水穩(wěn)碎石基層取芯臨界強度與整體性質(zhì)量評價時機

王 龍，姜鳳霞，夏浩然

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2.長春建業(yè)集團股份有限公司，長春 130022)

水泥穩(wěn)定碎石基層現(xiàn)場鉆芯試驗是評價基層整體性(施工質(zhì)量)的重要手段，規(guī)定齡期下芯樣的狀態(tài)可以反映基層的壓實、厚度和板體性質(zhì)量. 文獻[1]中規(guī)定“7 d應(yīng)取出完整芯樣，否則應(yīng)進行返工處理”，可見芯樣狀態(tài)的重要性. 但不分地域、氣候、材料設(shè)計強度和材料級配特征統(tǒng)一在7 d齡期時間節(jié)點取芯進行評價，不具有科學(xué)性. 就全國范圍來講，地理位置的差異氣溫差別巨大，如華南地區(qū)4、5月份平均氣溫為20～30 ℃，而東北地區(qū)則小于10 ℃，如此之大的溫差下基層均養(yǎng)生7 d，其強度和取芯芯樣的狀態(tài)會有很大差別；不同設(shè)計強度的水泥穩(wěn)定碎石基層，水泥劑量不同，相同的養(yǎng)生齡期下(7 d)，設(shè)計強度高的基層則很容易取出完整芯樣，而設(shè)計強度低的基層，可能取不出完整芯樣；而且，級配類型、集料的強度和養(yǎng)生條件也會影響到芯樣致密程度.

固定齡期法作為評價基層整體性質(zhì)量評價時機不具有合理性，文獻[2-4]研究了養(yǎng)生溫度、齡期對強度的影響，按照施工期溫度的差異，提出了一些水泥穩(wěn)定碎石基層施工質(zhì)量評價的方法. 因此，取芯齡期需根據(jù)水泥穩(wěn)定基層施工地域的氣候特征和材料特性綜合給出，為了確定水穩(wěn)碎石基層整體性質(zhì)量合理的評價時機，體現(xiàn)施工質(zhì)量評價的公平性原則，本文通過室內(nèi)鉆芯試驗，提出不同級配類型和設(shè)計強度下能取出完整芯樣的取芯臨界劈裂強度，建立成熟度曲線與劈裂強度間的關(guān)系模型，根據(jù)取芯臨界強度提出基于成熟度理論確定取芯時機的方法和標(biāo)準(zhǔn)，旨在體現(xiàn)基層施工質(zhì)量評價的科學(xué)性和公平性.

1 成熟度理論

1.1 成熟度理論模型

成熟度是水泥混凝土養(yǎng)護時間和等效養(yǎng)護溫度的乘積，成熟度是由英國Saul[5]于1951年提出，對于水泥混凝土材料，當(dāng)養(yǎng)生的成熟度相同，其達到的強度也基本相同，而與養(yǎng)生期間的溫度路徑無關(guān)，成熟度計算公式為

Ms=∑(T-T0)Δt.

(1)

式中：Ms為混凝土成熟度，℃·h；T為Δt時間內(nèi)混凝土內(nèi)部的平均溫度，℃；T0為基準(zhǔn)溫度，T0取0 ℃；Δt為養(yǎng)生時間間隔，h.

文獻[6]規(guī)定，水泥混凝土路面的切縫時機以成熟度為250 ℃·h進行控制，不會發(fā)生啃邊. 對于同為水泥基的水泥穩(wěn)定碎石基層，其強度增長與水泥混凝土相類似，因而，建立水泥穩(wěn)定碎石強度與養(yǎng)生成熟度的關(guān)系，及其養(yǎng)生成熟度與取芯質(zhì)量的關(guān)系，則可以提出基于強度相等原則不同養(yǎng)生路徑下水泥穩(wěn)定碎石基層的合理質(zhì)量評價時機，改善不分氣候特征和材料設(shè)計強度統(tǒng)一采用固定齡期法則(7 d)評價施工質(zhì)量的不合理性.

1.2 成熟度與強度模型

成熟度的主要應(yīng)用是預(yù)測水泥混凝土的早期強度，成熟度與強度的關(guān)系模型主要有3種[7-9]，分別為對數(shù)模型、雙曲線模型和指數(shù)模型，對數(shù)模型由于沒有極限，強度具有無限大的趨勢，僅在成熟度一定范圍內(nèi)有效，采用指數(shù)或雙曲回歸模型預(yù)測混凝土強度存在極限，與實際相符[10-11]，因此《建筑工程冬期施工規(guī)程》[12]附錄B中指出“宜按照指數(shù)或雙曲線模型預(yù)測混凝土的強度”. 成熟度Ms與強度的Carino雙曲線函數(shù)模型為

(2)

式中：M0為初始硬化時的成熟度，℃·h；k為速率常數(shù)，1/(℃·h)；Ru為極限抗壓強度，MPa.

