不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能

包海洋

(中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司,河南 鄭州 450006)

在公路瀝青路面使用的基層材料中,多出現(xiàn)的是水穩(wěn)碎石,它有著優(yōu)異的強度、剛度等特性,但同時易生裂縫,耐久性較差也影響材料的使用性能[1-4],目前,對基層抗凍性較差、力學(xué)性能較差等,很多學(xué)者進(jìn)行深入分析。應(yīng)榮華等認(rèn)為,振動攪拌技術(shù)對材料和易性有一定的提升作用,增強初期強度[5]。膨脹劑摻量為5%左右時,改善水穩(wěn)碎石基層路用性能的效果最佳[6]。房英鋒認(rèn)為,聚酯纖維可以增強水穩(wěn)碎石鋪筑結(jié)構(gòu)的路用性能[7]。付春梅等研究了兩種摻入不同纖維的水穩(wěn)碎石的抗開裂能力[8]。可以發(fā)現(xiàn),通過增添纖維、膨脹劑等處理方案,或者是提升水泥量,能夠優(yōu)化路用性能。但是大部分分析集中在纖維、膨脹劑、水泥劑量最佳摻量的選擇,亦或者是研究單一添加劑對水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能,而對不同種類的水穩(wěn)碎石混合料力學(xué)性能對比分析研究較少。

為了分析不同種類的水穩(wěn)碎石混合料力學(xué)性能,彌補上述多種材料力學(xué)性能不足,設(shè)計四個類別的水泥穩(wěn)定碎石。分別對其開展無側(cè)限抗壓強度、抗彎拉強度、抗壓回彈模量試驗,研究7、28、60 d齡期的力學(xué)性能的變化,并基于提升率分析了不同類型措施對力學(xué)性能提升優(yōu)化的影響程度,通過對比分析,為實際工程的應(yīng)用提供參考。

1 原材料及級配組成設(shè)計

1.1 原材料

(1)水泥:采用湖南長沙坪塘南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·C 32.5型號,其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。高水泥含量水泥穩(wěn)定碎石中的水泥劑量為8%,其他三種水泥穩(wěn)定碎石水泥劑量均為5%。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

(2)集料:選擇石灰?guī)r碎石作為主要材料,以確保所有的物理和化學(xué)性能指標(biāo)均能滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求,從而保障最終混凝土產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。通過精心篩選石灰?guī)r碎石,其粒徑分布、磨損度以及抗壓強度等關(guān)鍵參數(shù)均經(jīng)過嚴(yán)格測試,符合國家及行業(yè)的規(guī)定,確保了集料的高品質(zhì)。

(3)玄武巖纖維:分析過程中使用的是青島國立纖維,重點關(guān)注了束狀長度這一關(guān)鍵指標(biāo),具體參數(shù)是12 mm。

(4)膨脹劑:本研究最終確定使用UEA作為關(guān)鍵添加劑,其目的是為了改善混凝土的耐久性和防裂性能。至于摻量的確定,是根據(jù)實際使用的水泥質(zhì)量計算得出,其比例為5%。

1.2 級配組成設(shè)計

基于彌玉高速實際選用的級配范圍,確認(rèn)具體的級配范圍詳見表2。四種不同水泥穩(wěn)定碎石混合料的級配組成都參照此表。

表2 級配組成設(shè)計

2 試驗方案

2.1 試件成型

經(jīng)過多次擊實試驗對比,獲取不同類型水泥穩(wěn)定碎石混合料的指標(biāo)參數(shù),如表3所示。

表3 各類型水泥穩(wěn)定碎石最大干密度及最佳含水率

按照相應(yīng)試驗規(guī)程振動壓實,各組試驗成型3個試件,實際制備完成之后,放置3 h來完成脫模處理稱量質(zhì)量,測定具體的試件高度狀態(tài),并轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的養(yǎng)生室養(yǎng)生。

2.2 試驗方案

水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能試驗:(1)無側(cè)限抗壓強度試驗采用Φ150 mm×150 mm圓柱體試件。(2)抗彎拉強度試驗成型100 mm×100 mm×400 mm梁型試件,使用儀器為MTS萬能試驗機,精度為±1%,加載速率為50 mm/min。(3)水穩(wěn)碎石混合料劈裂強度試驗尺寸為Φ150 mm×150 mm圓柱體,在養(yǎng)生室分別養(yǎng)生7、28、60 d,然后浸水1 d,采用MTS測試其劈裂強度。(4)抗壓回彈模量試驗成型Φ150 mm×150 mm圓柱體試件。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度

將5%普通水泥的方案在本次研究中劃入到類型1,摻玄武巖纖維的方案在本次研究中劃入到類型2、摻膨脹劑的方案在本次研究中劃入到類型3,8%高水泥劑量的方案在本次研究中劃入到類型4。最終得出的結(jié)果詳見圖1所述。

圖1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

結(jié)合圖1能夠發(fā)現(xiàn),7 d齡期時的數(shù)據(jù),類型2無側(cè)限抗壓強度相較于類型1降幅為0.3 MPa,相對其他兩大齡期降幅為0.35 MPa、0.43 MPa。即加入玄武巖纖維之后,會讓初期強度有一定程度的下降,但是后期強度會有一定程度的提升。伴隨實際齡期的增長,大量的凝膠材料,會強化纖維具備的固定以及粘結(jié)效果,從而讓纖維和碎石材質(zhì)之間構(gòu)成整體,起到更加有效地粘結(jié)效果。結(jié)合28 d、60 d的數(shù)據(jù)來分析,類型1、2、4方法均能增強水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度,其中類型4方法提升交果最為明顯。

