粗集料棱角性對水泥穩定碎石抗拉性能的影響

謝濤 徐龍 汪秀根 張直云

為研究粗集料棱角性對半剛性基層抗拉性能的影響，采用等效橢圓法對2種不同集料的不同粒徑進行棱角性評價，再采用正交試驗設計方法來制定試驗方案，對水泥穩定碎石基層的強度性能進行室內試驗。研究表明，在9.5～19 mm粒徑范圍內，隨著集料A的替換率增大，無側限抗壓強度也增大；當9.5～19 mm 和19～26.5 mm 2個粒徑中的集料A替換率都為50.0%，劈裂強度相對于集料B未被替換時的強度提高了3.4%，所以棱角性的變換，會引起集料的強度和抗拉性能的變化，粗集料的棱角性越凸出，整個混合料的強度和抗拉性能會越好。

半剛性基層； 棱角性； 抗拉強度； 抗壓強度

TU528.041 A

［定稿日期］2021-12-21

［作者簡介］謝濤（1987—），男，本科，工程師，從事道路橋梁施工工作。

在經過粉碎的材料中，摻入足量的水泥和水，經拌和得到的混合料，在壓實和養生后，當其抗壓強度符合規定的要求時，稱為水泥穩定碎石材料，是半剛性基層材料中的一種。集料的質量占整個水泥穩定碎石的比例超過90%，所以集料的性能很大程度決定了混合料的性能。骨架之間的相互嵌擠作用，摩擦作用對混合料的力學性能有很大影響［1］，基層作為主要的路面承重層，在受力不均勻的狀況下，路面容易受到剪切應力，所以基層不但要具有一定抗壓強度也要有一定的抗拉強度［2］。目前無側限抗壓強度和劈裂強度同為基層的強度指標，并且劈裂強度可以作為水泥穩定碎石基層的破壞指標，在半剛性基層瀝青面層中的結構組成設計和材料組成設計中，越來越重視混合料的抗拉特性［3-4］。半剛性基層瀝青路面出現的反射裂縫，大部分的原因就來自于基層抵抗拉應力的能力不足。較多學者［5-8］從水泥含量、齡期、配合比、壓實度、溫度、外摻劑等多方面的影響對劈裂強度展開研究，并有了較多的顯著性成果。但對于粗集料棱角性及其形態特征對劈裂強度的影響，其研究對象多是對于瀝青混合料面層［9-12］，對基層的研究較少，為此，筆者采用等效橢圓法［13-15］來評價棱角性，再基于棱角性對半剛性基層抗拉性能的影響分析來展開研究，以及探討劈裂強度與無側限抗壓強度之間的相關關系，也就是探索抗壓性能與抗拉性能之間的相關關系。

1 試驗原材料

1.1 水泥

磷渣和粉煤灰一樣具有火山灰效應，但由于磷渣的緩凝作用，對水泥的早期水化均有一定程度的減緩［16］。磷渣硅酸鹽水泥早期強度較低、凝結較為緩慢，可作為拉薩地區施工時使用的水泥，便于施工操作和基層質量的保證。

磷渣硅酸鹽水泥技術指標見表1。

1.2 集料與級配

本試驗采用了2種集料，一種是工程上常用集料碎石，

簡稱：集料A；另一種是拉薩河里經過破碎后的破碎礫石，簡稱：集料B（表2、表3）。

2 試驗

2.1 棱角性評價試驗

2.1.1 CCD數字圖像獲取

CCD數字圖像處理是把相機獲得的圖像使用計算機或其它數字圖像處理技術硬件，進行數字圖像信息對電信號的一個轉換，再而進行數學運算，最終實現了對圖像的識別和讀取本文采用有效像素為1 400萬的數碼相機，對數字圖像進行采集，采集過程中采用自制的逆光燈箱去消除外界光線和拍攝角度造成的陰影。為了減少粗集料數字圖像采集一個面的單一性造成的誤差，對集料的正反面都進行了圖像采集［17］。

2.1.2 數字圖像處理

數字圖像處理是對數字圖像中的信息進行提取。本文使用ImageJ對粗集料圖像進行灰度化、去噪、二值化、形態學處理以及輪廓邊緣的提取，如圖1所示。對處理圖像的周長、面積和形心位置、主軸長度、短軸長度等信息進行采集。

