)比例適宜、和易性好且分布均勻不易離析。由此可知,在相同條件下,水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配的抗離析能力由大到小依次為GW3>GW4>GW2>GW5>GW1。這是因?yàn)檫m宜的集料比例能使水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部形成穩(wěn)定力鏈網(wǎng)絡(luò)[21],能抵抗變形與保持均勻性,因此有效提高了水泥穩(wěn)定碎石的抗離析性能。

通過縱向?qū)Ρ炔煌鄤┝織l件下不同級(jí)配種類的形狀離析系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),水泥劑量為4%的形狀離析系數(shù)最大,水泥劑量為5%的次之,水泥劑量為6%的最小。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)水泥劑量的增加可以改善水泥穩(wěn)定碎石的內(nèi)部黏聚力,增大抵抗混合料變形的能力[22]。另外,從圖4中可明顯看出水泥劑量為5%的曲線與水泥劑量為6%的曲線更為接近,說明兩者的形狀離析系數(shù)相差更小,當(dāng)固定級(jí)配種類為GW3時(shí),兩者僅相差0.05。這是因?yàn)楫?dāng)水泥劑量達(dá)到5%時(shí),已能提供較高水平的抗離析能力,再繼續(xù)增大水泥劑量對(duì)混合料抗離析能力的貢獻(xiàn)不大。從這一點(diǎn)可以看出,當(dāng)水泥劑量為5%和6%時(shí),水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗離析能力相差不大,因此考慮經(jīng)濟(jì)效益推薦水泥使用量為5%。

2.2.2 篩分離析系數(shù)結(jié)果分析

根據(jù)1.3.2節(jié)中室內(nèi)離析試驗(yàn)方法和2.1節(jié)中離析系數(shù)計(jì)算方法,計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石混合料的篩分離析系數(shù)。首先對(duì)集料級(jí)配為GW1的混合料進(jìn)行室內(nèi)離析試驗(yàn),水泥劑量分別為4%、5%和6%,加水量為最佳含水量。將各分區(qū)已經(jīng)稱重的混合料倒入0.6 mm方孔篩中,經(jīng)過沖洗、烘干以及篩分后,記錄每個(gè)分區(qū)各關(guān)鍵篩孔上的集料質(zhì)量。由于沖洗環(huán)節(jié)中沖洗掉了0.6 mm以下的細(xì)料,因此需將原級(jí)配各篩孔的通過率換算至0.6 mm以上。換算后的GW1各分區(qū)的通過率如圖5所示。其中,GW1料堆各區(qū)的級(jí)配分別命名為GW1Ⅰ、GW1Ⅱ、GW1Ⅲ、GW1Ⅳ和GW1Ⅴ,其他級(jí)配種類各分區(qū)的級(jí)配命名同理。同樣地,對(duì)集料級(jí)配為GW2、GW3、GW4、GW5的混合料進(jìn)行室內(nèi)離析試驗(yàn),圖5～圖9為換算后各分區(qū)的通過率。

圖5 換算后GW1各分區(qū)的通過率Fig.5 Pass percentage of GW1 each partitions after conversion

圖6 換算后GW2各分區(qū)的通過率Fig.6 Pass percentage of GW2 each partitions after conversion

圖7 換算后GW3各分區(qū)的通過率Fig.7 Pass percentage of GW3 each partitions after conversion

圖8 換算后GW4各分區(qū)的通過率Fig.8 Pass percentage of GW4 each partitions after conversion

圖9 換算后GW5各分區(qū)的通過率Fig.9 Pass percentage of pass of GW5 each partitions after conversion

對(duì)比分析篩分后各區(qū)的級(jí)配變化可知,對(duì)于某一固定級(jí)配而言,Ⅰ 區(qū)混合料的級(jí)配偏離設(shè)計(jì)級(jí)配程度最大,Ⅱ 區(qū)混合料的級(jí)配最貼近設(shè)計(jì)級(jí)配,Ⅲ 區(qū)、Ⅳ 區(qū)和Ⅴ 區(qū)混合料級(jí)配的偏離程度介于 Ⅰ 區(qū)和 Ⅱ 區(qū)之間。以水泥劑量為4%為例,與GW1相比,GW1Ⅰ 各篩孔的通過率平均變化了 4.48%,GW1Ⅱ平均變化了1.79%,GW1Ⅲ 平均變化了3.80%,GW1Ⅳ 平均變化了2.95%,GW1Ⅴ 平均變化了3.08%。由此可以看出 Ⅱ 區(qū)級(jí)配的偏離程度遠(yuǎn)小于 Ⅰ 區(qū),而 Ⅲ 區(qū)、Ⅳ 區(qū)和 Ⅴ 區(qū)篩孔通過率的偏離程度相近。另外,當(dāng)水泥劑量為5%和6%時(shí),各區(qū)級(jí)配的變化規(guī)律相似。

