水泥穩(wěn)定材料對(duì)路面設(shè)計(jì)施工穩(wěn)定性能的影響研究

黃 華

(廣西北投公路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

原位膠結(jié)加固技術(shù)被認(rèn)為是一種有效、環(huán)保的加固現(xiàn)有退化無粘結(jié)路面的方法。改性穩(wěn)定材料和粘結(jié)穩(wěn)定材料是路面基層穩(wěn)定的主要材料種類。通過向顆粒材料中添加足夠數(shù)量的膠凝粘結(jié)劑(通常為顆粒材料干質(zhì)量的3%～ 7%),產(chǎn)生具有較高抗拉強(qiáng)度[1]并且結(jié)合穩(wěn)定的材料。由于其頂部承受較大的軸重,受束縛的穩(wěn)定基層在使用過程中承受彎曲載荷,拉伸疲勞是受束縛材料的主要損傷機(jī)制,因此,穩(wěn)定路面基層的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮粘結(jié)材料的抗彎特性。壓實(shí)穩(wěn)定路面基層的穩(wěn)定性和性能在很大程度上取決于細(xì)集料的指標(biāo)和收縮特性。液體極限值過高會(huì)影響微細(xì)顆粒的填充、聯(lián)鎖和粘聚,導(dǎo)致壓實(shí)穩(wěn)定材料的穩(wěn)定性較差[2-3]。塑性指數(shù)過高會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)劑軟化,骨料變濕且失去穩(wěn)定性,使材料難以協(xié)同工作。因此,穩(wěn)定路面材料的特性是路面設(shè)計(jì)和施工成功的關(guān)鍵[4]。為此本文通過試驗(yàn),研究水泥對(duì)兩種當(dāng)?shù)貋碓吹穆访娌牧瞎こ绦阅艿挠绊憽?/p>

1 試驗(yàn)材料

本研究選用北方地區(qū)舊路面材料(20 mm碎石)和石英巖兩種路面材料。石英巖被廣泛用于國(guó)內(nèi)的非結(jié)合和水泥穩(wěn)定的路面基礎(chǔ)建設(shè),其源巖為細(xì)粒石英巖(極低品位區(qū)域變質(zhì)巖)。圖1為兩種路面材料的粒徑分布曲線圖。由圖1可以看出,本研究選擇的路面材料適合水泥穩(wěn)定基層的公路建設(shè),因?yàn)閮煞N路面材料的級(jí)配均在我國(guó)公路建設(shè)推薦的級(jí)配限值內(nèi)。這些路面材料用3%(路面材料干質(zhì)量的百分比)通用水泥處理。

圖1 路面材料粒徑分布曲線圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 壓實(shí)試驗(yàn)

原始路面材料和膠結(jié)路面材料的改性壓實(shí)試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)[5](以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中的相關(guān)要求進(jìn)行。將路面材料進(jìn)行預(yù)處理,然后用3%水泥和水充分混合,使用改進(jìn)的壓實(shí)方法對(duì)樣品進(jìn)行手動(dòng)壓實(shí)。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)

將UCS作為穩(wěn)定路面材料分級(jí)的指標(biāo)參數(shù)[6],按照《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行UCS測(cè)試。對(duì)路面材料進(jìn)行預(yù)處理,在最佳含水率(OMC)下?lián)饺?%的水泥和水,使用改進(jìn)的壓實(shí)方法,將樣品手動(dòng)壓實(shí)在五個(gè)相等的層中。壓實(shí)工藝完成后,將每個(gè)樣品從壓實(shí)模具中擠出,在霧室(相對(duì)濕度95±5%,25 ℃)中固化,直至進(jìn)行測(cè)試。每種測(cè)試條件準(zhǔn)備3個(gè)樣品。固化完成后,將樣品在水中浸泡4 h,靜置15 min,待材料達(dá)均質(zhì)后進(jìn)行試驗(yàn)。軸向載荷以60 kN/min的均勻速率增加,直到試樣按《標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定失效。

