不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能

包海洋

(中國(guó)有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司,河南 鄭州 450006)

在公路瀝青路面使用的基層材料中,多出現(xiàn)的是水穩(wěn)碎石,它有著優(yōu)異的強(qiáng)度、剛度等特性,但同時(shí)易生裂縫,耐久性較差也影響材料的使用性能[1-4],目前,對(duì)基層抗凍性較差、力學(xué)性能較差等,很多學(xué)者進(jìn)行深入分析。應(yīng)榮華等認(rèn)為,振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)材料和易性有一定的提升作用,增強(qiáng)初期強(qiáng)度[5]。膨脹劑摻量為5%左右時(shí),改善水穩(wěn)碎石基層路用性能的效果最佳[6]。房英鋒認(rèn)為,聚酯纖維可以增強(qiáng)水穩(wěn)碎石鋪筑結(jié)構(gòu)的路用性能[7]。付春梅等研究了兩種摻入不同纖維的水穩(wěn)碎石的抗開(kāi)裂能力[8]?？梢园l(fā)現(xiàn),通過(guò)增添纖維、膨脹劑等處理方案,或者是提升水泥量,能夠優(yōu)化路用性能。但是大部分分析集中在纖維、膨脹劑、水泥劑量最佳摻量的選擇,亦或者是研究單一添加劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能,而對(duì)不同種類的水穩(wěn)碎石混合料力學(xué)性能對(duì)比分析研究較少。

為了分析不同種類的水穩(wěn)碎石混合料力學(xué)性能,彌補(bǔ)上述多種材料力學(xué)性能不足,設(shè)計(jì)四個(gè)類別的水泥穩(wěn)定碎石。分別對(duì)其開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量試驗(yàn),研究7、28、60 d齡期的力學(xué)性能的變化,并基于提升率分析了不同類型措施對(duì)力學(xué)性能提升優(yōu)化的影響程度,通過(guò)對(duì)比分析,為實(shí)際工程的應(yīng)用提供參考。

1 原材料及級(jí)配組成設(shè)計(jì)

1.1 原材料

(1)水泥:采用湖南長(zhǎng)沙坪塘南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·C 32.5型號(hào),其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。高水泥含量水泥穩(wěn)定碎石中的水泥劑量為8%,其他三種水泥穩(wěn)定碎石水泥劑量均為5%。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

(2)集料:選擇石灰?guī)r碎石作為主要材料,以確保所有的物理和化學(xué)性能指標(biāo)均能滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求,從而保障最終混凝土產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。通過(guò)精心篩選石灰?guī)r碎石,其粒徑分布、磨損度以及抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試,符合國(guó)家及行業(yè)的規(guī)定,確保了集料的高品質(zhì)。

(3)玄武巖纖維:分析過(guò)程中使用的是青島國(guó)立纖維,重點(diǎn)關(guān)注了束狀長(zhǎng)度這一關(guān)鍵指標(biāo),具體參數(shù)是12 mm。

(4)膨脹劑:本研究最終確定使用UEA作為關(guān)鍵添加劑,其目的是為了改善混凝土的耐久性和防裂性能。至于摻量的確定,是根據(jù)實(shí)際使用的水泥質(zhì)量計(jì)算得出,其比例為5%。

1.2 級(jí)配組成設(shè)計(jì)

基于彌玉高速實(shí)際選用的級(jí)配范圍,確認(rèn)具體的級(jí)配范圍詳見(jiàn)表2。四種不同水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配組成都參照此表。

表2 級(jí)配組成設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件成型

經(jīng)過(guò)多次擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)比,獲取不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的指標(biāo)參數(shù),如表3所示。

表3 各類型水泥穩(wěn)定碎石最大干密度及最佳含水率

按照相應(yīng)試驗(yàn)規(guī)程振動(dòng)壓實(shí),各組試驗(yàn)成型3個(gè)試件,實(shí)際制備完成之后,放置3 h來(lái)完成脫模處理稱量質(zhì)量,測(cè)定具體的試件高度狀態(tài),并轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的養(yǎng)生室養(yǎng)生。

