半剛性基層路用性能分析

張緒亮

(黑龍江省哈同高等級公路管理處)

半剛性材料作為路用材料的歷史由來已久,但大量采用這么多種類型的水硬性結合料處治粒料和處治土做不同等級道路的基層或底基層還是近三四十年來的事。像美國、日本、美國、德國、意大利、瑞典、前蘇聯等許多公路交通極為發達的國家,在設計和建設高速公路時都較多地采用了半剛性材料作為路面結構的基層或結構層之一。所不同的是,不同的國家因其交通組成不同、地理氣候條件不同、材料資源不同、設計經驗或方法不同等因素,使得采用的半剛性基層的類型與厚度也不大相同而已。綜上所述,目前國外干線道路上使用的基層的類型、結構有以下特點。

(1)主要采用結合料穩定的粒料(包括各種粗粒土和中粒土)做基層,穩定細粒土(如水泥土、石灰土等)做底基層,有的國家只用作路基改善層。

(2)使用最廣泛的結合料是水泥和瀝青,石灰使用得較少。當地有條件時還使用當地的低活性慢凝材料和工業廢渣,如粉煤灰、礦渣粉等。例如,法國采用礦渣穩定砂礫、石灰粉煤灰穩定砂礫和火山灰穩定砂礫等材料。

(3)為減少基層材料的開裂,可采用強度不大于 15×6MPa(28 d齡期)的水泥混凝土、貧混凝土、碾壓混凝土或4%～6%的水泥穩定粒料。

(4)一些國家在高等級公路上因諸多因素的差異所采用的路面結構形式和厚度有較大差別。

半剛性基層目前已是我國高等級路面所使用的最主要的材料類型。具體到每一條道路上的材料選擇,也只是根據設計要求的強度值,結合當地料源及經驗來確定半剛性基層材料的類型與配合比,而同樣影響整個面層使用質量、壽命等路用效果的其他路用性能,比如基層材料的抗拉強度和變形問題;收縮開裂;水穩性和冰凍穩定性等半剛性材料的許多其它路用性能,至今在規范內卻仍未作什么明確要求和指標規定,而實踐證明這些性能對整個路面的使用也起到了非常重要的作用。因此在基層材料選材時則直接導致了半剛性基層評價體系的不完善,進而造成當前許多路面病害產生的諸多原因之一。從我國半剛性基層使用效果的調查和分析中可以看出,全面分析評價半剛性基層的路用性能,而不是單純以強度這一個指標來確定材料形式和配比是未來選擇材料時的大趨勢。

本文選取了水泥穩定碎石、水泥粉煤灰穩定碎石和二灰碎石 3種典型半剛性基層材料為試驗對象,主要研究了他們的干縮性質。

1 試件成型

混合料的級配均采用規范的相應中值,其組成采用目前工程中較常用的比例見表 1。進行試驗前,首先用重型擊實試驗測出各混合料的最佳含水量和最大干密度,其結果見表 2。

表 1 混合料組成

表2 擊實試驗結果

試件成型分為 2種規格,一種為 7 cm×7 cm×24 cm的小梁試件,進行彎拉、斷裂、干縮和疲勞試驗;另一種為Φ15 cm×15 cm圓柱型試件,進行抗壓強度試驗。試件采用靜壓成型,壓實度控制在 98%,根據交通部公路規劃設計院和同濟大學等單位的研究成果,60℃水中養生 1 d大約相當于常溫養生 1個月的強度。另外,沙愛民博士研究表明,高溫下的快速養生不會改變水泥土與反應生成物有關的性質。因此,彎拉疲勞試件養生采用水浴快速養生的方法,養生溫度為 60℃,誤差 ±1℃,水泥類穩定碎石養生 3 d,石灰類穩定碎石養生 6 d。養生試件外包 3層密封塑料袋,以防養生時水浸入試件。各測試結果以 4組試件的平均值為準。

2 干縮試驗

本次試驗研究對二灰類和水泥類穩定碎石的干縮變形性能作了較詳細的試驗。小梁試件采用常用的 7d養生齡期,養生溫度為 25±2℃,相對濕度大于 90%,養生過程中要保持試件的原始含水量基本不變。將養生后的試件取出平放在干縮裝置上,通過安裝在端部的兩個千分表,可以讀取不同暴露齡期試件的收縮量。同時,測量備用試件在相同自然狀態下的平均水分損失量,測定過程直到試件含水量不再減少為止。利用所測得的試件干縮量和相應的水分損失量,可以計算試件的干縮應變或平均干縮系數,計算公式如下

式中:Ed為試件的干縮應變(×10-6);Ad為試件的平均干縮系數(×10-6);L為試件的長度;Δl為含水量損失 Δω時,試件的整體收縮量,0.001mm。

3種材料的干縮應變均隨著時間的延長而不斷增大。以二灰碎石的干縮應變最小,水泥穩定碎石的干縮應變稍大于二灰碎石,以水泥粉煤灰穩定碎石的干縮應變最大。一般說來,水泥穩定碎石的干縮應變大于石灰類穩定碎石,所以在水泥穩定粒料的配合比組成設計時,最為關鍵的就是要確定水泥的摻量。如果水泥摻量過少則無法形成穩定的半剛性材料;如果水泥摻量過多則會大大增加材料的干縮性造成材料的過分開裂影響路面的使用性能。

3種材料的失水率均隨著時間的延長而不斷增大,但變化的速度漸漸變緩,且以水泥粉煤灰碎石的失水率最小;而以二灰碎石的失水率最大。水泥穩定碎石的失水率介于兩種之間。

二灰碎石的平均干縮系數最小;水泥粉煤灰碎石的平均干縮系數最大;水泥穩定碎石的平均干縮系數介于其間。平均干縮系數小,說明干縮應變對失水率的敏感性小。

從三種材料的干縮應變與失水率的關系中可以看出隨著失水率的增大,干縮應變也變大。對于二灰碎石來說,當失水率在 3.3%以下時,干縮應變變化并不大,但當材料的失水率達到 3.3%時,干縮應變的變化很劇烈數值一下子變大,因此在施工中對二灰粒料的失水率要嚴格控制。水泥類穩定粒料的失水率雖然小于二灰類穩定粒料,但是干縮應變卻變化很快,其值也大于二灰類穩定粒料。

3種材料的平均干縮系數與失水率的關系不難看出,二灰碎石的平均干縮系數最小,水泥類穩定粒料介于兩者之間。在水泥穩定粒料中加入粉煤灰其平均干縮系數會變大,這是因為粉煤灰顆粒呈空心玻璃球狀,具有較好的飽水能力,故在水泥穩定粒料中摻入粉煤灰后其失水率將適量減小,干縮系數作為干縮應變與失水率的比值將會適當增大。

[1] 中華人民共和國行業標準.公路工程無機結合料穩定材料試驗規程(JTJ057-94)[M].人民交通出版社,1994.

[2] 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].人民交通出版社,1998.