基于CAVF法設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能研究

金龍飛 李傳海 馮志鵬 朱 穎

(1.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250014； 2.山東高速工程檢測(cè)有限公司 濟(jì)南 250002；3.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司 濟(jì)南 250014)

半剛性基層瀝青路面是我國(guó)瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式，其占比超過95%[1]。半剛性基層廣泛應(yīng)用，但其不可避免地會(huì)因?yàn)楦稍锸湛s和溫度收縮產(chǎn)生開裂；并且半剛性材料收縮性越大，裂縫開口越寬，數(shù)量越多，間距越小[2]。基層裂縫能夠通過層間剪切力擴(kuò)展到面層，最終擴(kuò)展為路面結(jié)構(gòu)的反射裂縫[3]。反射裂縫破壞了路面結(jié)構(gòu)的防水性，使外界水分通過開裂處進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，誘發(fā)水損害甚至結(jié)構(gòu)性損害，極大地縮短了道路使用壽命[4]。滁州公路管理局提出并改進(jìn)的填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石(F-LSBC)基層對(duì)改善水穩(wěn)開裂現(xiàn)象效果良好[5]。F-LSBC基層以大粒徑碎石為骨架，集料和水泥為填充料，填充大粒徑碎石骨架中的空隙，結(jié)合柔性基層與半剛性基層各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又克服了兩者的缺點(diǎn)。F-LSBC填充料與粗集料的級(jí)配根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷，從而影響該材料的應(yīng)用效果。CAVF法(course aggregate void filling,CAVF)最早用于瀝青混合料設(shè)計(jì)[6]，其設(shè)計(jì)思路是實(shí)測(cè)粗集料的空隙，使細(xì)集料的體積、瀝青體積、礦粉體積和設(shè)計(jì)空隙之和等于主骨架的空隙體積，后經(jīng)許多專家學(xué)者進(jìn)一步優(yōu)化總結(jié)得到[7]，但該方法暫未應(yīng)用至水泥穩(wěn)定碎石混合料。區(qū)別于瀝青混合料的膠結(jié)料，水泥穩(wěn)定碎石材料所用的膠結(jié)料與水反應(yīng)，水化生成凝膠黏結(jié)集料以提供強(qiáng)度。為此，本工作優(yōu)化CAVF法中設(shè)計(jì)空隙等參數(shù)設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石混合料，并與骨架密實(shí)型混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，研究不同設(shè)計(jì)方法的水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1水泥

采用中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程測(cè)得水泥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥的物理參數(shù)

1.1.2集料

采用各檔粗、細(xì)集料的篩分符合JTG F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[8],各檔集料的性能指標(biāo)結(jié)果見表2。

表2 集料性能指標(biāo)

1.2 混合料CAVF法設(shè)計(jì)

首先確定水泥用量為4.0%，根據(jù)貝雷法粗、細(xì)集料的定義原則第一控制篩孔為最大公稱粒徑的22%[9]，因此選擇20～30 mm和0～5 mm 2檔集料，根據(jù)式(1)～(3)，設(shè)定設(shè)計(jì)空隙分別為0、-5%、-10%，計(jì)算粗、細(xì)集料的比例，分別記作JP-0、JP-5、JP-10。骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料作為空白組，記作JP-A。4種混合料的級(jí)配曲線見圖1。

圖1 合成級(jí)配曲線圖

(1)

qc+qf+qs=100

(2)

(3)

式中：VCA為粗集料空隙率，%；ρc為粗集料的表觀密度，g/cm3；ρ(s)c為粗集料的緊裝密度，g/cm3；qc、qf、qs分別為粗集料、細(xì)集料、水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Vυ為混合料的設(shè)計(jì)空隙，%。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要測(cè)試上述4個(gè)級(jí)配曲線制備的水泥穩(wěn)定碎石的物理參數(shù)(最大干密度和最佳含水率)和收縮性能參數(shù)(干縮系數(shù)和溫縮系數(shù))，所有試驗(yàn)方法均按照J(rèn)TG E51-2009 《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[10]執(zhí)行。

