抗裂型水泥穩定碎石單軸壓縮模量和彎拉強度試驗分析

韋洪峰

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

抗裂型水泥穩定碎石通過減少細集料及膠結料，采用骨料嵌擠級配，降低含水量，減少無機結合料混合料干縮和溫縮，以減緩橫向裂縫病害，水泥劑量為2.5%～3.0%。相較于常規水泥穩定碎石，因其細集料和膠結料的減少，需有效評價和測定抗裂型水泥穩定碎石的承載能力和抗疲勞性能，采用振動拌和和常規拌和兩種拌和方式，對2.5%水泥劑量和3.0%水泥劑量的抗裂型水泥穩定碎石與4.5%水泥劑量的常規水泥穩定碎石的承載能力和疲勞性能進行對比。

1 原料及配合比

選用項目為撫順通武線改造工程，二級公路，路面寬度為12m，本路段建設方案為：銑刨現有面層后，加鋪3cm細粒式瀝青混凝土+4cm中粒式瀝青混凝土+35cm抗裂型水泥穩定碎石基層。基層用碎石均采自撫順市周邊石場，材料指標及篩分如表1和表2。

表1 粗細集料指標表

根據前期科研成果，抗裂型水泥穩定碎石采用表3設計級配范圍，與《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中C-B-3級配相比較，抗裂型水穩碎石級配要求最大粒徑提高至37.5mm；提高了9.5～31.5mm礦料比例，19～31.5mm通過率明顯降低，降低幅度平均為12.3%和6%；為保證骨架空隙被足夠的細料填筑，該級配適當提高了4.75mm以下細集料通過率。級配對比圖見圖1。

表2 集料篩分試驗結果

表3 抗裂型級配與規范級配對比表

圖1 抗裂型級配與規范級配對比

采用振動擊實成型法對抗裂型水泥穩定碎石進行配合比試驗，2.5%水泥劑量最佳含水量為4.27%，最大干密度2.532g/cm3，7d無側限抗壓強度7.6MPa，7d劈裂強度0.53MPa。

3.0%水泥劑量最佳含水量為4.39%，最大干密度為2.554g/cm3，7d無側限抗壓強度7.7MPa，7d劈裂強度0.61MPa。

2 單軸壓縮模量

與頂面法抗壓回彈模量相比，單軸壓縮模量能夠更好地反應水穩材料的力學特性，而且操作相對簡單。根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中的要求，無機結合料穩定類材料的彈性模量采用單軸壓縮試驗測定。

彈性模量計算按下式計算：

式中：Ec—抗壓彈性模量，MPa；

Et—抗拉彈性模量，MPa;

Fr—最大荷載，N;

D—試件直徑，mm；

ε3—試件縱向應變(荷載F=0.3Fr)。

水穩碎石材料單軸壓縮模量試驗結果見表4、圖2。

表4 通武線單軸壓縮模量試驗結果

圖2 單軸壓縮模量試驗結果

根據試驗結果可知，抗裂型水穩碎石材料的單軸壓縮模量平均值隨水泥劑量的增加而提高。2.5%水泥劑量的混合料的試驗數據離散性較大，說明2.5%水泥劑量時混合料試件的均勻性相對較差。

在相同拌和方式條件下抗裂型水穩碎石的單軸壓縮模量低于常規級配水穩碎石材料，材料剛度有所降低。在相同級配條件下，混合料經過振動拌和后，單軸壓縮模量平均值均有所提高。

與《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(14000～28000MPa)相比，本項目試驗結果處于規范推薦范圍的下限及以下，其中2.5%水泥劑量時模量降低幅度最大。

(1)級配類型對單軸壓縮模量的影響

圖3 單軸壓縮模量(級配類型)

由試驗數據可知，在相同的拌和方式下抗裂型級配的水穩碎石材料的單軸壓縮模量平均值差異不明顯，常規級配總體上高于抗裂型級配混合料；在常規拌和和振動拌和條件下常規級配的模量提高幅度分別為7%和9%。說明不同級配類型的混合料的剛度總體上無明顯差異，在振動拌和條件下單軸壓縮模量提升效果相對明顯。