與設(shè)計(jì)級(jí)配相比,各篩孔通過率的偏離程度可以直接反映各區(qū)離析程度,由此可知,Ⅰ 區(qū)混合料的離析程度最大,Ⅲ 區(qū)、Ⅳ 區(qū)及 Ⅴ 區(qū)次之,Ⅱ 區(qū)混合料的離析程度最小,也就是料堆頂部級(jí)配離析最嚴(yán)重,頂部正下方的中部區(qū)域離析程度最小,周圍底部區(qū)域的離析程度相近,介于頂部和中部區(qū)域之間。

由圖5～圖9可以明顯看出 Ⅰ 區(qū)級(jí)配曲線離設(shè)計(jì)級(jí)配曲線最遠(yuǎn),Ⅱ 區(qū)級(jí)配曲線與設(shè)計(jì)級(jí)配曲線最貼近,Ⅲ 區(qū)、Ⅳ 區(qū)和 Ⅴ 區(qū)的級(jí)配曲線位于 Ⅰ 區(qū)和 Ⅱ 區(qū)級(jí)配曲線之間,這一規(guī)律對(duì)水泥劑量 4%、5%和6%均適用。除此之外,縱向?qū)Ρ雀骷?jí)配曲線可以看出,GW3 中各區(qū)域的級(jí)配曲線最集中,GW2 和 GW4 各區(qū)域的級(jí)配曲線集中程度次之,GW1和GW5各區(qū)域的級(jí)配曲線總體分布最離散。這是因?yàn)榧霞?jí)配為GW3的混合料4.75 mm通過率為35%,能使混合料內(nèi)部形成強(qiáng)有力的力鏈結(jié)構(gòu),抵抗混合料在下落過程中的離散趨勢(shì)。然而,當(dāng)4.75 mm通過率過大時(shí)或過小的混合料內(nèi)部粗集料占比過多時(shí)或細(xì)集料含量過多時(shí),力鏈分散且不均勻,力鏈強(qiáng)度有所降低[23],混合料顆粒間不能形成嵌鎖結(jié)構(gòu),導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各異,因此經(jīng)過料堆試驗(yàn)后的混合料會(huì)發(fā)生較大程度離析。

2.3 水泥穩(wěn)定碎石的離析評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 形狀離析系數(shù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

室內(nèi)離析試驗(yàn)表明水泥穩(wěn)定碎石混合料的形狀離析系數(shù)可以有效反映混合料離析程度。然而業(yè)內(nèi)研究時(shí)還未將形狀離析系數(shù)作為離析評(píng)價(jià)指標(biāo)以及作為對(duì)水泥穩(wěn)定碎石離析程度的劃分標(biāo)準(zhǔn),但考慮到形狀離析系數(shù)的合理性與便捷性,本節(jié)嘗試根據(jù)形狀離析系數(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的離析程度進(jìn)行劃分。依據(jù)2.1節(jié)中不同水泥劑量和集料級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石形狀離析系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,具體劃分離析評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示,基于形狀離析系數(shù)的離析等級(jí)劃分如圖10所示。

圖10 基于形狀離析系數(shù)的離析等級(jí)劃分Fig.10 Segregation grade classification based on shape segregation coefficient

表2 基于形狀離析系數(shù)的離析評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Segregation evaluation criteria based on shape segregation coefficient