2.1.3 棱角性評價

本文基于DIP（數字圖像）技術對棱角性指標進行量化。李嘉等［18］證明了4個棱角性評價指標AR、ARmax、APc、AP與未壓實孔隙率都有較好的相關性，但AP指標的相關系數最大。等效橢圓法（圖2）最小量化了形狀因素對棱角性指標的干擾［19-20］。

P′=（PPe）2（1）

P″=∑ni（Ai×P′i）∑niAi（2）

式中：P是集料的輪廓周長，Pe是輪廓的等效橢圓周長，P′i是粗集料中第i顆集料的棱角性，Ai是第i顆集料的輪廓投影面積，P″是粗集料棱角性的加權指標值，n是集料的總數。本文比較集料A和集料B，在不同粒徑范圍的棱角性：從2個不同的投影面共同計算棱角性，得到結果見圖3、圖4、表4。

等效橢圓的理論計算與其長軸和短軸有關，當該指標越接近1.000時，表示原輪廓越接近于圓，其棱角性越差，對于大于1.000的數值，值越大，棱角性越好。由圖3和表4可知：在19～26.5 mm粒徑范圍內，2種集料的變異性系數最大，所以對于大粒徑來說，采集的數量需要相對的增多；集料A的棱角性優于集料B，隨著粒徑的增大，A集料的棱角性在16～19 mm的粒徑范圍內的棱角性最好，棱角性的變化規律是先增大后減小。集料B隨著粒徑的增大棱角性也逐漸增大。在9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm粒徑范圍內，集料A的棱角性都優于集料B的1%左右，所以可把4個粒徑歸類為2個粒徑范圍：9.5～19 mm，19～26.5 mm。

即棱角性大小的排列順序為：9.5～19 mm：集料A＞集料B，19～26.5 mm：集料A＞集料B，并且在AB 2種集料中，19～26.5 mm的棱角性都優于9.5～19 mm。

2.2 水泥穩定基層強度試驗

2.2.1 試驗方案

本文采用正交法來制定試驗方案，該方案采用4因素3水平，共9組試驗。試驗因素：①水泥含量；②9.5～19.5 mm粒徑范圍內集料B被集料A替換的替換率（文中簡稱：9.5～19 mm）；③19～26.5 mm粒徑范圍內集料B被集料A替換的替換率（文中簡稱：19～26.5 mm）。在因素①中的水平數：水泥含量4.0%、5.0%、6.0%；因素②中的水平數：0.0、50.0%、100.0%；因素③中的水平數：0.0、50.0%、100.0%。3個因素各自的水平值設計見表5。標準正交表見表6。

其中第4列為為空列，為誤差列。

根據JTGE 51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中的規定，使用丙法重型擊實試驗，確定在該配合比下混合料的最大干密度和最佳含水量分別為：ρmax=2.352 g/cm3，ωopt=5.3 %。按照壓實度為97%的要求，來計算集料、水泥和水的用量，拌和均勻后裝模，采取液壓式壓力機VE-200來制作無側限抗壓試件和劈裂試件，直徑×高為：150 mm×h150 mm。經過2～6 h，采用脫模機YTM-300進行脫模，將脫模后的試件進行裝袋，并把袋內空氣排干凈，放進標準養護室（溫度：20 ℃±2 ℃，濕度不小于95%）養護，無側限試件養護7天，劈裂試件養護90天，2種試件都在最后1天浸水養護。然后對2種試件進行相應的試驗。

2.2.2 無側限抗壓強度試驗

使用數顯式壓力試驗機對養護好的試件進行抗壓，記錄各組試件破壞時的峰值，得到相應的無側限抗壓強度（表7）。

使用極差分析（直觀分析法）對正交試驗結果進行分析。從實驗結果來看，3個因素的無側限抗壓強度平均值都超過7.00 MPa，滿足規范要求。3個因素互相獨立，并且無側限抗壓強度與水泥摻量線性相關。在9.5～19 mm粒徑范圍內，當集料A替換率為50.0%時，無側限抗壓強度較未被集料A替換的混合料的強度提高了12.0%，當集料A替換率為100.0%時，無側限抗壓強度較集料A替換率為50.0%的強度提高了5.8%。隨著集料A替換率的增大，混合料的抗壓強度的增長速度逐漸變緩，但整體來說，提高了混合料的抗壓強度，即在9.5～19 mm內，棱角性對抗壓強度正性相關，棱角性越好，越有利于抗壓強度的增大；在19～26.5 mm粒徑范圍內，當集料A的替換率為50.0%時，抗壓強度較替換率為0.0%的強度提高了3.5%，替換率為100.0%時，抗壓強度較替換率為50.0%的強度提高了3.2%。在19～26.5 mm內，集料A的替換率與抗壓強度相關性較好，隨著集料A 替換率的增大，抗壓強度也逐漸增大，即棱角性越好，越有利于提高抗壓強度（圖5）。

