不同層間接觸狀態(tài)的半剛性基層抗裂性能研究

0 引 言

半剛性基層由于具有良好整體性能、較高的強(qiáng)度及造價(jià)低等明顯優(yōu)勢(shì)被高等級(jí)公路普遍采用［1］．我國(guó)高等級(jí)公路半剛性基層主要采用“二灰穩(wěn)定碎石＋水泥穩(wěn)定碎石”組合結(jié)構(gòu)；2種材料強(qiáng)度形成條件不同，必然造成層間接觸的連續(xù)性較差，影響了基層使用性能，會(huì)在道路使用期間出現(xiàn)反射裂縫，強(qiáng)度失穩(wěn)等早期病害［2－3］．由同種水泥穩(wěn)定碎石連續(xù)材料鋪筑的半剛性基層可以克服上述問題，具有更大剛度，而且在缺少石灰和粉煤灰地區(qū)高等級(jí)公路應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益；但是這種整體連續(xù)的基層使用現(xiàn)狀并不樂觀，仍然出現(xiàn)路面裂縫問題．由于干縮和溫縮是產(chǎn)生裂縫的主要原因，而不同層間接觸狀態(tài)對(duì)基層抗裂性能有也不同的影響［4］．基于以上問題，研究整體連續(xù)性基層在不同層間接觸狀態(tài)條件下抗裂性能是有必要的，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)3種層間接觸狀態(tài)條件下的抗裂性能進(jìn)行研究分析．

1 基層抗裂性能評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)基層抗裂性能應(yīng)全面考慮力學(xué)性能、溫縮或干縮應(yīng)變等，而不能僅考慮溫縮或干縮系數(shù)大小．水穩(wěn)基層材料在溫度作用或失水作用下的開裂模式可以直觀地理解為在溫度作用或失水作用下產(chǎn)生的收縮應(yīng)變超過了材料最大拉應(yīng)變．采用材料極限抗拉應(yīng)變與材料溫度收縮系數(shù)或干燥收縮系數(shù)的比值來表征其抗裂性能，亦即用溫縮抗裂系數(shù)T＝εmax／αt、干縮抗裂系數(shù)W＝εmax／αd來表征材料所能承受最大溫差和含水量變化范圍，T或w值反映了材料的抗溫度和干燥收縮相對(duì)能力，其值越大，表明材料抗溫度、抗干燥收縮性能越好．

極限拉應(yīng)變近似地采用由材料的抗彎拉強(qiáng)度Rw與抗彎拉模量Ew計(jì)算得出材料極限拉應(yīng)變代替．極限拉應(yīng)變?chǔ)舖ax／αt取決于抗拉彎強(qiáng)度Rw和抗拉彎模量Ew指標(biāo)比值，即εmax＝Rw／Ew．在同樣強(qiáng)度的情況下，抗拉彎模量越小，極限拉應(yīng)變?cè)酱螅邚?qiáng)度低剛度有利于提高材料的極限拉應(yīng)變．因此，在基層材料組成設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法降低材料的溫度收縮系數(shù)和干燥收縮系數(shù)，同時(shí)改善材料的柔韌即設(shè)法提高εmax，從而使抗裂性能得到改善，耐久性得到提高［5］．

2 原材料及試驗(yàn)方法

1）原材料要求 水泥穩(wěn)定碎石試件的原材料選擇使用P．S32．5水泥，用量4．0%，經(jīng)抽樣檢驗(yàn)，其中細(xì)度2．8%，初凝時(shí)間1h35min，終凝時(shí)間6h40min，石料為石灰?guī)r，其中壓碎值為17%，滿足規(guī)范要求［6］；顆粒組成對(duì)形成混合料的骨架作用尤為重要，集料顆粒級(jí)配合成見表1；水穩(wěn)材料的最佳含水量和最大干密度由標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定［7］．最終確定試驗(yàn)的水泥穩(wěn)定碎石最佳含水量為4．31%，最大干密度為2．390g／cm3．