2.2 試驗(yàn)方案

水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能試驗(yàn):(1)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用Φ150 mm×150 mm圓柱體試件。(2)抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)成型100 mm×100 mm×400 mm梁型試件,使用儀器為MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),精度為±1%,加載速率為50 mm/min。(3)水穩(wěn)碎石混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)尺寸為Φ150 mm×150 mm圓柱體,在養(yǎng)生室分別養(yǎng)生7、28、60 d,然后浸水1 d,采用MTS測(cè)試其劈裂強(qiáng)度。(4)抗壓回彈模量試驗(yàn)成型Φ150 mm×150 mm圓柱體試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將5%普通水泥的方案在本次研究中劃入到類型1,摻玄武巖纖維的方案在本次研究中劃入到類型2、摻膨脹劑的方案在本次研究中劃入到類型3,8%高水泥劑量的方案在本次研究中劃入到類型4。最終得出的結(jié)果詳見(jiàn)圖1所述。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖1能夠發(fā)現(xiàn),7 d齡期時(shí)的數(shù)據(jù),類型2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較于類型1降幅為0.3 MPa,相對(duì)其他兩大齡期降幅為0.35 MPa、0.43 MPa。即加入玄武巖纖維之后,會(huì)讓初期強(qiáng)度有一定程度的下降,但是后期強(qiáng)度會(huì)有一定程度的提升。伴隨實(shí)際齡期的增長(zhǎng),大量的凝膠材料,會(huì)強(qiáng)化纖維具備的固定以及粘結(jié)效果,從而讓纖維和碎石材質(zhì)之間構(gòu)成整體,起到更加有效地粘結(jié)效果。結(jié)合28 d、60 d的數(shù)據(jù)來(lái)分析,類型1、2、4方法均能增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,其中類型4方法提升交果最為明顯。

3.2 抗彎拉強(qiáng)度

從圖2可見(jiàn),相較于類型1材料,7 d齡期的抗彎拉強(qiáng)度降低0.04 MPa,水泥用量則是從5%提升至8%的情況下,具體的彎拉強(qiáng)度實(shí)際數(shù)據(jù)則是提升0.58、0.83、0.86 MPa,即纖維、膨脹劑、水泥用量的增大均會(huì)提高水穩(wěn)碎石的抗彎拉強(qiáng)度,8%高水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強(qiáng)度最高。

圖2 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 劈裂強(qiáng)度

四種混合料的具體劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù),見(jiàn)圖3所示。

圖3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合上圖所述能夠發(fā)現(xiàn),無(wú)論是7、28、60 d齡期,類型4的劈裂強(qiáng)度值最大,其次是類型3。在7 d齡期時(shí),類型2的劈裂強(qiáng)度值低于類型1,但隨著齡期的增長(zhǎng),當(dāng)齡期為28 d和60 d時(shí),類型2的劈裂強(qiáng)度反而要高于類型1。類型4材料相較于類型1材料是提高了3%的水泥劑量,但是在不同齡期下的劈裂強(qiáng)度值卻提升顯著,7 d齡期相較于提升62.5%,28 d齡期提升41.7%,60 d齡期提升43.0%,可以看出,在養(yǎng)生7 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度值增長(zhǎng)最大,隨著齡期的增長(zhǎng),劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比的值逐漸降低。提高水泥劑量顯著改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度,這是因?yàn)樗鄤┝吭酱?水泥的水化反應(yīng)越明顯,水化產(chǎn)物增多,導(dǎo)致水穩(wěn)碎石混合料的劈裂強(qiáng)度值增大。此外,類型3的劈裂強(qiáng)度值相較于類型1也有提升,說(shuō)明加入膨脹劑能改善水穩(wěn)碎石混合料的劈裂強(qiáng)度。7 d齡期的類型2材料劈裂強(qiáng)度值較低。這說(shuō)明加入玄武巖纖維后初期抗裂強(qiáng)度較低,隨著齡期的增長(zhǎng),抵抗開(kāi)裂的能力逐漸提高。

