寒區(qū)水穩(wěn)砂礫基層材料溫縮和強(qiáng)度特性研究

陳 鵬

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊 830052）

阿勒泰地區(qū)冬季漫長(zhǎng)而寒冷，氣溫變化大（季節(jié)溫差極大值70℃、晝夜溫差極大值30℃），加之道路重載交通現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致道路所用基層材料裂縫現(xiàn)象比較嚴(yán)重、強(qiáng)度普遍較低。目前，針對(duì)裂縫的研究主要集中在水泥穩(wěn)定砂礫材料的收縮和強(qiáng)度方面，對(duì)于不同級(jí)配結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定砂礫基層在不同影響因素下的變化規(guī)律研究較少。為此，在水泥劑量、齡期、溫度等影響因素下進(jìn)行強(qiáng)度和溫縮試驗(yàn)，研究溫縮裂縫和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律，旨在為降低高寒環(huán)境下的道路基層病害提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與指標(biāo)

原材料采用常見(jiàn)的32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

集料選自阿勒泰地區(qū)水穩(wěn)砂礫料場(chǎng)，分為19.5～31.5 mm、4.75～19.5 mm、0～4.75 mm 共三擋， 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)Table 1 Cement technical index

表2 集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Aggregate technical indicators

2 水穩(wěn)結(jié)構(gòu)溫縮試驗(yàn)

采用的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)分別是懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)和骨架空隙型結(jié)構(gòu)，水泥劑量為4%，5%和6%。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007），由重型擊實(shí)試驗(yàn)求得最大干密度和最佳含水量，然后進(jìn)行制件，采用100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件。試件采用靜壓法成型，成型后在25+2℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室保濕養(yǎng)生7 d。為排除試件內(nèi)部水份散失引起的干縮和凍脹對(duì)溫縮應(yīng)變的影響，將試件烘干至恒重。溫縮試驗(yàn)采用降溫試驗(yàn)，測(cè)量標(biāo)距為20 cm，溫度區(qū)間為-30～30℃，在初試溫度30℃恒溫3 h后，每隔10℃設(shè)置1個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)恒溫4 h，直致降到-30℃，然后再依次升溫。如此反復(fù)循環(huán)，通過(guò)手持應(yīng)變儀獲取點(diǎn)標(biāo)距范圍內(nèi)的變形值。

水穩(wěn)基層材料包括固相、液相和氣相。固相指集料和膠結(jié)料；液相指多種形態(tài)的水；氣相指各類(lèi)空隙。在降溫過(guò)程中，三相的綜合作用會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)基層材料溫縮。溫縮系數(shù)可用來(lái)衡量溫縮收縮程度，揭示影響溫縮變形的各種變化規(guī)律。不同級(jí)配結(jié)構(gòu)、水泥劑量的溫縮應(yīng)變變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1—3，不同結(jié)構(gòu)的平均溫縮對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖1 懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)的溫縮應(yīng)變Figure 1 The temperature shrinkage strain of suspended dense structure

圖2 骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)溫縮應(yīng)變Figure 2 The temperature shrinkage strain of dense skeleton structure

圖3 骨架空隙型結(jié)構(gòu)溫縮應(yīng)變Figure 3 The temperature shrinkage strain of skeleton interstitial structure

圖4 三種結(jié)構(gòu)平均溫縮對(duì)比圖Figure 4 Comparison diagram of average temperature shrinkagestrain of three structures

從圖1—3可以看出：隨著溫度上升和水泥劑量下降，3種級(jí)配類(lèi)型的溫縮應(yīng)變都呈線性減小，且變化趨勢(shì)基本一致；整個(gè)溫縮應(yīng)變的下降速率不明顯，高溫段（0～30 ℃）下降速率較緩慢，低溫段（0～-30 ℃）下降速率較快。

溫度收縮特性可采用平均溫度收縮系數(shù)來(lái)表征。通過(guò)比較可知，在同一種水泥劑量下，各級(jí)配結(jié)構(gòu)混合料的平均溫縮系數(shù)為懸浮密實(shí)型＞骨架密實(shí)型＞骨架空隙型，這主要是因?yàn)榇旨献陨砜梢缘挚棺冃巍Ｓ伤嗄z砂試驗(yàn)可知，細(xì)集料變形為水泥穩(wěn)定砂礫變形中的主要部分。

3 水穩(wěn)砂礫強(qiáng)度特性分析

強(qiáng)度是半剛性基層材料的一個(gè)重要性能參數(shù)，足夠的強(qiáng)度是半剛性基層結(jié)構(gòu)承載力的重要保證。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最佳含水量，水泥劑量選取4%，5%，6%，測(cè)定7，28，60 d齡期的水泥穩(wěn)定砂礫基層結(jié)構(gòu)混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和28 d和60 d齡期的劈裂強(qiáng)度。

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律見(jiàn)圖5—7。

圖5 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Figure 5 7 d unconfined compressive strength

圖6 28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Figure 6 28 d unconfined compressive strength

圖7 60 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Figure 7 60 days unconfined compressive strength

由圖5—7可以看出：1）隨著水泥劑量的增加，混合料的抗壓強(qiáng)度隨之增加；在7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度中，4%水泥劑量的混合料中，只有骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)混合料達(dá)到規(guī)范要求，摻另外兩種水泥劑量時(shí)，強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，其中骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)緩慢，略小于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而骨架空隙型結(jié)構(gòu)最小。2）在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度中，骨架密實(shí)型級(jí)配強(qiáng)度增長(zhǎng)最大，骨架空隙型級(jí)配后期強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，懸浮密實(shí)型級(jí)配前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，明顯低于其他兩種級(jí)配類(lèi)型。3）總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)水泥劑量和齡期相同時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在差異。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高于懸浮密實(shí)和骨架空隙型，且后期差別較大。

3.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)變化規(guī)律

劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)變化規(guī)律見(jiàn)圖8—9。

圖8 28 d劈裂強(qiáng)度Figure 8 28 d cleavage strength

試驗(yàn)結(jié)果表明：劈裂強(qiáng)度隨水泥劑量的增加和養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)而增大，但增長(zhǎng)幅度不是很大。相同的齡期情況下，當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)材料的劈裂強(qiáng)度大于骨架空隙型結(jié)構(gòu)材料；而水泥劑量為5%和6%時(shí)，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)材料劈裂強(qiáng)度略小于骨架空隙型材料；在相同的水泥劑量下，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的劈裂強(qiáng)度最大。

圖9 60 d劈裂強(qiáng)度（MPa）Figure 9 60 d split strength

4 結(jié)論與討論

寒區(qū)水穩(wěn)砂礫基層材料溫縮試驗(yàn)結(jié)果表明：1）在高溫段（0～30℃），3種級(jí)配的溫縮應(yīng)變下降速率較慢；在低溫段（0～-30℃），3種級(jí)配的溫縮應(yīng)變下降速率較快。溫縮系數(shù)跟粗集料含量有一定關(guān)系，粗集料的抗變形較強(qiáng)，細(xì)集料變形為水穩(wěn)砂礫變形的主要部分。2）在7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，只有骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求；在28 d和60 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，骨架密實(shí)型的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)最大。3）劈裂強(qiáng)度隨著水泥劑量和齡期的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度不大。骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)劈裂強(qiáng)度明顯好于其他2種結(jié)構(gòu)。寒區(qū)道路的水泥穩(wěn)定砂礫基層結(jié)構(gòu)推薦骨架密實(shí)型級(jí)配，水泥推薦劑量為4%～5%。