表1 級(jí)配確定

2）半剛性基層試件成型方式 半剛性基層試件采用大功率振動(dòng)擊實(shí)儀，模擬現(xiàn)場(chǎng)基層實(shí)際厚度一次成型30cm，并按照98%的壓實(shí)度換算適宜體積的混合料．填料時(shí)，分次裝入試模，每次分別搗實(shí)后再進(jìn)行下次填料，經(jīng)振動(dòng)擊實(shí)成型．

試件成型采取室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分層施工時(shí)出現(xiàn)不同的層間狀態(tài)即上、下層接觸狀態(tài)時(shí)間不同，先將一半質(zhì)量原材料裝入試模，進(jìn)行下層15 cm振動(dòng)擊實(shí)（梁試件20cm）；然后分別按間隔時(shí)間0，7d和30d裝入另一半材料，進(jìn)行上層15 cm（梁試件20cm）振動(dòng)成型，其編號(hào)依次為S1，S2，S3；脫模、養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行抗裂性能試驗(yàn)；圓柱試件30cm（切取中間15cm作為標(biāo)準(zhǔn)試件）和梁試件10cm×10cm×40cm［8］．

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論分析

3.1 強(qiáng)度與剛度試驗(yàn)結(jié)果分析

按照文獻(xiàn)［9］對(duì)3種層間接觸狀態(tài)結(jié)構(gòu)類基層試件進(jìn)行90d齡期的抗拉強(qiáng)度和抗拉模量果測(cè)定結(jié)果見表2．

表2 抗拉強(qiáng)度和抗拉模量果測(cè)定結(jié)果

由表2可以看出，在相同齡期，相同試驗(yàn)條件下，隨著層間接觸狀態(tài)條件下降，其抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉模量依次降低，最大降幅可達(dá)47%，可以推斷出層間接觸條件對(duì)基層的強(qiáng)度與剛度影響很大．

3.2 干縮試驗(yàn)結(jié)果分析

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE51－2009）規(guī)定進(jìn)行7d齡期干縮試驗(yàn)．試驗(yàn)通過微米傳感器進(jìn)行測(cè)定，每組測(cè)定3個(gè)，干縮室內(nèi)控制溫度為（20±1）℃，相對(duì)濕度為60%±5%．測(cè)試周期為1個(gè)月，第1周每天進(jìn)行1次觀測(cè)，同時(shí)記錄測(cè)試結(jié)果，1周后以7d為周期進(jìn)行觀測(cè)，其干縮量和干縮應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3．

表3 不同接觸狀態(tài)類型干縮量和應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果

圖1 失水率對(duì)比圖

由表3可以看出對(duì)于同種材料的半剛性基層試件，其不同層間接觸狀態(tài)會(huì)影響到干縮量變化．分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所有試件前期干縮量變化明顯高于后期；后期干縮變形量逐漸減小；最后，試件干縮量趨于穩(wěn)定．

由干縮量和干縮應(yīng)變通過計(jì)算得出失水率和干縮系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見圖1、圖2．

由圖1、圖2可以看出，不同層間接觸狀態(tài)對(duì)其失水率和干縮系數(shù)影響較為明顯．

1）S3失水率略大，這是由于S3層間間斷狀態(tài)的存在使得試件的接觸面積增大，養(yǎng)護(hù)期間吸收水分較多；但在試驗(yàn)早期兩者之間變化差異不明顯．而S2失水率較低，其原因?yàn)镾2為分層成型，其下層先養(yǎng)護(hù)7d，試件內(nèi)部水分有所損失，而成型上層后，試件整體的失水率將減少．

2）當(dāng)測(cè)試時(shí)間在7d至一個(gè)月時(shí)間，失水率變化顯著，S3失水率最大，而S2失水率最小，S1狀態(tài)失水率介于兩者之間．說明層間接觸時(shí)間間隔超過一定時(shí)間時(shí)，失水率較大．

3）測(cè)試時(shí)間在7d以內(nèi)時(shí)，層間狀態(tài)對(duì)試件干縮系數(shù)無顯著影響；而7d以后，S1和S2干縮系數(shù)基本接近但都大于S3干縮系數(shù)．

