低劑量水泥穩定碎石力學參數試驗研究

■陳 捷

(福建南平路橋養護工程有限公司，南平 353000)

0 前言

當前我國瀝青混凝土路面基層常用材料主要是二灰穩定類和水泥穩定類材料，因其強度和剛度介于剛性基層(水泥混凝土和貧混凝土)和柔性基層(級配碎石)之間，所以被稱為半剛性基層[1]。長期以來，半剛性基層材料以強度高、穩定性好、板體性好以及可就地取材等優點，滿足了公路經濟與技術方面的要求。但在優點的背后也存在一些致命的缺陷：由于其剛度過大，實際上成為脆性材料，在重載作用下瀝青混凝土面層內會出現較大的剪應力[2]，極易發生車轍等變形破壞；對溫度、濕度很敏感，所以在使用過程中會因溫度與濕度的變化產生溫縮、干縮裂縫，進而在荷載作用下基層裂縫會快速擴展到面層形成反射裂縫破壞路面的整體結構，大大降低了瀝青路面的服役壽命。可見，半剛性基層瀝青路面往往并非因為疲勞性荷載作用導致基層材料或面層材料破壞，而是因各類早期病害而無奈進行大中修。

近年來，為了減少瀝青路面車轍病害和反射裂縫病害，采用了很多技術手段，如加厚瀝青面層、開發抗車轍材料、設置抗裂層等等[3]。這些手段雖然起到了一定程度的路用性能提升作用，但是往往需要較多的經濟投入，對于公路建設尤其是干線公路建設，其性價比是很低的。低劑量水泥穩定碎石(水泥含量一般不高于4%)由于水泥劑量使用較少，一方面其干縮、溫縮性能有本質性的改變，可大大降低瀝青路面反射裂縫病害的產生[4-5]；另一方面其力學性能將有所改變，進而影響到路面結構內部的力學特性，使得瀝青面層剪應力大大降低，從結構角度優化了路面抗車轍性能[6]。低劑量水泥穩定碎石基層在我國已然表現出較好的應用前景，且目前包括福建省在內的多個省份都對低劑量水穩基層有不斷的應用探究[7]。

然而，隨著新瀝青路面設計規范的頒發，關于水穩基層材料的設計參數有所變化，所以對低劑量水穩基層材料力學參數需要重新認識，以便更好地設計低劑量水穩基層瀝青路面結構。鑒于此，本文從低劑量水穩基層材料力學參數入手，室內試驗研究其強度特性和模量特性，以期豐富低劑量水穩基層材料的設計參數及驗證低劑量水泥穩定碎石的適用性。

1 低劑量水泥穩定碎石組成設計

(1)水泥

水泥選用32.5級普通硅酸鹽水泥，初凝時間為280min，終凝時間為380min，3d抗壓強度為3.3MPa，3d抗折強度為1.5MPa。

(2)集料

粗集料為石灰巖碎石，分為四檔：19.0mm～31.5mm、9.5mm～19.0mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm，各項檢測指標均滿足規范要求。

根據各規格集料的篩分結果，按照《公路路面基層施工試驗規范》(JTJ 034-2000)水泥穩定碎石基層混合料級配范圍，設計得出集料試驗配合比見表1。

表1 混凝土礦料設計級配

(3)水

實驗所用水為飲用水。

(4)擊實試驗

配合比設計選擇2%、3%、4%、5%三種水泥劑量進行標準擊實試驗確定各組混凝土的最佳含水量和最大干密度，見表2。

表2 混凝土組成設計指標

2 試驗結果與分析

(1)無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是水泥穩定碎石的重要力學性能，反映了水泥穩定碎石抵抗壓應力作用的能力，是進行水穩碎石組成設計的重要指標，公路瀝青路面設計新、舊規范(2006版和2017版)[8-9]中均將7d無側限抗壓強度指標作為水泥穩定碎石材料的力學參數，只是兩版規范標準值規定有所不同，相比舊規范，新規范要求無側限抗壓強度值有所提高。為此，本文按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-T0805)[10]中規定試驗方法，制作試件進行6 d標準養生，1 d浸水，檢測7 d飽水無側限抗壓強度，結果如表3。

表3 7d無側限抗壓強度試驗結果

將水穩材料無側限抗壓強度平均值與水泥劑量的關系以折線表示，如圖 1所示。從圖中可以看出：水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度隨水泥劑量的增加而增加；水泥劑量在 2%～3%之間時，抗壓強度增長緩慢，在3%～5%間呈現快速增長的趨勢。當水泥劑量為2%水平時由于水泥劑量太少，水泥在水泥穩定碎石試件中所起的作用主要為膠結的作用，而并沒有使試件的強度得到質的增加，這時的水泥穩定碎石力學性質偏于級配碎石，但是相比于級配碎石，它擁有更好的膠結能力使得基層的整體性更強[5]。而當水泥劑量進一步增加，水泥的強度作用得以發揮，強度隨水泥劑量的增加才快速增長。

圖1 水泥穩定碎石水泥劑量與抗壓強度關系

進一步參照 《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中對于無側限抗壓強度代表值的標準可知，從抗壓強度指標來看本文水泥劑量為5%水平的水穩材料適用于各個公路等級、各個交通等級的基層或底基層；水泥劑量為4%的水穩材料做基層應用于高速公路、一級公路的僅適用于中、輕交通，做基層應用于二級及以下公路時可放寬至重交通及以下，做底基層時可用用于各個交通等級；水泥劑量為3%的水穩材料不適用于高速公路、一級公路的基層，在二級及以下公路基層應用也僅適用于中輕交通，做底基層使用時可應用高速公路、一級公路的中輕交通和二級及以下公路重交通、中、輕交通；水泥劑量為2%時僅能用作二級及以下公路的中輕交通。可見，從抗壓強度指標考慮，低劑量水穩材料隨著水泥劑量的降低其適用范圍是越來越小。