3.2 抗彎拉強度

從圖2可見,相較于類型1材料,7 d齡期的抗彎拉強度降低0.04 MPa,水泥用量則是從5%提升至8%的情況下,具體的彎拉強度實際數(shù)據(jù)則是提升0.58、0.83、0.86 MPa,即纖維、膨脹劑、水泥用量的增大均會提高水穩(wěn)碎石的抗彎拉強度,8%高水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強度最高。

圖2 抗彎拉強度試驗結(jié)果

3.3 劈裂強度

四種混合料的具體劈裂強度數(shù)據(jù),見圖3所示。

圖3 劈裂強度試驗結(jié)果

結(jié)合上圖所述能夠發(fā)現(xiàn),無論是7、28、60 d齡期,類型4的劈裂強度值最大,其次是類型3。在7 d齡期時,類型2的劈裂強度值低于類型1,但隨著齡期的增長,當(dāng)齡期為28 d和60 d時,類型2的劈裂強度反而要高于類型1。類型4材料相較于類型1材料是提高了3%的水泥劑量,但是在不同齡期下的劈裂強度值卻提升顯著,7 d齡期相較于提升62.5%,28 d齡期提升41.7%,60 d齡期提升43.0%,可以看出,在養(yǎng)生7 d時的劈裂強度值增長最大,隨著齡期的增長,劈裂強度增長百分比的值逐漸降低。提高水泥劑量顯著改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強度,這是因為水泥劑量越大,水泥的水化反應(yīng)越明顯,水化產(chǎn)物增多,導(dǎo)致水穩(wěn)碎石混合料的劈裂強度值增大。此外,類型3的劈裂強度值相較于類型1也有提升,說明加入膨脹劑能改善水穩(wěn)碎石混合料的劈裂強度。7 d齡期的類型2材料劈裂強度值較低。這說明加入玄武巖纖維后初期抗裂強度較低,隨著齡期的增長,抵抗開裂的能力逐漸提高。

3.4 抗壓回彈模量

四種不同類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗壓回彈模量試驗結(jié)果

從圖4可以看出,相同齡期時,抗壓回彈模量大小順序依次為類型4材料、類型3材料、類型1材料、類型2材料。實際處于7、28、60 d齡期的情況下,和普通水泥的方案進(jìn)行對比,加入纖維的方案依次下降120、131、175 MPa,膨脹劑的加入可以提高剛度,而且伴隨實際水泥用量的增加,對應(yīng)的抗壓回彈模量也有一定程度的增長,伴隨實際水泥用量的增長,則會導(dǎo)致膠凝結(jié)晶化合物隨之增加,材料內(nèi)部不斷被填充,空隙減小,材料之間整體性更好。

3.5 性能優(yōu)化提升分析

上述測試了4種類型的方案,在多種齡期下的力學(xué)強度值,為了進(jìn)一步研究摻加玄武巖纖維、膨脹劑以及增大水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能優(yōu)化提升效果及影響程度,以各力學(xué)性能試驗結(jié)果的提升率作為新的評估體系,提升率評估結(jié)果見圖5所示。

圖5 不同性能提升率分析

從圖5可以看出,與類型1相比,類型2的7 d齡期的無側(cè)限抗壓強度、抗彎拉強度、劈裂強度、抗壓回彈模量提升率均為負(fù)值,且7 d齡期的劈裂強度提升率最低,說明對劈裂強度的劣化影響最大。而當(dāng)齡期為28 d和60 d時,類型2的抗壓回彈模量提升率為負(fù)值,說明摻加玄武巖纖維對抗壓回彈模量劣化影響較為顯著。從28 d齡期和60 d齡期的曲線斜率來看,從類型1到類型3,曲線斜率逐漸上升,60 d齡期的曲線斜率值比28 d齡期的曲線斜率值較大,說明隨著齡期的增長,類型2與類型3對水泥穩(wěn)定碎石混合料帶來提升,但提升效果并不明顯。

此外,當(dāng)水穩(wěn)碎石混合料為類型4時,各齡期下的力學(xué)性能試驗提升率均為最大,說明類型4即增大水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的提升效果最為明顯,從類型3到類型4,曲線的斜率值最大,且在不同齡期下,抗壓回彈模量與抗彎拉強度的斜率值最大,其次是無側(cè)限抗壓強度的斜率值,劈裂強度的斜率值最低,這說明提高水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量和抗彎拉強度性能優(yōu)化提升效果影響最為顯著,對劈裂強度提升影響相對較小。

4 結(jié) 論

(1)加入纖維之后,7 d的無側(cè)限抗壓強度下降0.2 MPa,但是伴隨實際齡期的增加,對應(yīng)的后續(xù)強度指標(biāo)則會增長,后續(xù)強度會大于普通水泥穩(wěn)定碎石。四類方案的60 d抗壓強度次序,具體排位是:8%水泥、摻膨脹劑、摻纖維以及普通水泥。

(2)摻纖維之后,7 d抗彎拉強度的實際降幅為0.04 MPa,但是28 d、60 d抗彎拉強度顯著高于普通水穩(wěn)碎石。四種類型的水穩(wěn)碎石60 d的彎拉強度中,8%高水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石最大,普通水泥穩(wěn)定碎石最小。

(3)抗壓回彈模量存在明顯下降,四種類型的水穩(wěn)碎石60 d的彎拉強度大小順序是:8%水泥、摻膨脹劑、普通水泥以及摻纖維。

(4)從性能優(yōu)化提升效果分析來看,增大水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量和抗彎拉強度性能優(yōu)化提升效果影響最為顯著,對劈裂強度提升影響相對較小。