厚層水穩(wěn)碎石壓實度差異對路用性能影響研究

孟 旭 范文東 韓 慶

（長安大學材料科學與工程學院1） 西安 710064）

（長安大學公路學院2） 西安 710064）

（商丘職業(yè)技術學院3） 商丘 476000）

0 引 言

厚層水泥穩(wěn)定碎石基層結構由于能提高路面的整體性能而被廣泛使用，已成為我國高等級公路采用的主要基層結構形式之一.這類厚層結構在施工過程中若采用單層鋪筑，基層上下壓實度會出現(xiàn)很大差異，即使是分層施工，也難以有效控制上下基層壓實度及其差異.基層壓實度的差異對路面整體使用性能有何影響已開始受到人們的關注.有研究［1－4］表明，基層整體性能欠佳是引起路面病害的主要原因；上下基層壓實度差異可導致基層整體性能欠佳，最終引起路面產(chǎn)生嚴重病害［5－9］.

目前國內(nèi)外有關壓實度對基層路用性能影響方面的研究較少，關于厚層水泥穩(wěn)定碎石基層相關的研究尚未見報道.基于此，本文通過室內(nèi)試驗在壓實度對基層整體性能的影響方面進行了研究，系統(tǒng)分析了基層壓實度差異對基層力學性能、抗裂性能和耐久性能，以及對路面整體路用性能的影響規(guī)律，研究結果可為厚層水泥穩(wěn)定碎石基層結構的設計與施工提供技術支撐.

1 試驗方案及試件成型方法

1.1 試驗方案

《公路面基層施工技術規(guī)范》（JTJ034－2000）規(guī)定：水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度不應小于98%.因此，本文研究將上部基層壓實度定為98%作為B基準狀態(tài)進行試驗，為對比壓實效果差異導致的影響，再提高上部壓實度為100%作為A基準狀態(tài)；同時，為了模擬現(xiàn)場狀態(tài)對上下基層性能差異進行研究，分別將上下部基層壓實度的差異定為1.5%和3%，并進行各項路用性能測試，壓實度對各項性能影響的測試方案見表1.

表1 壓實度對各項性能影響的測試方案

1.2 試件成型方法

型試件時，若下部壓實度小于上部（以A3為例），根據(jù)壓實度和試件體積求出所需混合料的質量，先成型壓實度為100%的下部分，在其上部成型97%的上部分，測試時顛倒上下面.目的在于防止成型上部分時，增大下部試件的壓實度.中梁試件的成型方式與圓柱體基本相同.

1.3 試驗方法

1）力學性能試驗 按照標準擊實試驗所得最大干密度和最佳含水量成型試件，并進行標準養(yǎng)生.依據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ057－94）中的方法進行抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量試驗測試.

2）干縮試驗 在最大干密度和最佳含水量的條件下成型98%壓實度圓柱體試件，成型后立即脫模放入干縮溫變形測量儀中開始試驗，用高精度探頭測試剛成型試件的高度，并稱重測試含水量.測試方法是將試件放在上下均平整的面上（如玻璃片），把高精度探頭固定在其表面，在常溫下讓水分自由散失，定期稱試件重量，同時采集高度變化值，直至水分散失盡為止，最后確定干縮系數(shù)以及干縮率.每組用試件3個，2個測試高度變化，1個稱重測試重量變化.

3）溫縮試驗 按標準要求成型中梁試件，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)生28d.試驗中采用干溫縮變形測量儀測試材料的溫縮系數(shù)，將箱內(nèi)溫度降低至最低溫度（－10℃），然后以設定升溫速度將溫度升高至最高溫度（＋50℃），傳感器將箱內(nèi)溫度傳遞至程序，探頭將高度變化傳遞至程序，程序以設定方式（如每2min采集一個點）采集數(shù)據(jù)并繪制成曲線圖.

4）抗沖刷試驗方法 在降雨量較大地區(qū)，水進入基層后在荷載的作用下會形成很強的動水壓力對基層造成嚴重的沖刷破壞，因此對基層的抗沖刷性能進行評價與研究顯得格外重要.本文利用長安大學自行研制的沖刷儀對養(yǎng)護28d的水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能進行評價.該沖刷儀的特點是根據(jù)行車產(chǎn)生的荷載對路面基層產(chǎn)生的沖刷進行模擬，試驗時將在標準條件下養(yǎng)生28d并泡水24h的標準圓柱體試件固定在沖刷儀上，加入適量的水，使液面超過試件頂面5mm，然后進行沖刷試驗，5min后，將試件取出，收集沖刷桶里的剩余物并烘干稱重，其沖刷量為

式中：W為單位時間內(nèi)的沖刷量，g／min；G為t時間內(nèi)的沖刷重量，g；t為沖刷時間，min.

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

1）抗壓強度 壓實度對厚層水泥穩(wěn)定碎石不同齡期抗壓強度的影響試驗結果見表2和圖1.