2 研究方法

2.1 室內(nèi)試驗基層材料配比

為探討水泥劑量和級配類型對取芯質(zhì)量的影響，試驗級配以文獻[1]中C-B-1為基礎(chǔ)，設(shè)計出4.75 mm篩孔的通過率分別為30%(級配1)、40%(級配2)和50%(級配3)3種級配，分別代表骨架-空隙、骨架-密實和懸浮-密實3種級配類型. 水泥劑量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))采用3.5%、4.5%和5.5%共3種，代表不同的設(shè)計強度，水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；以此研究在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下不同配比對取出完整芯樣的臨界成熟度(齡期)和取芯臨界強度的影響，材料比例見表1.

表1 3種類型試驗級配和材料比例

2.2 試驗方法

為了能進行室內(nèi)鉆芯試驗，必須成型水泥穩(wěn)定碎石大型試件，試件模具無底圓柱形對開形式，內(nèi)徑為30 cm，高為20 cm，圓形壓頭直徑為29.5 cm，模具構(gòu)造及實物如圖1所示.

(a) 模具構(gòu)造 (b) 模具實物照片

按照重型擊實最佳含水量和壓實度的98%配料，采用振動成型儀在圖1模具內(nèi)成型高度為15 cm不同配比下的水泥穩(wěn)定碎石試件，塑料薄膜密封覆蓋24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱(溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度≥ 95%)養(yǎng)生至預(yù)定的齡期之后，采用HZ-20混凝土取芯機進行鉆芯試驗，取芯直徑為15 cm，觀察芯樣狀態(tài)，根據(jù)養(yǎng)生時間和溫度，計算第1次能取出完整芯樣的成熟度，并對芯樣進行劈裂強度試驗，確定出取芯臨界劈裂強度.

3 取芯臨界劈裂強度與芯樣狀態(tài)分析

取芯試驗主要研究對于不同級配類型和不同水泥劑量下的水泥穩(wěn)定碎石在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生情況下何時能取出完整芯樣；芯樣狀態(tài)分析主要研究芯樣的質(zhì)量狀態(tài)，芯樣質(zhì)量狀態(tài)包括兩方面內(nèi)容：一是芯樣的完整性，是指芯樣的高度應(yīng)不小于設(shè)計厚度的90%；二是芯樣的致密性，是指集料顆粒不會因取芯機扭矩的作用沿試件側(cè)面產(chǎn)生脫落.

3.1 取芯臨界劈裂強度

3.1.1 取芯規(guī)則

取芯試驗從最高水泥劑量(5.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的試件開始，初次取芯時機為7 d齡期，若取不出，則延后3～4 d再取，直至能夠取出完整芯樣；對于相同級配類型，如果高水泥劑量在養(yǎng)生7 d取不出，則低一檔水泥劑量的試件初始取芯齡期從第10 d開始，以此類推；對第1次取出的完整芯樣，進行劈裂強度試驗. 此外每種配比的試件均在28 d齡期進行取芯，以確定芯樣的完整性和致密性標(biāo)準(zhǔn)，不同配比取出完整芯樣的最短齡期見表2.

表2 取出完整芯樣的最短齡期

1)級配1取芯狀況. 級配1不同齡期室內(nèi)取芯芯樣狀態(tài)如圖2所示，當(dāng)水泥劑量不小于4.5%時，標(biāo)養(yǎng)7 d均能取出完整芯樣，而水泥劑量為3.5%時，標(biāo)養(yǎng)14 d后才能取出完整芯樣.

(a) 3.5%水泥，14 d (b) 4.5%水泥，7 d (c) 5.5%水泥，7 d

2)級配2取芯狀況. 級配2不同齡期室內(nèi)取芯芯樣狀態(tài)如圖3所示，當(dāng)水泥劑量不小于4.5%時，標(biāo)養(yǎng)7 d均能取出完整芯樣，當(dāng)水泥劑量3.5%時，則需標(biāo)養(yǎng)17 d后才能取出完整芯樣.

3)級配3取芯狀況. 該級配不同齡期下室內(nèi)試驗取芯狀態(tài)如圖4所示，當(dāng)水泥劑量為3.5%時，標(biāo)養(yǎng)17 d后才能取出完整芯樣，當(dāng)水泥劑量為4.5%時，標(biāo)養(yǎng)14 d后才能取出完整芯樣，當(dāng)水泥劑量為5.5%時，標(biāo)養(yǎng)7 d就能取出完整芯樣.

