路面韌性基層材料的路用性能冷熱循環試驗研究

2016-06-12 09:22:30楊牧盤

工程與建設 2016年1期

楊牧盤

(安徽省交通控股集團有限公司，安徽合肥　230088)

楊牧盤

(安徽省交通控股集團有限公司，安徽合肥230088)

摘要：為研究公路路面韌性基層結構技術，通過對配合比為0.5%的Soilfix改良粉砂土，進行水穩定性試驗、無側限抗壓強度試驗、CBR試驗、回彈模量試驗、干濕循環試驗、冷熱循環試驗，文章主要研究通過冷熱循環試驗，來研究分析路面韌性基層材料的路用性能，從而提出了柔性路面的韌性基層結構方法。

關鍵詞：韌性基層；粉砂土；Soilfix固化劑；冷熱循環；試驗

0引言

公路路面設計使用年限一般為15 a，但目前我國公路路面大多數都是半剛性基層路面，公路路面的實際使用壽命5～8 a，甚至更少，其主要原因一是公路運營中重車超載現象較多，另一個重要原因是半剛性基層路面的技術特點易過早地引起路面損壞現象，具體表現在：

(1) 半剛性基層路面抗拉能力相對比較小，變形能力差，容易產生路面的推移和車轍現象[1-2]。

(2) 半剛性基層路面容易產生很多干縮、溫縮裂縫，削弱了路面結構強度，加速了面層的破壞[3]。

(3) 半剛性基層路面的抗疲勞性差，半剛性基層的強度會由于干濕和凍融循環[4]，在反復荷載的作用下而逐漸衰減。

(4) 半剛性基層路面開裂后沒有愈合能力，給路面維修及養護帶來巨大的困難。

為此，人們試圖通過尋求新型材料的方式，采用柔性基層材料代替容易發生病害的半剛性基層材料[5]，以解決上述工程問題。近年來，歐美、南非等國家開發了Soilfix高分子固化劑結合料作為公路基層的韌性基層薄瀝青面層路面的新型道路設計。國外實驗研究和工程實例表明，Soilfix結合料韌性基層結構同時兼具半剛性基層的強度和柔性基層的抗疲勞性強的柔性特點，可直接利用填土路基的土料拌和聚合乳化膠結劑，再拌和聚合乳化膠結劑形成Soilfix韌性路面基層或底基層結構，這不僅使路面結構更為合理，而且能大大降低工程造價。利用聚合乳化膠結料穩定材料進行多層彈性理論的路面結構設計方法，其路面對水的穩定性好以及抗溫縮能力強，可以有效控制瀝青路面的開裂，減少水損壞和車轍的發生。我國近年來已在國內開展了一定的前期試驗研究。

文獻[6]在2010年對Soilfix聚合物穩定基層進行了路面應用研究，證明Soilfix聚合物穩定基層的可行性。

文獻[7]在2011年對Soilfix聚合物穩定砂礫基層進行了分析研究，證明了Soilfix聚合物穩定砂礫基層的強度滿足現行規范規定的技術要求。

國內外公路的路面結構研究已由半剛性基層路面結構發展為柔性路面結構，Soilfix穩定結合料韌性基層結構是國內外一種最新提出的路面結構。國內已經開展了Soilfix穩定碎石或砂礫基層的相關研究工作，因此開展Soilfix穩定土韌性基層的研究是當前的新型技術。

1試驗設備

實際工程中，公路路面路基不僅處于一個反復的干-濕循環狀態，還處于一個反復的冷熱循環狀態，在夏季溫度升高，冬季溫度降低。所以，在考慮Soilfix改良粉砂土干濕循環條件下的疲勞強度的同時，還要考慮公路固化劑改良土在冷熱循環下的強度值，以此強度值作為設計參考，可保證公路路面路基設計的安全性。

根據文獻[8]的試驗結果，公路基層的溫度變化基本處于-20 ℃到20 ℃的區間，在室內試驗中可以通過如下方法模擬現場溫度：先將制備好的試樣用塑料薄膜密封，保持含水率不變，放置于-20 ℃冷凍室里面24 h，然后放入20 ℃的溫水或者20 ℃的烘箱中恒溫12 h，如此可以模擬一次冷熱循環過程；之后再放入冷凍室里進行冷凍；對試樣進行5次、10次、15次、20次冷熱循環后進行回彈模量試驗、無側限強度和CBR試驗。