1.3.1擊實(shí)試驗(yàn)

在4.0%的固定水泥含量下，通過擊實(shí)試驗(yàn)分析不同級(jí)配制備的水泥穩(wěn)定碎石混合物。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用3.0%、3.5%、4%、4.5%、5%的含水率。繪制水穩(wěn)混合料的含水率-干密度關(guān)系曲線，從而確定其最佳含水率和最大干密度。

1.3.2干縮試驗(yàn)

采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件。將試件在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d并浸泡在水中1 d，取出試件測(cè)量其初始長(zhǎng)度L0，稱取初始質(zhì)量m0；將試件放在干縮室內(nèi)，開始1周內(nèi)每天測(cè)量長(zhǎng)度與質(zhì)量，1周后每2 d測(cè)量長(zhǎng)度和質(zhì)量，試驗(yàn)周期為1個(gè)月。在干縮試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將試驗(yàn)試件放入烘箱加熱直至恒重，為mp。根據(jù)式(4)～(8)計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果。

失水率：wi=(mi-mi+1)/mp

(4)

(5)

干縮應(yīng)變：εi=δi/L0

(6)

干縮系數(shù)：αdi=εi/wi

(7)

(8)

1.3.3溫縮試驗(yàn)

采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d并浸泡在水中1 d，養(yǎng)生結(jié)束時(shí)，將試件放入烘箱10 h，溫度設(shè)置為105 ℃，待試件完全干燥至恒重，然后放置在通風(fēng)的地方冷卻到室溫，測(cè)量試件原始長(zhǎng)度L0，然后放入試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的溫度為0～50 ℃，每間隔10 ℃為1個(gè)梯度，試驗(yàn)過程中，先將溫度控制在50 ℃，保溫3 h，接著開始按照0.5 ℃/min的速率降溫，待下降到下一溫度后，再保溫3 h，在保溫的最后5 min讀取數(shù)據(jù)，以此類推，直到溫度降至0 ℃。

根據(jù)下列公式計(jì)算溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)。

(9)

(10)

式中：ti為第i個(gè)溫度區(qū)間的千分表讀數(shù)和的平均值，mm；ti為溫度控制程序設(shè)定的第i個(gè)溫度區(qū)間，℃；εi為第i個(gè)溫度區(qū)間的溫縮應(yīng)變；αi為第i個(gè)溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擊實(shí)結(jié)果分析

{HJ最大干密度和最佳含水率的匯總結(jié)果見圖2。圖2結(jié)果顯示，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率均高于CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)能夠逐級(jí)填充骨架中的空隙，使混合料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；而CAVF法設(shè)計(jì)的水穩(wěn)混合料的骨架采用20～30 mm粗集料，僅用細(xì)集料(0～5 mm)填充，無法達(dá)到完全填充狀態(tài)，造成體系中空隙較多，使得混合料的最大干密度和最佳含水率減小。

圖2 不同級(jí)配的最佳含水率和最大干密度

同樣的，按照CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石，混合料的最大干密度和最佳含水率與設(shè)計(jì)空隙絕對(duì)值成正相關(guān)關(guān)系。相較于JP-0，JP-10的最大干密度從2.384 g/cm3增加至2.429 g/cm3，提高了1.89%，最佳含水率從3.7%增加至3.9%，提高了5.40%。從級(jí)配JP-0到JP-10，體系中的細(xì)集料占比增加，密實(shí)度增加，使混合料的最佳含水率和最大干密度逐步提高。

2.2 干縮結(jié)果分析

水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮試驗(yàn)結(jié)果見表3，干縮應(yīng)變、總干縮系數(shù)與級(jí)配的相關(guān)結(jié)果分別見圖3、圖4。

