基于大厚度半剛性基層配合比試驗(yàn)分析*

鄒夢(mèng)超 陳穎輝 歐明喜 李濤 后錢(qián)峰

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510080)

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)半剛性基層多采用分層施工，但各層之間的粘結(jié)效果不甚理想，使整個(gè)半剛性基層分層受力，達(dá)不到預(yù)期強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。王軍[1]發(fā)現(xiàn)基層整體性欠佳是造成路面災(zāi)害的主要原因之一，故采用一次施工完成的大厚度半剛性基層得到發(fā)展[2]，而如何合理確定大厚度半剛性基層中各集料最優(yōu)配合比則尤為重要[3]。根據(jù)材料組成的不同，常用的半剛性基層可分為石灰粉煤灰穩(wěn)定類、水泥穩(wěn)定類及水泥粉煤灰穩(wěn)定類[4]。對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定類按結(jié)構(gòu)劃分，又可分為懸浮型及密實(shí)型兩類。目前懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)作為路面基層在工程中應(yīng)用廣泛，但賈侃[5]、沙愛(ài)民等[6]研究發(fā)現(xiàn)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下易出現(xiàn)疲勞破壞，導(dǎo)致局部失穩(wěn)。因此，為了提高半剛性基層的使用性能，本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于干線公路，主要研究大厚度半剛性基層構(gòu)成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)時(shí)的粗細(xì)集料配合比，并對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析，為今后的公路建設(shè)與發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

(1)水泥。按照試驗(yàn)需求，采用終凝時(shí)間<10 h而初凝時(shí)間>45 min的水泥，且嚴(yán)禁使用早快硬型和不安定性水泥[7]。試驗(yàn)使用的水泥為云南華新東駿水泥有限公司提供的P.O42.5水泥，水泥摻量為5%。

(2)碎石。根據(jù)集料的分組規(guī)定，將碎石分為4組：A0組為0～5 mm、A1組為5～10 mm、A2組為10～20 mm、A3組為20～30 mm。依照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[8]，可得到集料的基本物理性能如表1、表2所示。相關(guān)試驗(yàn)表明:粒徑>4.75 mm的集料承擔(dān)外部荷載，屬于骨架的主要部分，粒徑<4.75 mm的集料為細(xì)集料，因此選取4.75 mm為粗細(xì)集料的界限。

表1 集料的物理指標(biāo)

表2 碎石的篩分統(tǒng)計(jì)

1.2 集料裝配

將粗集料按照比例進(jìn)行稱重，稱重后試樣分3份均勻裝入已知質(zhì)量的容器中。第1份試樣裝填完后，將容器置放在直徑約30 mm的圓管上左右往返振動(dòng)25次；振實(shí)后，緊接將第2份試樣裝入容器，同樣放置在圓管上前后振動(dòng)25次；最后裝填第3份試樣，以相同的方法左右振動(dòng)相應(yīng)次數(shù)。當(dāng)試樣完成振實(shí)后，刮平試樣表面，稱得容器總重，測(cè)得容器體積，根據(jù)ρ=m/v求得振實(shí)后的試樣密度。

2 配合比試驗(yàn)

2.1 粗集料最佳配合比試驗(yàn)

2.1.1Ⅰ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)

將A0、A1集料進(jìn)行混合振實(shí)，混合料總重為10 kg， A1集料用量以5%逐步增加，起始比例為65∶35。振實(shí)試驗(yàn)完成后，得到兩組混合料的不同配合比與振實(shí)密度的關(guān)系曲線，如圖1所示。在曲線上依次選取3個(gè)最大振實(shí)密度對(duì)應(yīng)的A0∶A1比例，記為a1、a2、a3組。可以看出，Ⅰ級(jí)振實(shí)密度隨著A1集料所占比例的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)。振實(shí)密度增加是由于混合料間的空隙被A1集料填充，當(dāng)混合料中A0∶A1比例為 45∶55 時(shí)，混合料整體振實(shí)密度達(dá)到最大值。隨著A1集料的進(jìn)一步增加，混合料間的空隙不足以填充A1集料，混合料骨架被撐開(kāi)，振實(shí)密度開(kāi)始減小。 根據(jù)粒子干涉理論，此時(shí)集料間出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。通過(guò)Ⅰ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)，最終選取圖1中的a1(50∶50)、a2(45∶55)、a3(40∶60)等3組混合料進(jìn)行Ⅱ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)。

圖1 Ⅰ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 Ⅱ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)

在Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將所確定的a1、a2、a3等3組混合料分別與A2集料進(jìn)行混合。由于A2集料在混合料中比例應(yīng)較小[9]，故試驗(yàn)配合比起點(diǎn)為80∶20。每組試驗(yàn)混合料質(zhì)量控制在10 kg，其中A2集料以10%逐步增加，將各組混合料進(jìn)行振實(shí)，得到a1、a2、a3組與A2集料混合后不同配合比與振實(shí)密度的關(guān)系曲線，如圖2所示。Ⅱ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)完成后，選取振實(shí)密度最大的兩組，記為M、N組。由圖可知，3組不同比例混合料的振實(shí)密度均呈先增加后減小的趨勢(shì)。混合料密度增加，表明在Ⅰ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)后，A0、A1混合料中還存在著空隙，隨著A2集料的加入，Ⅰ級(jí)混合料中的空隙逐步被填充密實(shí)。當(dāng)混合料振實(shí)密度達(dá)到峰值時(shí)，繼續(xù)增加A2集料，混合料密度開(kāi)始逐漸減小，粗集料骨架被破壞，說(shuō)明產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。

圖2 Ⅱ級(jí)振實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

在上述試驗(yàn)中，當(dāng)a1、a2組與A2集料的質(zhì)量比為70∶30時(shí)，即為圖2中的b1、b2組，此時(shí)混合料振實(shí)密度較大，且b2組的大于b1組的。令b2為M，A0∶A1∶A2配合比為31.5∶38.5∶30；令b1為N，A0∶A1∶A2配合比為35∶35∶30。再以M、N組粗集料形成的骨架為基礎(chǔ)，進(jìn)行細(xì)集料的填充，確定基層混合料中粗細(xì)集料的比例。

2.2 粗細(xì)集料最佳配合比確定

骨架密實(shí)型級(jí)配理論表明，粗集料不僅需要緊密排序，構(gòu)成骨架嵌擠形式，而且骨架間的空隙需要由細(xì)集料和無(wú)機(jī)結(jié)合材料進(jìn)行填充，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。在此次粗細(xì)集料配合比試驗(yàn)中，保證水泥摻量、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等條件相同，以7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)混合料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以此探究粗細(xì)集料最佳配合比，結(jié)果如表3所示。由表可知，當(dāng)混合料中細(xì)集料比例由20%增加到25%時(shí)，M、N組兩種配合比下混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了15.95%和13.52%；當(dāng)細(xì)集料比例由25%增加到30%時(shí)，兩種配合比下混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別降低了20.08%和20.53%；當(dāng)粗細(xì)集料比例為60∶40時(shí)，混合料整體7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別較最大值減小了42.39%和40.85%。

表3 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 MPa

細(xì)集料還未摻入M、N兩組不同配合比的粗集料混合料中時(shí)，兩組粗集料結(jié)構(gòu)為骨架空隙型。隨著細(xì)集料的增加，粗集料骨架間空隙逐漸被填充，由于水泥的膠凝作用，混合料間粗細(xì)集料的接觸面積大大增加，使兩者的粘結(jié)力也相應(yīng)提高，從而使混合料整體抗側(cè)壓強(qiáng)度提高。當(dāng)空隙被完全填充，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為骨架密實(shí)型時(shí)，隨著細(xì)集料比例的繼續(xù)提高，混合料出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，其整體強(qiáng)度開(kāi)始大幅降低，此時(shí)混合料結(jié)構(gòu)從骨架密實(shí)型過(guò)渡到骨架懸浮型。

綜上，當(dāng)混合料結(jié)構(gòu)由骨架空隙型轉(zhuǎn)為骨架密實(shí)型時(shí)，集料的整體強(qiáng)度有小幅提高，但由骨架密實(shí)型轉(zhuǎn)為骨架懸浮型時(shí)，混合料強(qiáng)度大幅降低，說(shuō)明干涉現(xiàn)象對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大。因此，粗細(xì)集料最佳的配合比為75∶25，此時(shí)混合料為骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。

3 配合比分析

3.1 骨架型及級(jí)配曲線分析

多位學(xué)者研究指出，當(dāng)集料間隙率VCAmix大于集料干搗實(shí)間隙率VCADRC時(shí)，集料為骨架懸浮型結(jié)構(gòu)；當(dāng)VCAmix與VCADRC相近時(shí)，集料為骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)；當(dāng)VCAmix小于VCADRC時(shí)，集料為骨架嵌擠型結(jié)構(gòu)；當(dāng) VCAmix遠(yuǎn)小于VCADRC時(shí)，集料為骨架空隙型結(jié)構(gòu)[10-12]。令VCAmix=α，VCADRC=β，則