3.1.2 取芯臨界狀態(tài)

定義在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下能取出完整致密芯樣的最短齡期為取芯臨界齡期，對應(yīng)該齡期芯樣的劈裂強度為取芯臨界劈裂強度.

1)取芯臨界齡期. 表3是3種級配類型、3種水泥劑量下水穩(wěn)碎石基層材料取芯臨界齡期和芯樣劈裂強度匯總. 從表3中可以看出，隨著水泥劑量升高，能取出完整芯樣所需的齡期變短. 在水泥劑量為5.5%時，3種級配均能在標(biāo)養(yǎng)7 d時取出完整芯樣，當(dāng)水泥劑量為4.5%時，級配3只有在標(biāo)養(yǎng)14 d時才能鉆出完整芯樣，當(dāng)水泥劑量降低至3.5%時，3種級配均不能在標(biāo)養(yǎng)7 d時取出芯樣. 級配類型對可取出完整芯樣的齡期也有很大影響，相同的水泥劑量，級配1取芯臨界齡期最短，級配3取芯臨界齡期最長. 可見懸浮-密實型級配基層材料的板體性不如骨架型級配，因為當(dāng)水泥劑量相同時，篩孔4.75 mm通過率越高，比表面積越大，單位體積上的水泥水化物越少，膠漿強度越低，對粗顆粒的約束性差，鉆芯過程中出現(xiàn)大量“返漿”和集料顆粒脫落現(xiàn)象，使芯樣不完整、破碎和側(cè)壁不致密. 可見，不同配比的水泥穩(wěn)定碎石取芯的臨界齡期不同，不考慮基層設(shè)計強度(水泥劑量)和級配類型的區(qū)別，統(tǒng)一采用7 d齡期取芯來評價施工質(zhì)量具有不合理性.

(a) 3.5%水泥，17 d (b) 4.5%水泥，7 d (c) 5.5%水泥，7 d

(a) 3.5%水泥，17 d (b) 4.5%水泥，7 d (c) 5.5%水泥，7 d

表3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下取芯臨界齡期與劈裂強度

2)取芯臨界劈裂強度. 由表3中劈裂強度數(shù)據(jù)可知，對于級配1而言，水泥劑量為3.5%和4.5%時，級配1能取出芯樣試件的劈裂強度分別為0.37 MPa和0.41 MPa，平均為0.39 MPa，臨界齡期由14 d減少到7 d；而級配2水泥劑量由3.5%增加到4.5%時，能取出芯樣試件的劈裂強度均為0.35 MPa，而臨界齡期為由17 d減少到7 d；對于級配3，當(dāng)水泥劑量為3.5%和4.5%時，取出芯樣試件的劈裂強度分別為0.37 MPa和0.39 MPa，平均為0.38 MPa，臨界齡期由17 d減少到14 d. 也就是說，相同級配類型不同水泥劑量下的水泥穩(wěn)定碎石基層，存在一個能取出完整芯樣的臨界強度，當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)生后強度增長到該強度時，即能取出完整芯樣. 從上面的分析可知，一般情況下，取芯臨界強度只受級配類型影響，級配類型影響強度(取芯臨界強度)的大小，而水泥劑量主要影響取出完整芯樣的齡期(取芯臨界齡期). 3種級配的取芯臨界劈裂強度見表4. 可以看出級配2取芯臨界強度最小，是骨架-密實級配效應(yīng)發(fā)揮的結(jié)果，但級配效應(yīng)的影響并不大，差異在0.04 MPa左右.

表4 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下取芯臨界劈裂強度

3.2 芯樣表觀狀態(tài)分析

級配類型、養(yǎng)生時間和水泥劑量這3種因素，對取芯芯樣的外觀質(zhì)量有很大的影響. 就級配類型而言，級配1粗集料和細(xì)集料的比例適當(dāng)，骨架良好，細(xì)集料填充較密實，取出的芯樣側(cè)壁平整光滑，細(xì)集料脫落少；而級配3粗細(xì)比失調(diào)，細(xì)集料多，取芯時，在水和鉆頭的雙重擾動下細(xì)集料和粗顆粒均有脫落，導(dǎo)致芯樣側(cè)壁不光滑不密實. 相同齡期下二者芯樣對比如圖5(a)和5(b)所示. 就養(yǎng)生時間而言，芯樣的外觀質(zhì)量對養(yǎng)生時間同樣敏感，標(biāo)養(yǎng)時間不同，芯樣側(cè)壁光滑致密性程度也不同，標(biāo)養(yǎng)14 d試件的側(cè)壁比28 d的粗糙，完整性差，如圖5(b)和5(c)所示. 就水泥劑量而言，水泥用量越大，膠漿及其裹覆粗集料的強度就越高，即使4.75 mm通過率為50%(級配3)的水穩(wěn)碎石，在相同齡期下(標(biāo)養(yǎng)28 d)，水泥劑量為5.5%取出的芯樣比水泥劑量為4.5%的芯樣更致密、光滑和完整，接近極限狀態(tài)，如圖5(c)和5(d)所示.

