含水率對穩(wěn)定碎石土力學(xué)特性影響的試驗分析

2020-06-03 06:05:00肖國亮

四川建材 2020年5期

肖國亮

(四川交投建設(shè)工程股份有限公司,四川成都 610047)

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。公路建設(shè)過程中需要用到大量石材,整個開采以及應(yīng)用過程會造成大量的浪費以及環(huán)境污染,所以越來越多的公路建設(shè)采用穩(wěn)定碎石土當(dāng)作底基層。穩(wěn)定碎石土的力學(xué)性能會受到很多因素的影響,但是以往的試驗主要針對的是水泥用量、級配以及固化劑摻入量進(jìn)行的研究,有關(guān)含水率對于穩(wěn)定碎石土力學(xué)性能的研究較少，所以進(jìn)行含水率對于穩(wěn)定碎石土力學(xué)特性影響的試驗分析,對于進(jìn)一步確定穩(wěn)定碎石土性能、推動公路建設(shè)發(fā)展具有非常現(xiàn)實的意義。

1 試驗材料

1.1 材料性能指標(biāo)的設(shè)定

1)土樣材料性能。土樣采用某地區(qū)天然碎石土,相應(yīng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗用天然碎石土性能指標(biāo)

2)水泥的性能。采用某品牌P·O32.5級的水泥,相應(yīng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 試驗所用水泥主要性能指標(biāo)

3)土壤固化劑。土壤固化劑采用無機(jī)有機(jī)復(fù)合型固化劑,主要通過無機(jī)鹽以及有機(jī)鹽配制形成,能夠有效改善土壤的性能指標(biāo)。

1.2 固化劑以及水泥用量確定

從《吉林省復(fù)合穩(wěn)定土路面基層技術(shù)規(guī)范》(DB22/T 1816—2013)復(fù)合穩(wěn)定土路面基層技術(shù)規(guī)范中可知,固化劑占到混合料比例為0.02%。固化劑的有效使用能夠提升混合料抗壓強(qiáng)度,隨著水泥使用量的增加,固化劑所起到的效果呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。從參考文獻(xiàn)中可知,水泥用量在4%～5%范圍內(nèi)天然碎石土的抗壓強(qiáng)度最高,所以可以將其平均值4.5%作為水泥最佳用量。

2 試驗方法及結(jié)果分析

在不同含水率(5%、6%、7%、8%、9%)情況下測定97%壓實度情況下試件的抗壓強(qiáng)度。同時在7 d、28 d以及90 d不同時間段通過97%壓實度進(jìn)行試件制作,按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行養(yǎng)護(hù)之后測定試件不同含水率情況下抗壓回彈模量。

2.1 試件制備以及養(yǎng)護(hù)

將水以及碎石土添加到容器內(nèi)進(jìn)行均勻性攪拌,之后進(jìn)行悶料(約4 h)。之后在土壤固化劑中加入一定量水進(jìn)行稀釋,并加入相應(yīng)量水泥均勻拌和后將其加入到混合料中,確保混合料含水率達(dá)到試驗設(shè)計值要求。

將制成的混合料按照三層裝入到內(nèi)壁涂刷機(jī)油的試桶內(nèi)部,每灌入一層要進(jìn)行一定程度的振搗以及壓實,并且要確保試桶上下壓柱各露出2 cm左右距離。通過靜壓法對試件進(jìn)行成型,一般按照1 mm/min的速度進(jìn)行加載,確保上下壓柱全都壓入到試模內(nèi)部,保壓2 min之后去除壓力,4 h后脫模成型且實施標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)(約7 d)。

2.2 擊實試驗

1)擊實試驗方法。為了確定含水率的影響,試驗中確定5%、6%、7%、8%、9%五種不同含水率。控制水泥用量為4.5%,通過表面振動壓實儀進(jìn)行擊實試驗,采取擊實法以及振動壓實法能夠得到最大干密度以及最佳含水率。