2無側限抗壓試驗

制備并風干養護好試樣后，測量其質量，然后將試件用保鮮膜密封，保持其含水率不變，進行規定次數的冷熱循環試驗；然后把試件從保鮮膜中取出，測其質量基本一致，證明其含水率不變，然后根據文獻[9]進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果見表1所列和圖1所示。

表1　冷熱循環下的無側限抗壓強度值

圖1冷熱循環下無側限抗壓強度試驗

表1和圖1表明，冷熱循環對Soilfix改良粉砂土強度有影響，在5次循環之前，無側限抗壓強度會隨著冷熱循環的進行而衰減很快，超過5次循環后，強度趨于穩定。經過20次冷熱循環后的無側限抗壓強度穩定于1.14 MPa，遠超過素土的無側限抗壓強度(46.7 kPa)表明Soilfix對粉砂土固化效果還是比較理想的。

試樣抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性。抗凍性評價指標為抗凍系數，即為試樣經反復凍融后的抗壓強度與凍融前抗壓強度之比，抗凍系數的公式為

(1)

其中，K凍為抗凍系數；R凍為材料凍融后的強度；Rc為材料凍融前的強度。

根據(1)式對表1進行抗凍系數計算，得到表2的結果。抗凍系數變化規律，如圖2所示。

表2　冷熱循環抗凍系數

圖2抗凍系數隨冷熱循環次數變化規律

隨著冷熱循環次數的增長，抗凍系數在經歷10次冷熱循環前先迅速減小，而后在經歷10次冷熱循環后，抗凍系數基本穩定，最后經過20次冷熱循環后抗凍系數為79.9%，可見Soilfix路面韌性基層材料的抗凍系數比較優良。

3回彈模量試驗

試驗先測量制備養護好后的試樣的質量，然后將其用保鮮膜密封，保持其含水率不變，待進行規定次數的冷熱循環試驗后，拆掉保鮮薄膜，測其質量基本一致，證明試樣冷熱循環后的含水率不變，然后根據文獻[9]進行回彈模量試驗，試驗結果見表3所列和圖3所示。

表3　冷熱循環下回彈模量損耗強度

圖3冷熱循環下的回彈模量試驗

試驗結果數據表明，Soilfix改良粉砂土的回彈模量會隨著冷熱循環次數的增加而衰減，在5次循環之前，回彈模量變化不大，在5～15次冷熱循環的時候，回彈模量有一定程度的下降，最后15～20次冷熱循環時，回彈模量趨于穩定。

4CBR試驗

將制備好的試樣自然風干7 d后，測量每個試樣的質量，然后將試件用保鮮膜密封，保持其含水率不變，待完成規定次數冷熱循環試驗后把試樣從保鮮膜中取出，測其質量基本一致，證明其含水率不變，然后將試件泡水96 h，測其膨脹量，最后根據文獻[9]進行試驗貫入試驗，試驗結果見表4所列和圖4所示。

表4　冷熱循環下的CBR損耗強度

圖4冷熱循環下的CBR試驗

從表4和圖4中可以看出，冷熱循環對Soilfix改良粉砂土的CBR強度有一定影響。當循環次數小于10次時，CBR隨著循環次數的增加緩慢減小；當循環次數為10到15次時，CBR強度會發生斜率很大的衰減；而當循環次數超過15次時，CBR強度會趨于穩定(23.6)。

5冷熱循環對疲勞強度影響分析

從圖5中可以看出，沒有經過冷熱循環的試樣表面平滑，而經過冷熱循環后，試樣表面出現了很多微裂縫，表面也變得很粗糙，且土表面有部分空隙。

冷熱循環衰減Soilfix改良粉土的強度的原因可能是：由于Soilfix聚合物是多相復合材料，各種材料的溫縮特性差異較大，在溫度變化時，各材料隨溫度升降而發生的體積縮脹不同，會使材料內部產生應力而導致不均勻變形，從而使試樣某些地方空隙率變大，尤其是在溫度驟升驟低時，該現象更為嚴重；同時，試樣內部本身存在較為薄弱的部位或是部分未連通的微小空隙，在水分和凍融的雙重作用下，試樣內部薄弱部位松散或微小孔隙連通導致空隙率增大，試樣內部Soilfix聚合物在水的影響下，會在土中形成不均勻分布，影響固化劑的膠結力，從而使試件的強度減小。

凍融循環后期，由于試樣內部薄弱部位或可連通的孔隙越來越少，后期在凍融循環作用下孔隙無法繼續發展，且試樣中的水分有限，在凍融過程中水分的遷移、集聚和膨脹作用有限，因此，在凍融循環次數大的時候，試樣的空隙率基本穩定，所以強度趨于穩定。