2.3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行試件制備和試驗(yàn)。使用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的鋼模具制造用于彎曲強(qiáng)度測(cè)試的梁試件。對(duì)路面材料進(jìn)行預(yù)處理,然后在OMC下加入3%的水泥和水。按《標(biāo)準(zhǔn)》修改壓實(shí)力,分兩層人工壓實(shí)。壓實(shí)完成后,為防止水分蒸發(fā),將梁試件覆蓋在模具中,在室溫25 ℃下固化2 d,然后在霧室(相對(duì)濕度95±5%,25 ℃)固化至測(cè)試。每種試驗(yàn)條件下制備3個(gè)梁試件。彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)斷裂模量試驗(yàn)。該試驗(yàn)涉及以1 MPa/min的極限纖維應(yīng)力速率單調(diào)增加載荷,直至試樣失效?？缰袚隙鹊臏y(cè)量使用了兩個(gè)校準(zhǔn)的線性變量微分傳感器(LVDTs),該傳感器安裝在支撐架上,支撐架放置在梁試件上。

2.4 阿特伯格極限與線性收縮試驗(yàn)

通過對(duì)細(xì)集料和膠結(jié)細(xì)集料的液限(LL)、塑性極限(PL)和線性收縮(LS)進(jìn)行試驗(yàn),研究了水泥對(duì)母材的液限、塑性極限和線性收縮的影響。在試驗(yàn)中,通過對(duì)路面材料425μm的粒徑進(jìn)行篩洗,在45±5 ℃的溫度下使用熱燈干燥48 h,然后與3%(占路面材料干質(zhì)量的百分比)的水泥和水充分混合。

3 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素

3.1 壓實(shí)

壓實(shí)路面材料的性能總結(jié)見表1。石英巖的最大干密度(MDD)為2 260 kg/m3,而添加3%的水泥使該值降至2 195 kg/m3,OMC保持不變,為6.75%。原始公路基材和膠結(jié)原始公路基材的OMC分別為6.00%和5.30%。然而,兩種情況下原始公路基材的MDD均保持在2 340 kg/m3。路面材料和膠結(jié)路面材料的壓實(shí)曲線如圖2所示。

表1 壓實(shí)路面材料的性能數(shù)值表

圖2 兩種路面材料的干密度-含水率關(guān)系曲線圖

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)

路面材料的平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值繪制于圖3。由圖3可以看出,原始公路基材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨水泥摻量的增加而顯著增加,水泥摻量從0增加到3%時(shí),原始公路基材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值從0.51 MPa增加到5.46 MPa(7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值);而石英巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值則從0.49 MPa增加到3.68 MPa(7 d原始公路基材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值)。從圖3還可以看出,原始公路基材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而顯著增加,從7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的5.46 MPa增加到28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的8.99 MPa,而石英巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則從7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的3.68 MPa增加到28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的4.33 MPa。圖4為28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)兩種膠結(jié)材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

圖3 不同試驗(yàn)條件下路面材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值柱狀圖

圖4 不同膠結(jié)路面材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

3.3 抗彎強(qiáng)度

由圖5可以看出,原始公路基材的抗彎強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而顯著增加,水泥摻量為0%時(shí),抗彎強(qiáng)度為0 MPa,水泥摻量為3%時(shí),抗彎強(qiáng)度為1 438 MPa(7 d抗彎強(qiáng)度);而對(duì)于石英巖,水泥摻量從0%增加到3%時(shí),其抗彎強(qiáng)度從0 MPa增加到825 MPa(7 d抗彎強(qiáng)度)。由圖5還可以明顯看出,原始公路基材的抗彎強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加,7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)原始公路基材的抗彎強(qiáng)度為1 438 MPa,28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)原始公路基材的抗彎強(qiáng)度為1 578 MPa,而石英巖的抗彎強(qiáng)度則從7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的825 MPa增加到28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的1 046 MPa。圖6為28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)兩種膠結(jié)材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

