基于應變特性分析的水泥就地冷再生溫縮性能研究

張 澄

（江蘇現代路橋有限責任公司， 江蘇 南京 210046）

1 概述

混合料的抗裂性能體現在半剛性基層水泥穩定混合料的干縮性能和溫縮性能，影響路面的長期使用性能，是半剛性基層路面早期破壞的主要原因之一。對再生混合料而言，為了達到抗壓強度要求和彌補變形能力的不足，水泥劑量往往達到 5%甚至更高；研究表明[1]，混合料隨著水泥摻量越高，其抗裂性能越低，混合料容易產生溫縮裂縫。失水引起的干縮應變在基層施工完成后達到最大，而基層收縮裂縫在面層鋪筑后良好密水的情況下主要表現為溫縮裂縫。再生混合料水泥摻量越大，則溫縮裂縫問題越突出。因此，本文基于電阻應變片測試的方法，采用3.5%、4.0%和5.0%水泥劑量三組舊料再生混合料與4%水泥劑量的新料混合料，對混合料溫縮抗裂性能進行對比研究，以此改善冷再生混合料溫縮性能。

2 試驗方案設計

應變片電測法是根據試件受力變形時，粘貼在被測試件上的應變片的電阻改變率與應變成正比，通過應變片電阻值的改變量經過放大處理后換算為試件應變值。

溫縮試驗裝置為高低溫交變環境箱，試驗條件為55℃至-25℃逐級降溫，幅度為-10℃，降溫速率為1℃/min，降溫后恒溫120min；試件養護齡期為28d，每組3個平行試件；粘貼應變片前在105℃條件下烘干12h，以此排水水分散失引起的收縮現象；應變片接線后在55℃恒溫3h進入設定的溫度變化曲線，同時開始數據采集。恒溫結束前采集的數據作為該段溫縮應變，直至全部完成試驗數據采集[2]。

圖1 溫縮試驗降溫曲線

混合料抗溫縮性能一般用溫縮系數來表示。溫縮系數αt定義為：溫度T（℃）改變所引起的材料收縮的單位應變值，單位10-6/℃。

式中，△t為溫度變化值；△ε為對應于△t時應變的變化值，應變變化值（μ ε），αs為溫度補償片的線膨脹系數（本文采用石英標準補償片αs為0.52με/℃）。

3 溫縮應變規律分析

本節對4種混合料（舊料再生混合料：3.5%、4.0%、5.0%，新料：4.0%）進行溫縮試驗，分析水泥劑量、新舊料對混合料溫縮應變、溫縮系數的影響。

（1）溫縮應變隨試驗時間變化情況

試件先恒溫3小時，之后每一溫度段恒溫2小時，由上一溫度段到下一溫度段降溫時間為10分鐘，即降溫速率為1℃/min。本次試驗數據采集頻率為10min/次，當水泥用量為4.0%條件下，新舊混合料溫縮應變隨試驗時間的變化規律如圖2所示。

由圖 2可知，隨著時間的增加，溫縮應變總趨勢不斷增加；且舊料溫縮應變明顯高于新料溫縮應變；在溫度段降溫時間內，溫縮應變迅速增大，直至降溫結束后一小段時間內達到最大值；在溫度段恒溫時間內溫縮應變逐漸減小，減小幅度隨著時間增加逐漸減小，直至趨于相對穩定[3]。

圖2 新舊混合料溫縮應變隨試驗時間變化

降溫階段混合料表面溫度迅速降低產生收縮應變，恒溫階段試件表面與內部因溫度差形成溫度梯度而產生附件溫度應力，在試件表面形成附件拉應變；隨著恒溫時間增加溫度梯度消失，試件表面拉應變逐漸減少直到穩定于真實的收縮應變值[4]。因此，在大幅降溫時路面內部易形成較大溫度梯度，在路表產生附加拉應力導致裂縫產生。

（2）溫縮應變隨溫度變化情況

各溫度段以降溫前的應變讀數作為上一次降溫的最大溫縮應變，則溫縮應變隨溫度變化情況如圖3所示。

圖3 新舊混合料溫縮應變隨溫度變化

由圖 3可得，溫縮應變隨著溫度降低逐漸增加，舊料混合料的溫縮應變對溫度降低的增長速率高于新料混合料的增長速率，這是因為，舊料混合料為二灰碎石基層銑刨料的冷再生混合料，隨著溫度的下降，舊料中石灰與混合料試件內部各顆粒產生溫度收縮應力，表現為具有較大的溫度收縮系數[5]。

通過對溫縮應變與溫度的相關性進行分析如表 1所示，可知溫縮應變與溫度符合二次函數關系，有很高的相關性，相關系數均在99%以上。

表1 溫縮應變與溫度的相關關系

4 溫縮系數規律分析

根據試驗結果得到各降溫段內的溫縮應變，計算其相應的溫縮系數，并把該溫縮系數記為相應溫度段中值溫度的溫縮系數，如舊料水泥用量5.0%混合料在55℃～45℃溫度段的溫縮應變為179.1 με，則溫縮系數為17.91με/℃，則記該溫度段中值溫度50℃的溫縮系數為17.91με/℃。新舊料混合料溫縮系數如圖4所示[6-8]。

圖4 新舊混合料溫縮系數隨溫度變化

由圖 4可知，除個別點外，在烘干狀態下新舊混合料溫縮系數隨溫度逐漸增大，總體呈線性變化。對于舊料混合料，不同水泥劑量條件下的冷再生混合料其溫縮系數差別不大，新舊料混合料之間溫縮系數差別較大[7]。

對溫縮系數與溫度的相關性進行分析，舊料相關系數均在92%以上[9,10]，新料相關系數在87%以上，結果如表2所示。

表2 溫縮系數與溫度的相關關系

6 結論

本文通過電阻應變片測試的方法，對新舊混合料試件的溫縮性能進行研究，分析水泥就地冷再生混合料的抗裂性能與水泥用量之間的關系，主要結論如下：

（1）溫縮應變隨溫度降低逐漸增加，符合二次函數關系，新舊料相關系數均在99%以上；

（2）在烘干狀態下新舊混合料溫縮系數隨溫度增大而增大，總體呈線性變化。舊料相關系數均在92%以上，新料相關系數在87%以上；

（3）對于舊料混合料，隨著水泥用量的提高，平均溫縮系數存在先增大后減小的趨勢，當水泥用量為5.0%時，舊料混合料溫縮性能相較其他水泥劑量均較好；