水泥摻量對水泥穩定碎石力學指標影響試驗研究★

張 鵬 王立鵬 高天成

(中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221000)

水泥穩定碎石作為最主要的半剛性基層材料目前廣泛應用于高等級公路建設中，其質量的優劣直接影響道路的壽命。因此，針對水泥穩定碎石各項路用性能研究一直備受關注[1,2]。無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量作為主要力學參數在工程質量控制、路面結構設計中極其重要。學者圍繞這方面進行了大量研究工作，在眾多影響因素(材料種類、水泥摻量、級配等)中發現：水泥穩定碎石力學參數受配合比影響較為顯著[3,4]。通過物理試驗是獲取水泥穩定碎石設計參數指標的主要途徑，丁泓宇[5]通過大量室內試驗提出抗壓回彈模量隨水泥摻量增加呈線性增加，平均回彈模量每增加40%水泥劑量大約增加了0.5%。水泥摻量很少時，水泥穩定碎石的抗壓回彈模量與不摻水泥的級配碎石模量相差無幾。趙程飛[6]通過室內物理試驗指出隨著水泥劑量的增加，兩種類型骨架的水泥穩定碎石7 d無側限抗壓強度呈線性增長趨勢但增長率因骨架結構的不同而不一樣。較多的學者將研究重點放在水泥摻量對于水泥穩定碎石各指標影響規律上，而對于指標之間關系研究較少。本文通過室內物理試驗，研究無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量等指標隨水泥摻量的影響變化關系，在此基礎上，分析無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量之間相關關系，實現由一種簡單、易測指標準確推斷另一指標的目的，為水泥穩定碎石材料工程設計及質量控制提供參考。

1 試驗設計

本文基于骨架密實型結構研究水泥摻量對力學指標影響變化的一般性規律以及參數之間相關關系，制定以下具體研究方案：試驗選用骨架密實型集料級配中值，水泥摻量選用5個水平(3.0%,3.5%,4.0%,4.5%,5.0%)，控制98%的壓實度、靜壓法成型相關圓柱型(試件直徑×高=150 mm×150 mm)，每組制得平行試塊13塊，標準養護至測試齡期，測試并分析7 d無側限抗壓強度、90 d劈裂強度、90 d抗壓回彈模量與水泥摻量之間基本規律，在此基礎上，分析90 d抗壓回彈模量、劈裂強度關系比與水泥摻量之間相關關系。

2 原材料與試驗

2.1 原材料分析

1)水泥。

試驗水泥選用徐州某水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥P.O42.5，其主要技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

2)集料。

試驗所用粗、細集料產自徐州屬石灰巖質，集料的壓碎值檢測值為22.4%滿足規范[7]要求，其級配見表2。

表2 集料級配

試驗用水為標準飲用水。

2.2 標準擊實試驗

根據集料級配與混合料配合比，按照JTG E50—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[8]的規定選用丙類擊實方式進行標準擊實試驗，見圖1，分別確定不同水泥摻量下水泥穩定碎石混合料的最大干密度和最佳含水量，見表3。

表3 各組最佳含水量、最大干密度匯總

組數擬合公式R2最佳含水量/%最大干密度g/cm3ay=-0.011 5x2+0.116x+2.168 30.995.02.460by=-0.006 9x2+0.053 3x+2.271 80.963.92.375cy=-0.007 5x2+0.057 2x+2.272 80.973.92.382dy=-0.009 8x2+0.084 1x+2.221 80.984.42.402ey=-0.010 5x2+0.089x+2.223 20.994.22.414

2.3 力學性能試驗

依據JTG E51—2009規范[8]要求對試件進行標準養護，在達到設計齡期前浸水24 h，放在CMT上進行無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗、抗壓回彈模量試驗，過程見圖2。

3 試驗結果分析

3.1 水泥摻量與水泥穩定碎石力學參數影響分析

水泥摻量對水泥穩定碎石力學參數試驗結果見表4。

表4 試驗數據匯總

1)無側限抗壓強度與水泥摻量之間關系。

根據表4，繪制無側限抗壓強度與水泥摻量之間的關系曲線，見圖3。

圖3表明：對于無外加劑的水泥穩定碎石，其無側限抗壓強度與水泥摻量呈現正線性相關趨勢，很好的驗證了趙程飛[6]的觀點。水泥摻量越來越多則強度越易形成。即水泥摻量越高，無側限抗壓強度越大。究其原因：水泥摻量很低時，水泥水化產生的混合物很少并且其自身的粘結力很小所以在級配碎石之間起到的聯結作用也就十分微弱。隨著水泥劑量的逐漸增加，水泥水化產生的混合物越來越多其自身粘結力增強并且能更好地充填水泥穩定碎石內部骨架的空隙，使結構致密沒有軟弱面而自身完整性更好。從而宏觀的表現為隨著水泥摻量的增加，無側限抗壓強度線性提高。無側限抗壓強度與水泥摻量量化關系式為：