為了定量描述芯樣側(cè)壁的構(gòu)造深度，評估試件的致密性，采用激光構(gòu)造深度儀對每個芯樣側(cè)壁對徑掃描4條高度線[13-14]，掃描試樣中部位置，掃描長度10 cm，步長為0.5 mm，取4次掃描構(gòu)造深度的平均值作為該芯樣側(cè)壁的構(gòu)造深度，試驗過程和檢測結(jié)果見圖6和圖7.

(a) 級配1，4.5%水泥，14 d (b) 級配3，4.5%水泥，14 d (c) 級配3，4.5%水泥，28 d (d) 級配3，5.5%水泥，28 d

圖6 芯樣側(cè)壁構(gòu)造深度激光掃描

圖7 芯樣側(cè)壁構(gòu)造深度與齡期的關(guān)系

由圖7顯示可見，當(dāng)標(biāo)養(yǎng)齡期增加時，芯樣側(cè)壁構(gòu)造深度在減小，芯樣的完整和致密性在提高，其原因在于隨著齡期的增加，試件的強度增加，集料顆粒抵抗取芯扭矩的能力在增加. 但不同的級配具有很大的差異性. 就級配1而言，在水泥劑量為3.5%時，構(gòu)造深度隨齡期大幅度減小，在試驗齡期范圍內(nèi)，構(gòu)造深度由1.0 mm減小到0.88 mm，而當(dāng)水泥劑量增至4.5%和5.5%，構(gòu)造深度處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨齡期的變化很小，處于0.85 mm左右；而對于級配3來講，當(dāng)水泥劑量為3.5%，構(gòu)造深度一直處于高位，養(yǎng)生齡期的增加對芯樣致密性的提升較小；當(dāng)水泥劑量為4.5%時，構(gòu)造深度則隨齡期的增加呈大幅度下降趨勢，在試驗齡期范圍內(nèi)，構(gòu)造深度由0.98 mm下降到0.75 mm，只有在水泥劑量提高到5.5%時，構(gòu)造深度才大幅度降低并處于穩(wěn)定狀態(tài)，構(gòu)造深度在0.72～0.75 mm之間，芯樣的致密性才大幅度提高.

當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)生到28 d后，其強度基本穩(wěn)定，取芯過程中側(cè)壁“脫粒”現(xiàn)象也不再變化，因此，定義齡期為28 d時取芯芯樣側(cè)壁的構(gòu)造深度為極限構(gòu)造深度hmin，代表該配比芯樣最光滑致密狀態(tài)，該配比臨界齡期時芯樣側(cè)壁的構(gòu)造深度為h，圖8為不同級配芯樣hmin、h與水泥劑量的關(guān)系，從圖中可以看出，對于骨架型級配1，當(dāng)水泥劑量大于4.5%時，芯樣側(cè)壁的構(gòu)造深度h基本上與極限構(gòu)造深度hmin相當(dāng)，即7 d取出的芯樣達到了致密性的要求；對于懸浮-密實型級配3，只有水泥劑量達到5.5%，h才與hmim基本相當(dāng)，即對于該級配，只有水泥劑量到5.5%以上，才能取出致密性芯樣. 以上的研究說明，對于骨架型和懸浮型級配，若想在7 d齡期能取出致密性芯樣，水泥劑量必須分別達到4.5%和5.5%以上，否則必須增加養(yǎng)生齡期.

圖8 不同級配芯樣hmin、h與水泥劑量的關(guān)系

4 水泥穩(wěn)定碎石基層整體性評價時機的確定

建立不同養(yǎng)生路徑下成熟度與劈裂強度的關(guān)系，根據(jù)取芯臨界劈裂強度，確定取芯臨界成熟度，進而確定水泥穩(wěn)定碎石基層整體性評價時機.