(1)

(2)

其中

(3)

(4)

式中，P1，P2，…，Pi為各組混合料中粗集料(粒徑>4.75 mm)的比例；γf為混合料毛體積密度；γCA為粗集料骨架的毛體積密度；γS為振實(shí)密度，由振實(shí)試驗(yàn)得出；γ1，γ2，…，γi為各組集料密度。

計(jì)算得出表3中10組不同配合比的VCAmix和VCADRC，如圖3所示。由圖可知，粗集料之間的間隙率均隨混合料中細(xì)集料的減少而減小。當(dāng)細(xì)集料所占比例為30%(J3)時(shí)，即VCAmix和VCADRC相近，混合料中細(xì)集料充分填充粗集料間的空隙，結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)型；當(dāng)細(xì)集料比例為25%時(shí)，即為圖中J4、P4，滿足VCAmix小于VCADRC，表明此級(jí)配具有骨架性；同理可知，J5和P5也滿足上述要求，均具有骨架性，但對(duì)于J5，VCAmix小于VCADRC，表明P5結(jié)構(gòu)為骨架空隙型。綜上，J3、J4、J5、P4、P5均滿足VCAmix小于VCADRC或兩者相近的要求，集料都具有骨架性特征。

圖3 不同級(jí)配下的VCAmix和VCADRC

依據(jù)表3中10組不同配合比粗細(xì)集料，得到各分組的篩孔通過(guò)率如圖4所示。圖中的上下限為《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中C-B-1的級(jí)配范圍。可以看出，10組級(jí)配均在規(guī)范上下限附近波動(dòng)，但幅度較小。其中，J1、J2、P1、P2組的級(jí)配曲線均在規(guī)范上限以上，表明上述混合料中粗集料含量較少，在此級(jí)配下的混合料骨架性難以保證；而J5、P5組的級(jí)配曲線均在規(guī)范下限以下，表明此級(jí)配下混合料中粗集料含量較大，需謹(jǐn)慎采用；而J3、J4、P3、P4組的級(jí)配曲線都在規(guī)范區(qū)間內(nèi)，表明此級(jí)配下混合料骨架滿足要求，其中J4、P4組級(jí)配粗集料含量均大于J3、P3組，且J4、P4組級(jí)配曲線形似“S”，表明此配合比下混合料級(jí)配合理，此時(shí)結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)型。

(a)J1～J5組

因此，從規(guī)范級(jí)配范圍分析，J3、J4、P3、P4組級(jí)配滿足要求；但從集料骨架性分析，J4、J5、P4、P5組級(jí)配更優(yōu)，故上述J3、J4、J5、P3、P4、P5組級(jí)配均符合要求。

3.2 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表3中試驗(yàn)所得的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，可得不同級(jí)配下的強(qiáng)度對(duì)比，如圖5所示。 由圖可知，J1～J5組與P1～P6組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均是先增大后減小。根據(jù)一級(jí)重載交通應(yīng)力為4～6 MPa，因此只有J4、J5、P4、P5組滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。

圖5 各級(jí)配7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比

混合料配合比分析中，依據(jù)骨架性判定標(biāo)準(zhǔn)VCAmix小于VCADRC，J3、J4、J5、P4、P5組滿足要求；依據(jù)規(guī)范級(jí)配范圍考慮，J3、J4、J5、P3、P4、P5組級(jí)配也滿足要求；最后考慮7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，J4、J5、P4、P5組同樣滿足要求。綜上，可依據(jù)J4、J5、P4、P5組集料確定骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率范圍，如表4所示。

表4 7 d骨架密實(shí)型配合比的關(guān)鍵篩孔控制范圍

4 結(jié)論

(1)Ⅰ、Ⅱ級(jí)填充振實(shí)試驗(yàn)后，當(dāng)混合料中粗集料各分組A0、A1、A2的比例為31.5∶38.5∶30 和35∶35∶30時(shí)，混合料振實(shí)密度較高，集料的骨架性也能滿足要求。

(2)混合料中粗集料在滿足骨架性的基礎(chǔ)上，加入一定比例的細(xì)集料，當(dāng)粗細(xì)集料的配合比為75∶25時(shí)，混合料的嵌擠效果達(dá)到最好，在該配合比下，粗細(xì)集料構(gòu)成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。

(3)在10組不同配合比的混合料分析中，依據(jù)骨架性、級(jí)配和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，確定大厚度半剛性基層骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵篩孔尺寸分別為9.5、4.75、2.36 mm，該尺寸下通過(guò)率范圍分別為50%～57%、33%～38%、19%～25%。