(2)拌和方式對單軸壓縮模量的影響

圖4 單軸壓縮模量(拌和方式)

由圖4試驗數據可知，相同的級配類型條件下，振動拌和工藝對各種類型混合料的剛度均有不同程度提升作用，采用振動拌和的水穩碎石材料的單軸壓縮模量總體上高于常規拌和水穩碎石材料。抗裂型和常規級配水穩碎石的單軸壓縮模量振動拌和后材料模量提升幅度分別為2%和5%。這主要是因為振動拌和工藝能夠提高水穩碎石混合料的均勻性，使細集料和結合料充分填充骨架空隙，能夠形成結構性更加合理的骨架嵌擠-密實結構。

3 彎拉強度

彎拉強度是水穩基層材料的重要性能指標，是影響無機結合料疲勞的關鍵指標，對路面基層結構的層底拉應力具有重要影響。彎拉強度試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)中T0851-2009開展試驗。試驗過程中上下壓板平整并有足夠的剛度，可以均勻地連續加載卸載，可以保持固定荷載。加載速率為50mm/min，采用三分點加載方式。

彎拉強度試驗結果如表5所示。

由試驗數據可知，彎拉強度發展規律與抗壓強度及劈裂強度基本一致，在相同3%水泥用量前提下，抗裂級配振動拌和彎拉強度最大，常規級配常規拌和強度最低，前者強度提高幅度達45%以上。與《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(1.5～2.0MPa)相比，2.5%水泥劑量的水穩碎石材料彎拉強度不足，其余各組混合料的彎拉強度均滿足《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)推薦范圍，且3.0%水泥劑量的抗裂型水穩碎石試驗結果大于規范推薦上限。

表5 通武線彎拉強度試驗結果

圖5 不同級配和成型方式彎拉強度對比

(1)拌和方式對彎拉強度的影響(圖6)

在相同的級配類型條件下，振動拌和工藝對混合料的彎拉強度具有顯著的提升作用：經過振動拌和后，抗裂型和常規級配混合料彎拉強度分別提高30%和19%。與抗壓強度和劈裂強度類似，抗裂型級配混合料受拌和工藝的影響更為顯著。

圖6 拌和方式對彎拉強度的影響

圖7 級配類型對彎拉強度的影響

(2)級配類型對彎拉強度的影響(圖7)

在相同的拌和條件下，抗裂型級配混合料的彎拉強度整體優于常規級配混合料：在振動拌和和常規拌和條件下，抗裂型級配混合料彎拉強度分別提高約20%和10%以上。

4 結論

綜合上述研究成果，抗裂型水泥穩定碎石降低了含水量、水泥劑量，減少了細集料含量，在材料組成上達到了對溫縮及干縮開裂因素的減緩效果，在承載能力和疲勞性能未見到顯著的降低，主要結論如下：

(1)抗裂型級配與常規級配的單軸壓縮模量差異較小，常規水泥穩定碎石單軸壓縮模量略高于抗裂型水泥穩定碎石，與《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(14000～28000MPa)相比，本項目試驗結果處于規范推薦范圍的下限范圍。

(2)總體上，抗裂級配的彎拉強度2.5%水泥劑量大于1MPa，3.0%水泥劑量大于2.3MPa，超出《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)水泥穩定碎石彎拉強度上限。常規級配的彎拉強度在規范范圍上限范圍。

(3)振動拌和條件下，抗裂型級配較常規級配的抗壓強度和彎拉強度均提高30%以上；在常規拌和條件下，抗壓強度平均提升約為10%，彎拉強度提高19%以上。抗裂型級配有利于提高水穩碎石材料的彎拉強度，且振動拌和工藝對于不同級配類型混合料均具有提高強度的作用，其中抗裂型級配受振動拌和工藝的影響更為明顯。

(4)根據試驗數據和回歸方程確定了遼寧省抗裂型水泥穩定碎石材料的設計參數取值范圍，彎拉強度1.7～3.0MPa，單軸壓縮模量13000～20000MPa。