圖3 干縮應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

圖4 干縮應(yīng)變變化速率

表3 水泥穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，各級(jí)配試件的累計(jì)干縮量和累計(jì)失水率逐漸增加，表現(xiàn)出一致的規(guī)律。其中CAVF法設(shè)計(jì)的混合料試件的干縮量在第15 d后遞增速率減緩，失水率在第5 d后趨于平穩(wěn)；而對(duì)比組混合料試件的干縮量約在第25 d后趨于平緩，第11 d后的失水率結(jié)果波動(dòng)較小。CAVF法設(shè)計(jì)的混合料隨著設(shè)計(jì)空隙絕對(duì)值的增加，試件的總干縮量和累計(jì)失水率呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，JP-10比JP-0混合料試件的累計(jì)干縮量增加了17.7%，比JP-5的累計(jì)干縮量增加了5.8%。對(duì)比2種水穩(wěn)混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，CAVF法設(shè)計(jì)的混合料試件的干縮量與失水率均低于骨架密實(shí)型的水穩(wěn)混合料，其抵抗收縮變形能力較強(qiáng)，表現(xiàn)出較好的抗裂性能。由圖3可見，干縮應(yīng)變結(jié)果表現(xiàn)出與干縮量相同的試驗(yàn)結(jié)果，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，干縮應(yīng)變值不斷增加。養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的干縮應(yīng)變值達(dá)到了312×10-6，而按照CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的最大干縮應(yīng)變值為182.5×10-6，僅為骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的58.5%。

由圖4可見，數(shù)值越大，說明干縮應(yīng)變變化越快。骨架密實(shí)型混合料試件在養(yǎng)護(hù)齡期至21 d時(shí)，干縮應(yīng)變速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CAVF法混合料試件，養(yǎng)護(hù)齡期21 d后，干縮應(yīng)變速率趨于平穩(wěn)，應(yīng)變速率變化值在2.5×10-6/d波動(dòng)。CAVF法混合料試件在養(yǎng)護(hù)齡期至15 d后，干縮應(yīng)變速率趨于平緩，應(yīng)變速率變化值在1.25×10-6/d波動(dòng)，為傳統(tǒng)骨架密實(shí)型混合料試件應(yīng)變速率的50%。

2.3 溫縮結(jié)果分析

溫縮試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石的溫縮變化規(guī)律

由圖5可見，不同級(jí)配設(shè)計(jì)方法成型的混合料試件，其溫縮系數(shù)呈現(xiàn)以下的變化：在溫度下降的過程中，溫縮系數(shù)逐漸減小，并且其數(shù)值變化較大的時(shí)期為降溫初期，在后期變化逐漸變小，均在10～0 ℃的時(shí)候降低到最低點(diǎn)。水泥穩(wěn)定碎石材料試件在溫度較高時(shí)，材料發(fā)生了熱膨脹，體積相比常溫時(shí)有所增加，這為后續(xù)降溫過程提供了收縮的空間，溫度剛開始下降時(shí)，試件迅速產(chǎn)生反應(yīng)，體積收縮較大。在收縮過程中，集料和結(jié)合料貼合越來越緊密，強(qiáng)度慢慢增加。隨著溫度的降低，試件內(nèi)部材料接觸越來越緊，體積變小，因?yàn)榧吓c集料、結(jié)合料接觸點(diǎn)變多，形成了較高的強(qiáng)度，可接受的收縮空間變小，因此溫度越低，收縮量越小。這說明混合料的收縮性能會(huì)隨著溫度的降低而有所提高。

對(duì)比不同級(jí)配設(shè)計(jì)方法，可以看出，采用CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的溫縮系數(shù)均小于骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件。骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的平均溫縮系數(shù)值為7.249×10-6℃-1，而采用CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料JP-0試件的平均溫縮系數(shù)僅為前者的61.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗溫縮變形的能力。

3 結(jié)論

1) 干縮試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)的CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料，其失水率、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)均小于骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料。前者的最大干縮應(yīng)變值僅為后者的58.5%，總干縮系數(shù)為后者的70.3%，具有良好的抵抗干縮變形能力。

2) 溫縮試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)的CAVF法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)均小于骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料，前者的平均溫縮系數(shù)為后者的61.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗溫縮變形能力。