表2 不同壓實度7d，90d抗壓強度

圖1 不同壓實度抗壓強度圖

由試驗結果可知，壓實度的差異對厚層水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度有明顯影響，在上層壓實度相同的情況下，下層壓實度降低會導致試件各齡期抗壓強度明顯降低，上下層壓實度差異相同時，上層壓實度越高，試件各齡期抗壓強度越高，與A1相比，A2和A3強度降幅分別為9.4%和16.1%，B2和B3的抗壓強度比B1小16.3%和29.0%；試件的抗壓強度與平均壓實度具有良好的相關性，相關系數(shù)達97%以上；壓實度差異對試件早齡期抗壓強度比后期的影響更顯著，7d抗壓強度，與A1相比，A2和A3強度降幅分別為9.4%和16.1%，而90d抗壓強度，與A1相比，A2和A3強度降幅分別為5.9%和9.5%，B系列試件的降幅則由7d的16.3%和29.0%減小到8.5%和13.8%，顯示了相同的規(guī)律.分析原因，主要是因為隨著齡期延長，水泥水化程度提高，試件的強度逐漸形成，減弱了壓實度的影響；增加上層的壓實度雖不能消除上、下壓實度差異對抗壓強度的影響，但可減弱此影響.

2）劈裂強度與抗壓回彈模量 壓實度對于90d厚層水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度與抗壓回彈模量的影響結果見表3.

分析表3結果可知，壓實度差異對厚層水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度與抗壓回彈模量有較明顯影響，且規(guī)律相同，即厚層水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度與抗壓回彈模量均隨著平均壓實度降低而減小；不同整體性狀態(tài)對劈裂強度的影響比抗壓回彈模量更明顯，在上層100%壓實度（Ai）情況下，下層壓實度每降低1.5%，劈裂強度降幅分別為8.6%和12.9%；上層壓實度98%時，下層壓實度每降低1.5%，劈裂強度降幅分別為11.4%和20.3%；而同樣條件下，上層100%壓實度對應的抗壓回彈模量降幅分別為5.94%和10.46%，上層98%壓實度對應的抗壓回彈模量降幅則分別為4.02%和12.19%.

表3 壓實度對于90d厚層水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度與抗壓回彈模量的影響

2.2 耐久性能

1）干縮性能 壓實度對厚層水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響見圖2.

圖2 壓實度對厚層水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響

由圖2可知，壓實度對水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能有明顯影響，隨著平均壓實度增大，厚層水泥穩(wěn)定碎石的干縮變形越小；隨著齡期延長，其干縮變形增大.這主要是因為隨著壓實度增大，水泥穩(wěn)定碎石更加密實，其內(nèi)部孔隙率降低，不利于內(nèi)部水分向外逸出，水分散失慢，變形降低.

2）溫縮性能 圖3～4分別為壓實度對28d齡期水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)和溫縮變形的影響結果.由圖所示結果可知，隨著平均壓實度降低，水泥穩(wěn)定碎石的的溫縮系數(shù)和溫縮變形增大；下層壓實度降幅相同的情況下，上層壓實度越高，溫縮系數(shù)增幅越低，在上層100%壓實度（Ai）情況下，下層壓實度每降1.5%，平均溫縮系數(shù)增幅分別為5.89%和12.21%，而上層98%壓實度（Bi）對應的增幅分別為6.61%和13.86%.這可能主要是因為壓實度越小，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部空氣擠出量越小，包裹的空氣越多，在溫度變化時，由此產(chǎn)生的體積膨脹越大，水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)和溫度變形也就越大.

圖3 壓實度對28d齡期水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)的影響

圖4 壓實度對28d齡期水泥穩(wěn)定碎石溫縮變形的影響

3）抗沖刷性能 壓實度對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的影響結果見表4.由結果可知，隨著平均壓實度降低，水泥穩(wěn)定碎石的總沖刷量越大，其抗沖刷性能越差；在壓實度降幅相同條件下，上層壓實度越大，水泥穩(wěn)定碎石的沖刷量增幅越小，當上層壓實度（Ai）為100%時，下層壓實度每降1.5%，平均沖刷量增幅分別為5.6%和22.4%；而上層壓實度（Bi）為98%時，對應的平均沖刷量增幅則分別為54.3%和83.0%.

分析原因，主要可能是因為壓實度越高，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部孔隙率越小，膠凝材料及其與碎石顆粒之間接觸面積越大，隨著水泥水化進行，它們之間的粘結強度也越高，當受到水分沖刷時，較小的孔隙率降低了水分在材料中的遷移速度和遷移量，而且較高的粘結強度也進一步增大了水分破壞已有結構的阻力，所以表現(xiàn)出隨著壓實度增大，水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷能力越強的現(xiàn)象.

表4 壓實度對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的影響結果

3 結 論

1）壓實度對水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度和劈裂強度等力學性能有顯著影響，在壓實度降低幅值相同條件下，上層壓實度越高，對應的力學性能降幅越小；隨著水泥水化進行，可以消除壓實度的不利影響，壓實度對水泥穩(wěn)定碎石早期抗壓強度比后期影響更顯著.

2）增加壓實度、提高整體性可減小水泥穩(wěn)定碎石結構的孔隙率，降低結構包裹氣體含量，阻止內(nèi)部水分逸出，可降低材料的干縮和溫縮.

3）增加壓實度、提高整體性可降低水泥穩(wěn)定碎石結構的孔隙率，降低水分在材料中的遷移速度和遷移量，同時可增大膠凝材料及其與碎石顆粒的粘接面積，有利于發(fā)揮水泥的粘結性能，從而提高材料的抗沖刷性能.

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