2)試驗結(jié)果及分析。通過擊實法以及振動壓實法所得到的最大干密度、最佳含水率如表3所示。

表3 不同成型方法所得最大干密度、最佳含水率

從表3中可知,通過振動壓實法以及擊實法所得到的最大干密度以及最佳含水率有所差異,采用振動壓實法進(jìn)行試驗時,不但對材料施加豎向荷載,而且施加高頻激振力。此種方式能夠使得集料形成相對運動,這樣集料能夠相互填充而提升密實度,所以振動壓實法要較擊實法具有更高的干密度；采用擊實法進(jìn)行試驗時,施加的只有豎向載荷,只有通過大量水分對土顆粒進(jìn)行潤滑，才可以使材料進(jìn)行壓實。而通過振動壓實法進(jìn)行試驗?zāi)軌蚴┘迂Q向荷載以及高頻激振力,能夠?qū)Υ箢w粒實施有效排列而形成骨架,能夠促使顆粒更好的相互填充而減少用水量,降低最佳含水率。

對于穩(wěn)定碎石土來說,采用不同的成型方法可以獲得不同的最大干密度以及最佳含水率,所以在具體工程的基層處理過程中要針對性地選擇合適的成型方法。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

1)試驗方法。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗主要是通過萬能試驗機(jī)來進(jìn)行,一般情況下按照1 mm/min的速度進(jìn)行加載。

2)試驗結(jié)果及分析。在4.5%水泥用量以及97%壓實度的情況下,按照不同含水率、通過振動壓實方式制備試件,實施標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)成型后進(jìn)行7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 含水率和7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

從圖1中數(shù)據(jù)可知,在水泥最佳用量(4.5%)的情況下,穩(wěn)定碎石土的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的上升出現(xiàn)了先升后降的情況,在6%左右達(dá)到了最大。在較低含水率情況下水泥不能完全進(jìn)行水化反應(yīng),所以強(qiáng)度相對較小,并且抗壓強(qiáng)度會隨著水分增加而增大,但一旦超出最佳含水率反而會有所降低。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象,主要是因為隨著水分的增多,土體內(nèi)部填充了大量水分,這些水分對于土體造成了良好的潤滑作用,從而減小了土體顆粒之間的摩擦。另外,大量的水分也會對水泥造成稀釋,從而降低了抗壓強(qiáng)度。從圖1可知,在最佳含水率6.1%左右抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2.35 MPa,約為最大值的97%,而超過6%的情況下，就會造成抗壓強(qiáng)度顯著下降。這就說明在最佳含水率情況下抗壓強(qiáng)度沒有達(dá)到最大值,而是在95%±2%范圍內(nèi)達(dá)到最大值，所以在公路施工過程中需要進(jìn)行有效控制,確保達(dá)到最佳效果。

2.4 抗壓回彈模量試驗

1)試驗方法。首先進(jìn)行試件的制作,可以在7 d、28 d以及90 d不同時間段通過97%壓實度進(jìn)行試件制作,之后對其抗壓回彈模量進(jìn)行試驗。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對試件進(jìn)行抹平后將其浸入到水中,經(jīng)過24 h后采取頂面法《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗方法》(T0808—1994)進(jìn)行試驗。

2)試驗結(jié)果及分析。在4.5%水泥用量以及97%壓實度的情況下,按照不同含水率制備試件,對于不同情況試件測定抗壓回彈模量,所得結(jié)果如表4及圖2所示。

表4 含水率和不同時間抗壓回彈模量關(guān)系

圖2 含水率和不同時間抗壓回彈模量關(guān)系

從圖2可得知,不同階段(7 d、28 d、90 d)試件試驗中所得到的含水率和不同時間抗壓回彈模量具有同樣的變化趨勢(隨著土中水分的上升抗壓回彈模量下降)。從圖2中也可知,回彈模量在最佳含水率(6.1%)周邊降低非常快,但超過最佳含水率之后抗壓回彈模量的下降較慢。若能夠?qū)⒎€(wěn)定碎石土含水率維持在5.5%左右就會得到相對較高的回彈模量。