Rc=2.04B-2.558(R2=0.99)。

2)劈裂強度與水泥摻量之間關系。

其實，何為“人渣”？人們都各有其標準和判斷。有說“人渣”就是社會敗類、人類渣滓、下腳料、爛到極點的“垃圾人”，就是自私自利、不擇手段、不顧他人、盡占便宜的“自私鬼”，就是無信無義、過河拆橋、恩將仇報、損人害友的“真小人”，就是不知廉恥、猥褻下流、道德敗壞、品質惡劣的“小流氓”，就是虛頭巴腦、花里胡哨、云山霧罩、沒句實話的“白話蛋”；也有說就是文學形象中的潑皮牛二、王婆、阿Q以及戲劇中的婁阿鼠、刁小三等丑角，還有說就是方言說的慫懶奸饞壞的“狗食”、游手好閑不務正業的“二流子”、不明事理不講道理的“混蛋”、品行不良的“壞蛋”等等。以上這些或綜合或側重的解釋，也大都是從道德品行視角評判的。

根據表4，繪制劈裂強度與水泥摻量之間的關系曲線，見圖4。

圖4與圖3相比，可發現其規律和無側限抗壓強度與水泥摻量關系基本一致，劈裂強度隨著水泥摻量的提高而線性遞增，且斜率也幾近相同。這就意味著適當增加水泥摻量可以明顯提高其劈裂強度。究其原因：水泥對于水泥穩定碎石劈裂強度的作用機理與其對無側限抗壓作用機理一樣，水泥劑量的增加導致其內部結構愈加致密其劈裂強度也就隨著水泥劑量的增加直線上升。劈裂強度與水泥摻量量化關系式為：

Ri=0.12B+0.332(R2=0.99)。

3)抗壓回彈模量與水泥摻量之間關系。

根據表4，繪制抗壓回彈模量與水泥摻量之間的關系曲線，見圖5。

圖5表明：抗壓回彈模量與水泥摻量的關系類似以上兩個設計參數與水泥摻量的關系規律，隨水泥劑量的增加水泥穩定碎石抗壓回彈模量呈現線性增長的趨勢。究其原因：水泥水化后產物的作用機理對無側限抗壓強度、劈裂強度影響表現一樣。水化物存在使得水泥穩定碎石內部之間的物質粘結力增強，宏觀的表現為抗壓回彈模量、抗壓強度以及劈裂強度的增加。抗壓回彈模量與水泥摻量量化關系式為：

Ec=137.7B+1 362.3(R2=0.98)。

3.2 劈裂強度與抗壓回彈模量相關關系分析

通過此次大量的物理試驗發現：抗壓回彈Ec與劈裂強度比值與水泥摻量之間存在一定的線性關系，繪制它們之間的關系曲線，見圖6。

圖6表明，抗壓回彈模量與劈裂強度比值與水泥摻量的關系，對比可以發現其關系圖像與以上幾個關系圖像不同，隨水泥劑量的增加抗壓回彈模量與劈裂強度比值反而呈線性減小的趨勢。其量化表達為：

Ec/Ri=-326.44B+3 540.5(R2=0.95)。

由于試驗的各種人為原因或自然因素，可能存在不同的差異，現對抗壓回彈模量與劈裂強度之比與水泥摻量的圖像進行驗證。付春梅等人[9]在研究水泥穩定碎石的力學性能時，采用統一的水泥摻量為4%，測得90 d劈裂強度為0.697 MPa，同期的抗壓回彈模量為1 624 MPa，二者比值為2 330。對比關系圖發現：從圖像中推出水泥摻量為4%時其對應縱坐標為2 270，與付春梅等人[9]實驗值誤差僅為2.7%。曾夢瀾等人[10]在研究水泥穩定碎石基層路用性能中，水泥摻量4%采用靜壓法成型的試樣90 d抗壓回彈模量、劈裂強度分別為1 170 MPa，0.56 MPa二者比值為2 090與上圖對應的縱坐標2 270相比誤差為-7.9%。在試塊無其他材料外加的情況，實驗得到的關系圖可以很好的驗證水泥摻量與回彈模量與劈裂強度的比值之間關系，能夠達到知其二求其一的效果，對于實際水泥穩定碎石的工程質量起到一定參考作用。

4 結語

本文通過物理試驗，基于骨架密實型級配，研究水泥摻量對水泥穩定碎石無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量以及參數關系比之間影響規律，獲得以下結論：

1)抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量均隨著水泥摻量增加而線性增加；

2)抗壓回彈模量、劈裂強度關系比與水泥摻量呈線性負相關；

3)通過抗壓回彈模量、劈裂強度、水泥摻量三個數據之間的關系，在實際工程中對于不易測得的指標值可以通過已知的兩個指標值進行推測預算，對于實際工程起到一定的參考作用有利于工程質量的控制。