根據(jù)表2中形狀離析系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,將水泥劑量5%中相鄰形狀離析系數(shù)的中值作為劃分離析程度的臨界值。結(jié)合表2和圖10可知,當(dāng)水泥劑量為4%時(shí),集料級(jí)配從GW1到GW5的離析等級(jí)分別是嚴(yán)重離析、輕度離析、輕微離析、輕度離析和中度離析;當(dāng)水泥劑量為5%時(shí),集料級(jí)配從GW1到GW5的離析等級(jí)分別是中度離析、輕度離析、無離析、輕微離析和輕度離析;當(dāng)水泥劑量為6%時(shí),集料級(jí)配從GW1到GW5的離析等級(jí)分別是中度離析、輕微離析、無離析、輕微離析和輕度離析。就水泥劑量5%和6%而言,GW3和GW4的離析等級(jí)總能保持為無離析和輕微離析,這充分說明了這兩種級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石抗離析性能的優(yōu)異性。

2.3.2 篩分離析系數(shù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2.1節(jié)中篩分離析系數(shù)的計(jì)算方法分析篩分試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算5種設(shè)計(jì)級(jí)配的篩分離析系數(shù);依據(jù)具體計(jì)算結(jié)果并結(jié)合形狀離析系數(shù),對(duì)不同級(jí)配混合料的離析程度進(jìn)行定量劃分。篩分離析系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同水泥劑量條件下各級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石混合料的篩分離析系數(shù)Fig.11 Sieve separation coefficient of cement stabilized macadam mixture under different cement content

為了全面、準(zhǔn)確地對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的離析程度進(jìn)行劃分,本文在料堆分區(qū)方法中引入篩分離析系數(shù)。具體方法為:篩分離析系數(shù)每增加5即劃分一個(gè)離析等級(jí),基于形狀離析系數(shù)Seg的離析評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表2,基于篩分離析系數(shù)的離析等級(jí)劃分如圖12所示。

圖12 基于篩分離析系數(shù)的離析等級(jí)劃分Fig.12 Segregation grade classification based on sieve segregation coefficient

結(jié)合表3和圖12可知,當(dāng)水泥劑量為4%時(shí),集料級(jí)配從GW1到GW5的離析等級(jí)分別為嚴(yán)重離析、輕度離析、輕微離析、輕度離析和中度離析;當(dāng)水泥劑量為5%時(shí),集料級(jí)配從GW1到GW5的離析等級(jí)分別是中度離析、輕度離析、無離析、輕微離析和輕度離析;當(dāng)水泥劑量6%時(shí),集料級(jí)配從GW1到GW5的離析等級(jí)分別是中度離析、輕微離析、無離析、輕微離析和輕度離析。就水泥劑量5%和6%而言,GW3和GW4的離析等級(jí)總能保持為無離析和輕微離析,這充分說明了這兩種級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗離析性能較優(yōu)。

表3 基于篩分離析系數(shù)Seg的離析評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Segregation evaluation standard based on sieve segregation coefficient Seg

3 結(jié) 論

1)與水泥劑量4%相比,水泥劑量為5%和6%的水泥穩(wěn)定碎石混合料的形狀離析系數(shù)平均減小了3.1%,篩分離析系數(shù)Seg平均減小了14.0%。此外,混合料的抗離析性能在水泥劑量從4%增至5%時(shí)有大幅度提升,且水泥劑量5%和水泥劑量6%的混合料的抗離析能力相差不大,因此更推薦5%的水泥劑量。

2)綜合考慮豎直和水平方向的混合料料堆分區(qū)方法能全面反映各個(gè)級(jí)配的離析程度。研究表明Ⅰ區(qū)混合料的離析程度最大,Ⅱ區(qū)混合料的離析程度最小,Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)混合料的離析程度相近且介于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間,直接反映出料堆頂部最易離析,這一點(diǎn)同樣適用于5%、6%水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石混合料。

3)由各級(jí)配曲線圖可知,GW3和GW4各區(qū)域的級(jí)配曲線最集中,GW2各區(qū)域的級(jí)配曲線集中程度次之,GW1和GW5各區(qū)域的級(jí)配曲線總體分布最為離散。因此,當(dāng)4.75 mm通過率為35%～40%時(shí),混合料內(nèi)部能形成強(qiáng)有力的力鏈結(jié)構(gòu),抵抗混合料在下落過程中的離散趨勢(shì)。

4)水泥劑量為5%和6%的GW3和GW4離析等級(jí)(無論是利用形狀離析系數(shù)劃分還是利用篩分離析系數(shù)Seg劃分)總能保持在無離析和輕微離析狀態(tài),這充分說明了這兩種級(jí)配下水泥穩(wěn)定碎石的抗離析性能較優(yōu)。