不同措施對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響

田小革,于 水,李光耀,閔雪峰,任 全,楊 帆

(1.長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙 410114;2.河北省高速公路京雄籌建處，保定 071700)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石混合料具有強(qiáng)度高、板體性好、承載能力高且抗變形能力強(qiáng)等特點，比較適合我國重載交通狀況，并且原材料來源廣泛，所以我國絕大多數(shù)高等級公路的基層都采用水泥穩(wěn)定碎石混合料[1]。但是這種基層易于產(chǎn)生溫縮、干縮裂縫，從而導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫[1-3]，且存在水穩(wěn)定性差、耐久性不足等缺點[4]，許多道路在大中修時原基層已處于破碎、松散狀態(tài)。

對于水泥穩(wěn)定碎石混合料存在的易產(chǎn)生收縮裂縫以及耐久性不足等缺點，國內(nèi)外學(xué)者提出了改善其性能的若干技術(shù)措施。吳啟一等[5]研究了玄武巖纖維對水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)玄武巖纖維摻量為碎石質(zhì)量的0.1%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料各項力學(xué)性能增強(qiáng)效果最優(yōu)。李明杰等[6]對比研究了骨架密實型、懸浮密實型和骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮性能、抗凍性能，發(fā)現(xiàn)采用骨架密實結(jié)構(gòu)能顯著減小水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮量。雷蕾等[7]研究了粉煤灰外摻劑對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰可以顯著提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和疲勞壽命。趙利軍等[8]、薛少青[9]對水泥穩(wěn)定碎石混合料開展采用振動拌和與普通強(qiáng)制拌和的對比試驗，發(fā)現(xiàn)振動拌和可提高水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度20%左右。楊明[10]、程培峰等[11]將四種不同體積摻量的玄武巖纖維加入到水泥穩(wěn)定碎石混合料中，發(fā)現(xiàn)加入玄武巖纖維后，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能得到有效提升。李淑[12]的試驗表明在水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入一定量的玄武巖纖維能提高強(qiáng)度，增強(qiáng)抵抗收縮的能力。暴英波[13]研究了不同齡期的玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮、抗凍和疲勞等耐久性，發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維后，水泥穩(wěn)定碎石混合料的28 d齡期抗凍系數(shù)以及90 d齡期的疲勞壽命明顯提高。馬士賓等[14]、李歡[15]、應(yīng)榮華等[16]、Li等[17]研究了不同含量的膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂能力的影響，結(jié)果表明摻加膨脹劑會使水泥穩(wěn)定碎石混合料體積產(chǎn)生微膨脹，抵消部分收縮，降低早期干縮裂縫的數(shù)量，提高抗裂性能。張顯安等[18]對比分析了振動攪拌與傳統(tǒng)靜力攪拌工藝對水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)振動攪拌工藝可顯著提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能。陸青清[19]研究了脫硫石膏對水泥穩(wěn)定碎石混合料的減縮與增強(qiáng)行為機(jī)制，發(fā)現(xiàn)隨著脫硫石膏摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮應(yīng)變逐漸降低。Carret等[20]研究了預(yù)裂對水泥穩(wěn)定碎石混合料后期強(qiáng)度和模量的影響，結(jié)果表明養(yǎng)生初期的預(yù)裂可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的早期強(qiáng)度。可以看出，國內(nèi)外研究人員對多種改善水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的技術(shù)措施的使用效果進(jìn)行了研究，但是這些研究僅分析了單一措施對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響。由于原材料和試驗條件不同，不同技術(shù)措施的實施效果缺乏可比性，且不同措施對水泥穩(wěn)定碎石混合料各項性能的影響程度尚未明確。因此，本文采用相同的原材料和試驗條件，通過對比研究采用振動拌和方式、增加水泥用量、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑四種不同技術(shù)手段對水泥穩(wěn)定碎石混合料多項性能的影響差異，并基于多因素方差分析評價了不同技術(shù)措施的影響程度，可為工程實踐提供參考。

1 原材料

1.1 水 泥

水泥采用坪塘水泥有限公司生產(chǎn)的P·C 32.5水泥，其性能見表1，滿足技術(shù)[21]要求。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of cement

1.2 集 料

集料采用寶隆科技發(fā)展有限公司提供的石灰?guī)r，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范[22]要求。

1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維選用臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的長度為12 mm的束狀水泥混凝土專用短切玄武巖纖維，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of basalt fiber

1.4 膨脹劑

選用U型膨脹劑(U-type expansive agent, UEA)，其成分為硫鋁酸鈣熟料或硫酸鋁熟料，與水泥漿體中的氫氧化鈣作用生成鈣礬石膨脹組分，產(chǎn)生適量膨脹,物理性能指標(biāo)見表3。

表3 UEA的物理性能Table 3 Physical properties of UEA

2 采用不同技術(shù)措施的水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計

2.1 配合比

室內(nèi)試驗采用水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水泥穩(wěn)定碎石混合料，基準(zhǔn)級配范圍見表4，與實際工程一致。