(2)彎拉強度

車輛荷載作用下基層材料在瀝青路面結構中承受彎拉作用，所以抗拉性能一直是水穩碎石的一項重要力學性能。舊規范(2006版)中采用劈裂強度試驗(間接拉伸試驗)對水泥穩定材料抗拉性能進行評價，但新規范(2017版)中已明確要求測試彎拉強度指標進行評價。

將成型好的 400mm(長)×100mm(寬)×100mm(高)的梁式試件在標準養生室內養生至90d，然后按照公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-T0851)的試驗方法進行的三分點彎拉強度試驗，其加載速率為50mm/min，所得試驗結果表4和如圖2所示。

表4 彎拉強度試驗結果(90d)

圖2 水泥穩定碎石彎拉強度隨水泥劑量變化

從圖2可以看出，隨著水泥劑量的增加，水穩碎石彎拉強度基本呈現拋物線增長的趨勢。

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50－2017)中關于無機結合料層疲勞開裂驗算方程(B.2.1-1)將水穩材料彎拉強度指標與路面基層、底基層服役壽命建立了量化關系，由驗算方程可知，水穩材料抗拉強度越大，其路面結構疲勞壽命也就越長。新規范中沒有像對無側限抗壓強度指標有明確標準值一樣用于要求彎拉強度指標，這是因為基層材料疲勞壽命能否達到設計要求并不完全由材料彎拉強度一方面決定。比如，對于抗拉強度較小的材料可以通過增加結構層厚度以滿足疲勞開裂的驗算。所以，材料抗拉強度性能能否滿足路面結構主要還是要通過具體的交通工況、設計壽命等條件下進行路面疲勞開裂驗算而定。然而，《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50－2017)中針對水泥穩定粒料彎拉強度推薦了兩個范圍：通常對于級配好、水泥用量高、材料性能好、施工工藝好的材料達到1.5～2.0MPa；反之在 0.9～1.5MPa。 可見，對于本文低劑量(2%～4%)水穩碎石材料，其彎拉強度基本處于第二范圍內，甚至對于劑量2%的水穩材料尚達不到第二等級要求，即工程應用中需要加大結構層厚度以滿足疲勞開裂驗算。

(3)彈性模量

彈性模量反映了水泥穩定材料在荷載作用下的變形特性，是重要的力學參數，顯著影響路面的承載能力和整體結構強度。而且路面結構的應力、應變分布也決定于水穩材料層的彈性模量。舊規范(2006版)中對水泥穩定材料彈性模量試驗要求采用“頂面法”(T0808)進行評價。交通部西部交通建設科技項目 “基于多指標的瀝青路面結構設計方法研究”課題對比了動態壓縮回彈模量、動態彎拉模量、歐洲標準壓縮回彈模量、中間段法單軸壓縮彈性模量和頂面法回彈模量等試驗方法。結果表明，前四種方法的測試結果接近，能更好地反映無機結合料穩定材料的力學特性，且中間段法單軸壓縮試驗操作相對簡單。所以，新規范在附錄E中規定了彈性模量中間段試驗方法作為彈性模量指標的標準測試方法。由此，本文采用公路瀝青路面設計新規范(2017版)附錄E中試驗方法評價低劑量抗裂水穩基層的彈性模量，試驗結果見表5和圖3。

從圖3可以看出，水泥穩定碎石彈性模量隨水泥劑量增加表現為線性增加。相比于抗壓強度或彎拉強度指標，彈性模量指標并不是越大越好，這是因為：雖然彈性模量越大代表了材料承受相同應力下變形越小，但是對于處于層狀結構的路面中的水穩材料，其模量越大會顯著增加其承擔的拉應力，且增加瀝青層的受剪破壞的概率。

表5 單軸壓縮模量試驗結果(90d)

圖3 水泥穩定碎石彈性模量隨水泥劑量變化

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50－2017)中針對水穩材料彈性模量同樣沒有給出標準值，但是同彎拉強度指標一樣也給出了兩個常見范圍：14000～20000MPa和20000～28000MPa。根據本文的試驗結果可以看出，水泥劑量為4%時彈性模量還處于水穩材料的第二代表范圍，但對于2%、3%劑量的水穩材料彈性模量已不在規范中給出的常用范圍，這也說明了低劑量水穩基層瀝青路面結構設計與常規水穩材料是不同的。

3 結論

本文以2%～5%水泥劑量的水穩碎石材料為研究對象，室內試驗了其力學參數，并與新瀝青路面設計規范進行了對比分析，得到了以下結論：

(1)水泥穩定碎石無側限抗壓強度隨水泥劑量增加而增加；低劑量水泥穩定碎石根據水泥劑量不同適用的公路等級、交通情況、結構層類型有顯著區別；若要用在高等級、重交通道路結構中，需考慮采用加大結構層厚度的方法來降低材料所承受的壓應力和拉應力。

(2)水泥穩定碎石彎拉強度隨水泥劑量增加表現為拋物線增加趨勢；低劑量水穩碎石材料彎拉強度基本處于規范中常用代表值的第二范圍內，甚至對于劑量2%的水穩材料尚達不到第二范圍要求，即工程應用中需要加大結構層厚度以滿足水穩碎石層疲勞開裂驗算。

(3)水泥穩定碎石彈性模量隨水泥劑量增加表現為線性增加；低劑量水穩碎石材料彈性模量顯著低于規范中代表值范圍，表明低劑量水穩碎石瀝青路面力學特性將與常規瀝青路面有所不同，路面結構設計時不能直接借鑒普通水穩碎石路面結構。