振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)下水穩(wěn)基層材料性能指標(biāo)分析

汪 勝，郝冠軍，屈允永

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司市政事業(yè)部，北京 100088；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司路面技術(shù)研究所，江蘇南京 210000；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院公路工程研究中心，北京 100088）

水泥穩(wěn)定類基層作為一種性能良好的半剛性材料［1］，在公路上得到廣泛的應(yīng)用，其中水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)靠粗骨料的嵌擠和砂漿的填充粘結(jié)形成強(qiáng)度［2］。前7d水穩(wěn)基層的強(qiáng)度增長較快，其原因是水泥砂漿強(qiáng)度以及水泥砂漿與粗骨料粘結(jié)強(qiáng)度的形成。只有改變水泥劑量或者用水量，才能改變水泥砂漿自身以及它與粗骨料的粘結(jié)強(qiáng)度，從而改變水穩(wěn)層的抗壓強(qiáng)度。

半剛性基層的主要破壞形式為彎拉疲勞破壞［3］，而水穩(wěn)層的彎拉強(qiáng)度是決定道路質(zhì)量的重要指標(biāo)，水穩(wěn)層的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度有很好的相關(guān)性，因此，提高水穩(wěn)層的抗壓強(qiáng)度對(duì)于提高道路的質(zhì)量尤為重要［4］。施工中，將最佳含水量和最大干密度作為控制指標(biāo)，而最大干密度未必和最大抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)同一個(gè)最佳含水量。對(duì)于不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定類材料，含水量和干密度的曲線規(guī)律也不完全相同［5－6］。室內(nèi)多以振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)成型水泥穩(wěn)定類混合料。本研究擬進(jìn)行2種類型振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)：水泥穩(wěn)定類混合料含水量與干密度的關(guān)系；水泥穩(wěn)定碎石混合料含水量和干密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

1 試驗(yàn)原材料

水泥穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度直接影響水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度，而組成混合料的各種材料的性質(zhì)對(duì)混合料的強(qiáng)度有直接的影響［7－8］。組成水泥穩(wěn)定碎石混合料的原材料主要有水泥、碎石及石屑。

1）水泥

采用P.O.42.5級(jí)水泥，主要技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 1 Technical indicators of the cement

2）碎石和石屑

采用石灰?guī)r作為集料，其粒徑依次為（0，5），［5，10），［10，20），［20，30）mm。采用石屑作為細(xì)集料。

壓碎值的大小直接影響基層強(qiáng)度，是衡量集料力學(xué)物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。集料壓碎值為10%，滿足公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范要求。高速公路和一級(jí)公路的集料壓碎值不得大于30%［9］。

2 試驗(yàn)配比

作者擬選取同一集料配合比的混合料，研究6種不同的含水量條件下抗壓強(qiáng)度與含水量和干密度的關(guān)系；水泥穩(wěn)定類混合料的強(qiáng)度影響因素除本身材料的性質(zhì)外，還有水泥穩(wěn)定類混合料的配比，包括集料級(jí)配、含水量及水泥劑量。

表2 水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)配比Table 2 Experiment with the ratio of cement－stabilized crushed stone

表3 水泥穩(wěn)定石屑試驗(yàn)配比Table 3 Experiment with the ratio of cement－stabilized stone chips

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）水泥穩(wěn)定類混合料最佳含水量試驗(yàn)的分析

水泥穩(wěn)定碎石和石屑混合料干密度與含水量的關(guān)系分別如圖1，2所示。從圖1，2中可以看出，水泥穩(wěn)定類混合料在不同含水量下有不同的干密度。水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量為5.06%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為2.5g／cm3；水泥穩(wěn)定石屑混合料的最佳含水量為4.52%～4.98%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為2.35g／cm3。水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度要大于水泥穩(wěn)定石屑的最大干密度。水泥穩(wěn)定碎石混合料的干密度曲線的峰值較水泥穩(wěn)定石屑混合料的干密度曲線的峰值明顯。這表明水泥穩(wěn)定石屑的含水量在最佳含水量附近變化時(shí)，水泥穩(wěn)定石屑的干密度不會(huì)有太大的波動(dòng)。在工程施工過程中，水泥穩(wěn)定石屑的含水量更容易控制。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石混合料干密度與含水量的關(guān)系Fig.1 Relationship between dry density and water content in the cement－stabilized crushed stone mixtures

圖2 水泥穩(wěn)定石屑混合料干密度與含水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between dry density and water content in the cement－stabilized chipping mixtures

2）水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度與含水量的關(guān)系

水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度與含水量的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度在含水量小于4%時(shí)，隨著含水量的增加而增大。含水量在4%～6%范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度的變化很小，保持在最大值附近。含水量大于6%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度隨著含水量的增加而減小。其規(guī)律與水泥穩(wěn)定碎石干密度和含水量的關(guān)系有些類似，但是，水泥穩(wěn)定碎石最大抗壓強(qiáng)度不是一個(gè)波峰而是一個(gè)區(qū)間，所對(duì)應(yīng)的含水量是一個(gè)范圍。施工中水泥穩(wěn)定碎石最佳壓實(shí)效果指的是最大干密度。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度與含水量的關(guān)系Fig.3 Relationship between the compressive strength and water content in the cement－stabilized gravel mixtures

3）水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，干密度小于2.37g／cm3時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度隨著干密度的增加而增大。當(dāng)干密度在2.37～2.45g／cm3時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度保持不變。當(dāng)干密度為2.47g／cm3時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度急劇減小。當(dāng)干密度大于2.47g／cm3時(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度又隨著干密度的增加而增大。作者認(rèn)為：試驗(yàn)樣本的數(shù)量較少及試驗(yàn)中的誤差問題，并不影響試驗(yàn)的總體規(guī)律；由于水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)靠粗骨料的嵌擠和砂漿的填充粘結(jié)形成強(qiáng)度，干密度較小時(shí)，隨著干密度的增加，粗骨料的嵌擠效果逐漸變好，通過振動(dòng)擊實(shí)成型的混合料的抗壓強(qiáng)度逐漸變大。當(dāng)粗骨料的嵌擠效果達(dá)到最好時(shí)，混合料的抗壓強(qiáng)度不再變化。干密度達(dá)到一定值時(shí)，抗壓強(qiáng)度急劇減小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的含水量最大，水泥砂漿的強(qiáng)度以及水泥砂漿與粗骨料的粘結(jié)強(qiáng)度較小，因此具備較小的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)干密度繼續(xù)增加時(shí)，粗骨料的嵌擠達(dá)到最好，此時(shí)水泥砂漿的強(qiáng)度以及水泥砂漿與粗骨料的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸變大，抗壓強(qiáng)度逐漸變大。

圖4 水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the compressive strength and dry density in the cement－stabilized gravel mixture

4 結(jié)論

1）水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度處是一個(gè)波峰，水泥穩(wěn)定石屑混合料的最大干密度對(duì)應(yīng)的含水量是一個(gè)區(qū)間。

2）水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的含水量是一個(gè)區(qū)間。施工中水泥穩(wěn)定碎石最佳壓實(shí)效果指的是最大干密度，只對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳含水量，而不是指的最大抗壓強(qiáng)度。

3）水泥穩(wěn)定碎石混合料結(jié)構(gòu)靠粗骨料的嵌擠和砂漿的填充粘結(jié)形成強(qiáng)度，因此，只有在粗骨料的嵌擠效果達(dá)到最佳，砂漿強(qiáng)度和砂漿與粗骨料的粘結(jié)強(qiáng)度都達(dá)到最佳時(shí)，混合料才具備最大的抗壓強(qiáng)度。

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