2.2.3 劈裂強度試驗

在半剛性基層瀝青面層的結構和材料的組成設計中，已經把材料的抗拉性能列為重要的測量指標。規定水穩基層采用劈裂試驗測得的劈裂強度作為抗拉強度。筆者采用CSS

軟件對電腦和電子萬能試驗機進行聯機，設置電子萬能試驗機的速率為1 mm/min，記錄試件破壞時的最大壓縮力P（N），結果如表8所示。

從試驗結果來看，3個因素之間互不干擾，在不考慮水泥因素的條件下，當集料B未被集料A替換時，混合料的劈裂強度平均值為1.17 MPa，已超過了此時的無側限抗壓強度的1/6，滿足規范。當2個粒徑范圍內集料A的替換率都為50.0%時，混合料的劈裂強度的平均值為1.21 MPa；當9.5～19 mm和19～26.5 mm的集料都被集料A替換時，即集料A的替換率為100.0%，混合料的無側限抗壓強度為1.19 MPa。所以，棱角性對劈裂強度的影響，不僅與棱角性的好壞有關，還與不同棱角性集料之間的相互嵌合作用有關。為了滿足基層的施工、設計和使用，需要對集料的棱角性進行一定評價和相應的組合（圖6）。

2.2.4 劈裂回彈模量

規范規定材料的抗拉強度為劈裂強度，所以為了確定拉應力和拉應變之間的關系，筆者對抗拉模量也采用間接法確定，及劈裂回彈模量。該試驗的試件與劈裂強度所用的試件相同，在測量回彈模量時，各組的拉應力與應變曲線大同小異，其中以正交試驗中的第五組為例，畫應力應變曲線見圖7。

由應力應變曲線可知，在一級加載時，試件已經出現塑性變形，在之后的逐級加載中，塑性變形隨著加載級數的增大而減小，這可能是因為在加載壓力值較小時，只對起膠結作用的砂漿有一定的擾動作用，但該擾動是一個不可恢復的變形，而隨著加載級數的增大，變形也逐漸增大，直至試件出現裂縫，試件破壞。

2.2.5 劈裂強度與無側限強度的關系

劈裂強度與無側限抗壓強度調整后的相關度R2=0.87069，兩者相關性較好，對于強度指標可用于劈裂強度對無側限抗壓強度的預估，但在瀝青鋪筑完成后，基層受溫度和濕度影響較大，基層材料會承受較大的拉應力和拉應變，一旦超過其抗拉強度或極限抗拉強度，基層就出現裂縫，所以劈裂強度可作為基層的破壞強度指標，然后推測此時的破壞強度所對應的施工技術指標抗壓強度的大小，由圖8可知，劈裂強度與抗壓強度線性正相關，即可通過劈裂強度對無側限抗壓強度進行調整，可由抗拉強度對抗壓強度進行預估。

2.2.6 劈裂強度與劈裂回彈模量的關系

劈裂回彈模量是基層抵抗水平拉應力的能力，在車輪荷載條件下，基層層底受較大的拉應力，抵抗拉應力不足時，基層會出現裂縫，裂縫會擴展到面層出現反射裂縫，從而影響道路的正常使用。由圖9可知，劈裂強度與劈裂回彈模量的相關性較好，由于回彈模量的測量，相對于較困難，可以用劈裂強度對劈裂回彈模量進行預估，大大減少工作量。

3 結論

（1）整體來說，粗集料的棱角性對基層強度的影響是正向的，粗集料棱角性越好基層的抗壓強度和劈裂強度越高。

（2）劈裂強度作為基層的強度和破壞指標，對組成混合料的粗集料進行棱角性的替換，可以減少基層和面層裂縫的產生，減少道路病害。并且可以在知道劈裂強度的條件下對抗壓強度和劈裂回彈模量進行預估。

（3）在配合比、齡期和水泥摻量相同的情況下，可以通過改善集料本身的性質來提高混合料的強度。

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