4.1 水泥穩(wěn)定碎石成熟度與劈裂強度的關(guān)系

在級配類型一定時，水泥穩(wěn)定碎石強度增長主要受養(yǎng)生齡期、溫度和濕度3個因素的影響，在濕度恒定時，前兩個因素可以采用成熟度單一指標(biāo)表示. 為研究水泥穩(wěn)定碎石試件養(yǎng)生成熟度與劈裂強度的關(guān)系，對3種養(yǎng)生路徑下(溫度和齡期的組合)的試件進行劈裂強度試驗. 養(yǎng)生路徑為：濕度≥95%，養(yǎng)生溫度為15、20、25 ℃和養(yǎng)生時間為7～28 d；級配類型3種，水泥劑量均為4.5%. 成熟度的計算基準(zhǔn)溫度取-10 ℃[15]，根據(jù)計算的成熟度，按級配類型繪制成熟度Ms與劈裂強度Ri的關(guān)系，如圖9所示.

采用雙曲線函數(shù)建立成熟度Ms與劈裂強度Ri的關(guān)系，3個級配的關(guān)系方程參數(shù)見表5，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，說明雙曲線函數(shù)適用于水泥穩(wěn)定碎石Ri和Ms之間關(guān)系的表達；對比反應(yīng)速率常數(shù)k可知，級配2的k值最大，說明其強度增長速度最快，其次是級配1，而級配3的最慢；從極限劈裂強度來看，骨架型的級配1極限強度最大，在0.38～0.70 MPa之間變化，而懸浮型的級配3的最小，在0.27～0.53 MPa之間變化.

圖9 不同養(yǎng)生路徑下水穩(wěn)試件劈裂強度與Ms的關(guān)系

表5 不同級配劈裂強度與Ms雙曲線方程擬合參數(shù)

4.2 現(xiàn)場施工質(zhì)量評價(取芯)的成熟度標(biāo)準(zhǔn)

上面的研究表明不同養(yǎng)生路徑下水穩(wěn)碎石強度達到取芯臨界強度時，可以取出完整芯樣，因此可以把不同配比的取芯臨界劈裂強度輸入成熟度Ms與劈裂強度Ri的回歸公式，計算出不同配比水泥穩(wěn)定碎石基層的取芯臨界成熟度，用取芯臨界成熟度確定水泥穩(wěn)定碎石基層的取芯齡期.

把表4中3種級配的取芯臨界強度代入表5的方程參數(shù)，可以計算出3種級配在4.5%水泥劑量下的取芯臨界成熟度，見表6. 由于沒有水泥劑量為3.5%劈裂強度與成熟度的回歸方程，其取芯臨界成熟度可通過表3取芯試驗數(shù)據(jù)確定，而5.5%水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石，在7 d均能取出完整芯樣，取芯臨界成熟度按照7 d計算，略偏于保守. 根據(jù)表6取芯臨界成熟度的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合養(yǎng)生的溫度，可以反算出合理的起始取芯齡期.

表6 不同級配取芯臨界成熟度指標(biāo)

從表6中可以看出，不同配比下的取芯臨界成熟度差別很大，最大的為510 ℃·d，最小的為210 ℃·d，前者為后者的2.4倍，即相同的養(yǎng)生穩(wěn)定下，可取芯的齡期相差1.4倍，因此，規(guī)范給出的固定齡期取芯法則具有一定的可探討性，應(yīng)采用固定強度法則，根據(jù)不同配比的取芯臨界強度，確定其取芯臨界成熟度，進而確定取芯齡期，若在此齡期下取不出完整芯樣，則說明水泥穩(wěn)定碎石基層施工質(zhì)量存在缺陷，責(zé)令施工單位返工處理，采用該方法，可以更加科學(xué)客觀地評價基層的施工質(zhì)量.

5 結(jié) 論

1)水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量和級配類型不同，能取出完整芯樣所需的齡期不同，當(dāng)水泥劑量為3.5%時，3種級配類型均不能在7 d取出完整芯樣；級配類型不同，芯樣致密性有很大差異，相同水泥劑量下骨架型級配芯樣致密性優(yōu)于懸浮型級配.

2)水泥穩(wěn)定碎石取芯的完整性存在臨界強度，通過試驗提出了不同配合下的取芯臨界強度標(biāo)準(zhǔn)，取芯臨界強度一般只受級配類型影響，而與水泥劑量無關(guān)，級配影響取芯臨界強度的大小，水泥劑量影響取出完整芯樣的齡期.

3)提出了基于水泥穩(wěn)定碎石取芯臨界成熟度確定整體性質(zhì)量評價時機的方法，其核心是固定強度原則.