表4 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配Table 4 Gradation of cement stabilized macadam mixture

四種不同技術(shù)措施的水泥穩(wěn)定碎石混合料均以此級配為基礎(chǔ)，通過簡單的調(diào)整而制備,具體為：玄武巖纖維加入量為水泥穩(wěn)定碎石混合料體積摻量的0.05%；膨脹劑加入量為水泥質(zhì)量的0.5%；提高水泥用量的水泥穩(wěn)定碎石混合料中水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%和10%；振動拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料采用DT60ZBW型雙臥軸振動攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，其余水泥穩(wěn)定碎石混合料均采用常規(guī)強(qiáng)制式雙臥軸攪拌機(jī)進(jìn)行拌和。

2.2 最佳含水率

對于設(shè)計的不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料，含水率均初步擬定為3%、4%、5%、6%、7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，根據(jù)擊實試驗結(jié)果，繪制含水率-干密度關(guān)系曲線，確定各類級配水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度[22]，見表5。為方便作圖，將普通水泥穩(wěn)定碎石混合料、振動拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料、摻玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料、摻膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石混合料、高水泥用量(8%)水泥穩(wěn)定碎石混合料、高水泥用量(10%)水泥穩(wěn)定碎石混合料分別記作PT、ZD、XW、PZ、G1、G2。

表5 各類型混合料的最大干密度和最佳含水率Table 5 Maximum dry density and optimal moisture content of each type of mixture

2.3 試件成型與養(yǎng)生

分別按照設(shè)計所需的材料用量成型φ150 mm×H150 mm的圓柱體試件和100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，脫模之后，在規(guī)范要求環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)生。

3 不同技術(shù)措施下水泥穩(wěn)定碎石混合料性能對比

3.1 抗壓回彈模量

在養(yǎng)生室養(yǎng)生至不同齡期(7 d、28 d、60 d)的前一天取出試件樣品，飽水1 d后，依照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[23]中T 0808—1994試驗方法進(jìn)行抗壓回彈模量測試。各類型水泥穩(wěn)定碎石混合料在不同齡期時的抗壓回彈模量見圖1。

從圖1可以看出：(1)六種水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量均隨齡期的增加而增加。(2)增大水泥用量會明顯提高模量值，這是由于隨著水泥用量的增加，水泥漿水化后的凝膠狀結(jié)晶化合物也相應(yīng)增加，使水泥穩(wěn)定碎石混合料整體結(jié)構(gòu)更為牢固，剛度更大。(3)采用振動拌和技術(shù)、摻加玄武巖纖維或摻加膨脹劑，對水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量的影響都相對較小，摻入玄武巖纖維會在一定程度上降低其抗壓回彈模量。

3.2 強(qiáng) 度

將養(yǎng)生至不同齡期(7 d、28 d、60 d)的圓柱體試件依照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[23]進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、劈裂試驗及抗彎拉強(qiáng)度試驗，不同齡期下的試驗結(jié)果分別見圖2～圖4。

圖1 抗壓回彈模量隨齡期的變化Fig.1 Variation of compressive rebound modulus with age

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.2 Variation of unconfined compressive strength with age

從圖2～圖4可以看出：(1)隨著齡期的增長，不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度均逐漸增大，7～28 d齡期強(qiáng)度增長迅速，28～60 d齡期強(qiáng)度增長緩慢。(2)增大水泥用量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度提升效果最為明顯。(3)摻加玄武巖纖維，7 d齡期水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度低于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，但隨著齡期增長，強(qiáng)度逐漸提高，這是因為隨著齡期增長，玄武巖纖維可以充分發(fā)揮其聯(lián)結(jié)作用。

圖3 劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.3 Variation of splitting strength with age

圖4 抗彎拉強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.4 Variation of flexural tensile strength with age

3.3 收縮性能

按《公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[23]進(jìn)行干縮與溫縮試驗，設(shè)置的溫度區(qū)間為40～30 ℃、30～20 ℃、20～10 ℃、10～0 ℃、0～-10 ℃，試驗從高溫到低溫依次逐級進(jìn)行。不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)與溫縮系數(shù)分別見圖5和圖6。

圖5 干縮系數(shù)隨齡期的變化Fig.5 Variation of dry shrinkage coefficient with age

圖6 溫縮系數(shù)隨溫度的變化Fig.6 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature

由圖5和圖6可以看出：(1)六種類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)均隨齡期的增加而增加，前7 d齡期增長較快，后期趨于平緩。(2)溫度從40 ℃下降到0 ℃，水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)逐漸下降。從0 ℃到-10 ℃，溫縮系數(shù)逐漸回升。(3)增大水泥用量會使水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)均明顯增大，這說明水泥用量越大，越容易導(dǎo)致收縮開裂。(4)采用振動拌和技術(shù)、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑均能降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)，且摻加膨脹劑對降低水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)的效果最為明顯(與31 d齡期普通水泥穩(wěn)定碎石混合料相比，干縮系數(shù)降低了57.7%)，且其數(shù)值是從負(fù)數(shù)增長到正數(shù)。這是因為膨脹劑與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣礬石晶體，增大了水泥穩(wěn)定碎石混合料的體積，由此產(chǎn)生的體積膨脹可抵消部分收縮，因此它能有效降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)與溫縮系數(shù)，提高其體積穩(wěn)定性。(5)與普通水泥穩(wěn)定碎石混合料相比，加入玄武巖纖維后，水泥穩(wěn)定碎石混合料31 d齡期的干縮系數(shù)下降了18.8%。這是由于纖維絲分布形成的網(wǎng)狀體系與水泥穩(wěn)定碎石混合料基體之間產(chǎn)生的連接力、機(jī)械嚙合力以及共同作用有效約束了混合料與凝膠物的收縮變形。

3.4 耐久性

3.4.1 抗凍性能

根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]測定經(jīng)5次凍融循環(huán)后水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比，見圖7。

圖7 28 d齡期混合料凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比Fig.7 Unconfined compressive strength ratio of mixture after freeze-thaw cycles (28 d)

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度損失最大，采用振動拌和技術(shù)、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑、增加水泥用量四種技術(shù)措施均能提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗凍性能，其中增大水泥用量對抗凍性能的提升作用最為明顯。

3.4.2 抗疲勞性能

將養(yǎng)生28 d后的不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行四點彎曲疲勞試驗，采用控制應(yīng)力加載模式，荷載幅值為2 kN，波形為連續(xù)的Havesine波，加載頻率為10 Hz。試驗結(jié)果見表6。

由表6可以看出：采用振動拌和、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑、增大水泥用量四種措施均能夠明顯提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命，相較于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，疲勞壽命分別提高了約50%、1倍、2.5倍、170倍、230倍，其中增大水泥用量對抗疲勞性能的提升作用最為明顯。

表6 不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料在相同荷載下的疲勞壽命Table 6 Fatigue life of different types of cement stabilized macadam mixture under the same loading

4 基于多因素方差分析的性能影響程度分析

為了進(jìn)一步明確不同技術(shù)措施對各項性能的影響程度，基于多因素方差分析對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，并提取效應(yīng)量估算邊際平均值作為新的評估體系來判定影響效應(yīng)。估算邊際平均值差值越大，影響程度越大。表7為不同技術(shù)措施對水泥穩(wěn)定碎石混合料各項性能影響的主體間效應(yīng)檢驗,圖8為不同性能的效應(yīng)量估算邊際平均值結(jié)果。

表7 不同技術(shù)措施對各項性能影響的主體間效應(yīng)檢驗Table 7 Test of intersubjective effect of various performance by different technical measures

從表7主體間效應(yīng)檢驗結(jié)果可以看出，對于本文所采用的提升水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的四種不同措施，在各項性能下的顯著性值均低于0.05，且偏Eta平方的值接近1，說明這四種措施對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的提升均具有顯著影響。從圖8不同類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料的模量、強(qiáng)度以及耐久性的估算邊際平均值來看，對于PT、ZD、XW、PZ這四種類型，曲線斜率變化較為平緩，而當(dāng)混合料類型為G1、G2時，其效應(yīng)量估算邊際平均值曲線斜率猛然上升，相較于前四種類型值顯著提高，因此可以說明增大水泥用量對提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量、強(qiáng)度以及耐久性影響效應(yīng)最大，能更加簡便、高效地提升其性能。但從收縮性能的估算邊際平均值來看，增大水泥用量給干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)帶來不利影響；摻加膨脹劑的水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮、溫縮效應(yīng)量估算邊際平均值顯著低于其他類型，說明摻加膨脹劑能更加簡便、高效地降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的干燥收縮及溫度收縮變形。

圖8 不同性能的效應(yīng)量估算邊際平均值Fig.8 Estimated marginal mean of effects of different performances

5 結(jié) 論

(1)采用振動拌和技術(shù)、增大水泥用量、摻加膨脹劑能夠提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量，而玄武巖纖維的摻入會降低其抗壓回彈模量。四種措施均能提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度和耐久性，其中增大水泥用量的提升效果最為明顯。

(2)采用振動拌和技術(shù)、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑均能提高水泥穩(wěn)定碎石混合料抵抗收縮開裂的能力，而摻入膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮性能的改善效果最佳(干縮系數(shù)降低57.7%)，其次是摻加玄武巖纖維(干縮系數(shù)降低18.8%)，采用振動拌和技術(shù)對干縮系數(shù)的降低效果不太顯著。而增大水泥用量會使水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)增大，抗裂性能降低。

(3)從多因素方差分析結(jié)果來看，這四種措施對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能均具有顯著影響，其中增大水泥用量對提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量、強(qiáng)度以及耐久性影響效應(yīng)最高。