圖2 干縮系數(shù)對(duì)比圖

3.3 溫縮試驗(yàn)結(jié)果分析

按照文獻(xiàn)［9］規(guī)定進(jìn)行7d齡期的溫縮試驗(yàn)．將試件放入可以調(diào)節(jié)溫度變化速率和具有保溫保濕功能的溫濕交變?cè)囼?yàn)箱．試驗(yàn)總時(shí)間為40h，溫度控制在－10～30℃范圍內(nèi)．

在骨料縱向分布相同的前提下，層間接觸狀態(tài)不同對(duì)溫縮的影響分析，溫縮系數(shù)和溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見圖3、圖4．

圖3 溫縮系數(shù)對(duì)比圖

圖4 溫縮應(yīng)變對(duì)比圖

由圖3、圖4分析，在骨料縱向分布條件相同時(shí)，不同的層間接觸狀態(tài)會(huì)對(duì)溫縮產(chǎn)生較大影響．S1，S22種狀態(tài)在溫度較低時(shí)，溫縮系數(shù)變化較慢，而當(dāng)溫度在15℃以上時(shí)，溫縮系數(shù)變化顯著；S2溫縮系數(shù)略高于S1，而S3狀態(tài)自始至終的溫縮系數(shù)都是最高的，說明S1的溫縮性能較好；且不同層間接觸狀態(tài)下溫縮應(yīng)變與溫縮系數(shù)變化規(guī)律基本相同．

3.4 抗裂性能分析

3種不同層間接觸狀態(tài)結(jié)構(gòu)干縮、溫縮抗裂系數(shù)比較結(jié)果見表4．

表4 3種不同層間接觸狀態(tài)結(jié)構(gòu)干縮、溫縮抗裂系數(shù)

表4可以看出，S1的干縮抗裂系數(shù)和溫縮抗裂系數(shù)都明顯的大于S2，S3，說明S1的抗裂性能最好；同時(shí)S2，S3干縮抗裂系數(shù)接近，而S2比S3的溫縮抗裂系數(shù)大．3種類型抗裂性能由大到小的整體趨勢(shì)是S1＞S2＞S3．

4 結(jié) 論

1）短期之內(nèi)，層間接觸狀態(tài) 對(duì)干縮性能無顯著的影響，而1周之后，不同接觸狀態(tài)對(duì)干縮性能有明顯的變化．

2）在低溫狀態(tài)時(shí)，S1的溫度收縮性能較好；溫度升高，S2的溫縮性能也會(huì)很快的得到改善，同時(shí)S1一直保持比較良好的溫縮性能．

3）從干縮和溫縮兩方面因素考慮，選用S1保證基層具有最佳的抗裂性能，并且隨著層間接觸狀態(tài)條件下降，其抗裂性能越差．但是在實(shí)際施工過程中會(huì)受到很多條件的限制，可以通過綜合考慮進(jìn)行方案比選，確定半剛性基層的最優(yōu)層間接觸狀態(tài)．

［1］沙慶林．高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面［M］．北京：人民交通出版社，1998．

［2］沙愛民．半剛性路面材料結(jié)構(gòu)與性能［M］．北京：人民交通出版社，1998．

［3］彭加武．厚層水泥穩(wěn)定碎石基層病害機(jī)理分析及處置對(duì)策研究［D］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009．

［4］韓 慶．整體性基層發(fā)展現(xiàn)狀及展望［D］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010．

［5］王 輝，姜永昌．骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能試驗(yàn)研究［J］．交通科技，2008（4）：82－84．

［6］資建民，鄧海龍．炎熱潮濕山區(qū)水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］．湖北公路交通科技，2006（3）：1－6．

［7］交通部公路科學(xué)研究所．JTJ 058－2000公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京：人民交通出版社，2000．

［8］孫同波．施工養(yǎng)護(hù)期間半剛性基層干縮開裂過程的研究［J］．公路，2003（3）：112－115．

［9］交通部公路科學(xué)研究所．JTGE51－2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京：人民交通出版社，2009．