圖5 不同試驗(yàn)條件下路面材料抗彎強(qiáng)度平均值柱狀圖

圖6 膠結(jié)路面材料抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

混凝土的綜合強(qiáng)度指標(biāo)k1、k2是反映混凝土抗彎性能好壞的重要參數(shù),通常k1表示彎曲模量與UCS的比值,k2表示抗彎強(qiáng)度與UCS的比值,可以反映混凝土的質(zhì)量,比值越大,說明混凝土的抗彎性能越好,混凝土質(zhì)量也越好。表2所示為不同材料試件的彎曲模量值與k1、k2值。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間從7 d增加至28 d,水泥原始公路基材和水泥石英巖的平均彎曲模量分別提高27%和31%。對(duì)于膠結(jié)的原始公路基材,抗壓強(qiáng)度的增加率高于抗彎強(qiáng)度的增加率,而對(duì)于膠結(jié)的石英巖,抗壓強(qiáng)度的增加率低于抗彎強(qiáng)度的增加率。同時(shí),《標(biāo)準(zhǔn)》推薦k1值為1 000～1 250,以預(yù)測(cè)路面設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)梁在28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)的彎曲模量。然而,本研究的結(jié)果表明,k1值與《標(biāo)準(zhǔn)》推薦的k1值不同,在2 125～2 747,這說明《標(biāo)準(zhǔn)》限值是偏安全的。

表2 材料彎曲模量值與k1、k2值一覽表

3.4 阿特伯格極限與線性收縮

壓實(shí)路面基層的穩(wěn)定性和性能也取決于細(xì)集料的指標(biāo)和收縮性能。表3總結(jié)了原始公路基材和水泥材料的指標(biāo)性能和線性收縮性能。

表3 細(xì)集料和膠結(jié)細(xì)集料的性能數(shù)值表

由表3可知,3%的水泥會(huì)使原始公路基材的液限提高12%,而石英巖的液限提高了22%,膠結(jié)石英巖的液限提高值不滿足路面材料的規(guī)范要求。同時(shí),水泥的加入會(huì)使原始公路基材的線性收縮降低47%。此外,與原始公路基材相比,石英巖的塑性指數(shù)也顯著降低(石英巖塑性指數(shù)降低了56%,線性收縮僅減少了13%),但各線性收縮值均滿足路面材料規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究旨在討論水泥穩(wěn)定性材料對(duì)路面材料工程性能的影響,包括公路路面機(jī)械設(shè)計(jì)所需的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。得出如下結(jié)論:

(1)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明,在路面材料中加入水泥會(huì)對(duì)路面材料的最佳壓實(shí)點(diǎn)產(chǎn)生輕微的影響。

(2)水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)路面材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎曲模量和彎曲強(qiáng)度均有顯著影響,這些參數(shù)均隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)周期的增加而增加。

(3)水泥穩(wěn)定路面基層抗拉、抗壓性能隨著水泥摻量的增加和養(yǎng)護(hù)周期的延長(zhǎng)而顯著提高。在通車前,選擇合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)于新建道路至關(guān)重要,可以最大限度地減少穩(wěn)定路面基層底部重軸造成的初始損傷。

(4)路面材料的阿特伯格極限和線性收縮也受水泥摻量的顯著影響,建議對(duì)膠結(jié)路面材料進(jìn)行阿特伯格極限試驗(yàn)和線性收縮試驗(yàn),以確定膠結(jié)路面材料對(duì)路面基層施工的適用性。

(5)膠結(jié)路面材料的彎曲模量與UCS的比值和彎曲強(qiáng)度與UCS的比值取決于材料、養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)材料初始階段的狀態(tài)。水泥穩(wěn)定路面材料的抗折強(qiáng)度增加率與抗壓強(qiáng)度增加率不同。

未來應(yīng)重點(diǎn)研究穩(wěn)定路面材料在不同試驗(yàn)條件下的彎曲疲勞性能表征,包括不同養(yǎng)護(hù)周期、不同軸系配置和軸載、不同路面基層厚度等的影響,為水泥穩(wěn)定路面材料的發(fā)展提出更合理的路面設(shè)計(jì)方法。