3.4 抗壓回彈模量

四種不同類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出,相同齡期時(shí),抗壓回彈模量大小順序依次為類型4材料、類型3材料、類型1材料、類型2材料。實(shí)際處于7、28、60 d齡期的情況下,和普通水泥的方案進(jìn)行對(duì)比,加入纖維的方案依次下降120、131、175 MPa,膨脹劑的加入可以提高剛度,而且伴隨實(shí)際水泥用量的增加,對(duì)應(yīng)的抗壓回彈模量也有一定程度的增長(zhǎng),伴隨實(shí)際水泥用量的增長(zhǎng),則會(huì)導(dǎo)致膠凝結(jié)晶化合物隨之增加,材料內(nèi)部不斷被填充,空隙減小,材料之間整體性更好。

3.5 性能優(yōu)化提升分析

上述測(cè)試了4種類型的方案,在多種齡期下的力學(xué)強(qiáng)度值,為了進(jìn)一步研究摻加玄武巖纖維、膨脹劑以及增大水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能優(yōu)化提升效果及影響程度,以各力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的提升率作為新的評(píng)估體系,提升率評(píng)估結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

圖5 不同性能提升率分析

從圖5可以看出,與類型1相比,類型2的7 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量提升率均為負(fù)值,且7 d齡期的劈裂強(qiáng)度提升率最低,說(shuō)明對(duì)劈裂強(qiáng)度的劣化影響最大。而當(dāng)齡期為28 d和60 d時(shí),類型2的抗壓回彈模量提升率為負(fù)值,說(shuō)明摻加玄武巖纖維對(duì)抗壓回彈模量劣化影響較為顯著。從28 d齡期和60 d齡期的曲線斜率來(lái)看,從類型1到類型3,曲線斜率逐漸上升,60 d齡期的曲線斜率值比28 d齡期的曲線斜率值較大,說(shuō)明隨著齡期的增長(zhǎng),類型2與類型3對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料帶來(lái)提升,但提升效果并不明顯。

此外,當(dāng)水穩(wěn)碎石混合料為類型4時(shí),各齡期下的力學(xué)性能試驗(yàn)提升率均為最大,說(shuō)明類型4即增大水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的提升效果最為明顯,從類型3到類型4,曲線的斜率值最大,且在不同齡期下,抗壓回彈模量與抗彎拉強(qiáng)度的斜率值最大,其次是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的斜率值,劈裂強(qiáng)度的斜率值最低,這說(shuō)明提高水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量和抗彎拉強(qiáng)度性能優(yōu)化提升效果影響最為顯著,對(duì)劈裂強(qiáng)度提升影響相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

(1)加入纖維之后,7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降0.2 MPa,但是伴隨實(shí)際齡期的增加,對(duì)應(yīng)的后續(xù)強(qiáng)度指標(biāo)則會(huì)增長(zhǎng),后續(xù)強(qiáng)度會(huì)大于普通水泥穩(wěn)定碎石。四類方案的60 d抗壓強(qiáng)度次序,具體排位是:8%水泥、摻膨脹劑、摻纖維以及普通水泥。

(2)摻纖維之后,7 d抗彎拉強(qiáng)度的實(shí)際降幅為0.04 MPa,但是28 d、60 d抗彎拉強(qiáng)度顯著高于普通水穩(wěn)碎石。四種類型的水穩(wěn)碎石60 d的彎拉強(qiáng)度中,8%高水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石最大,普通水泥穩(wěn)定碎石最小。

(3)抗壓回彈模量存在明顯下降,四種類型的水穩(wěn)碎石60 d的彎拉強(qiáng)度大小順序是:8%水泥、摻膨脹劑、普通水泥以及摻纖維。

(4)從性能優(yōu)化提升效果分析來(lái)看,增大水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量和抗彎拉強(qiáng)度性能優(yōu)化提升效果影響最為顯著,對(duì)劈裂強(qiáng)度提升影響相對(duì)較小。