水穩碎石基層取芯臨界強度與整體性質量評價時機

王 龍，姜鳳霞，夏浩然

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，哈爾濱 150090；2.長春建業集團股份有限公司，長春 130022)

水泥穩定碎石基層現場鉆芯試驗是評價基層整體性(施工質量)的重要手段，規定齡期下芯樣的狀態可以反映基層的壓實、厚度和板體性質量. 文獻[1]中規定“7 d應取出完整芯樣，否則應進行返工處理”，可見芯樣狀態的重要性. 但不分地域、氣候、材料設計強度和材料級配特征統一在7 d齡期時間節點取芯進行評價，不具有科學性. 就全國范圍來講，地理位置的差異氣溫差別巨大，如華南地區4、5月份平均氣溫為20～30 ℃，而東北地區則小于10 ℃，如此之大的溫差下基層均養生7 d，其強度和取芯芯樣的狀態會有很大差別；不同設計強度的水泥穩定碎石基層，水泥劑量不同，相同的養生齡期下(7 d)，設計強度高的基層則很容易取出完整芯樣，而設計強度低的基層，可能取不出完整芯樣；而且，級配類型、集料的強度和養生條件也會影響到芯樣致密程度.

固定齡期法作為評價基層整體性質量評價時機不具有合理性，文獻[2-4]研究了養生溫度、齡期對強度的影響，按照施工期溫度的差異，提出了一些水泥穩定碎石基層施工質量評價的方法. 因此，取芯齡期需根據水泥穩定基層施工地域的氣候特征和材料特性綜合給出，為了確定水穩碎石基層整體性質量合理的評價時機，體現施工質量評價的公平性原則，本文通過室內鉆芯試驗，提出不同級配類型和設計強度下能取出完整芯樣的取芯臨界劈裂強度，建立成熟度曲線與劈裂強度間的關系模型，根據取芯臨界強度提出基于成熟度理論確定取芯時機的方法和標準，旨在體現基層施工質量評價的科學性和公平性.

1 成熟度理論

1.1 成熟度理論模型

成熟度是水泥混凝土養護時間和等效養護溫度的乘積，成熟度是由英國Saul[5]于1951年提出，對于水泥混凝土材料，當養生的成熟度相同，其達到的強度也基本相同，而與養生期間的溫度路徑無關，成熟度計算公式為

Ms=∑(T-T0)Δt.

(1)

式中：Ms為混凝土成熟度，℃·h；T為Δt時間內混凝土內部的平均溫度，℃；T0為基準溫度，T0取0 ℃；Δt為養生時間間隔，h.

文獻[6]規定，水泥混凝土路面的切縫時機以成熟度為250 ℃·h進行控制，不會發生啃邊. 對于同為水泥基的水泥穩定碎石基層，其強度增長與水泥混凝土相類似，因而，建立水泥穩定碎石強度與養生成熟度的關系，及其養生成熟度與取芯質量的關系，則可以提出基于強度相等原則不同養生路徑下水泥穩定碎石基層的合理質量評價時機，改善不分氣候特征和材料設計強度統一采用固定齡期法則(7 d)評價施工質量的不合理性.

1.2 成熟度與強度模型

成熟度的主要應用是預測水泥混凝土的早期強度，成熟度與強度的關系模型主要有3種[7-9]，分別為對數模型、雙曲線模型和指數模型，對數模型由于沒有極限，強度具有無限大的趨勢，僅在成熟度一定范圍內有效，采用指數或雙曲回歸模型預測混凝土強度存在極限，與實際相符[10-11]，因此《建筑工程冬期施工規程》[12]附錄B中指出“宜按照指數或雙曲線模型預測混凝土的強度”. 成熟度Ms與強度的Carino雙曲線函數模型為

(2)

式中：M0為初始硬化時的成熟度，℃·h；k為速率常數，1/(℃·h)；Ru為極限抗壓強度，MPa.

2 研究方法

2.1 室內試驗基層材料配比

為探討水泥劑量和級配類型對取芯質量的影響，試驗級配以文獻[1]中C-B-1為基礎，設計出4.75 mm篩孔的通過率分別為30%(級配1)、40%(級配2)和50%(級配3)3種級配，分別代表骨架-空隙、骨架-密實和懸浮-密實3種級配類型. 水泥劑量(質量分數)采用3.5%、4.5%和5.5%共3種，代表不同的設計強度，水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；以此研究在標準養生條件下不同配比對取出完整芯樣的臨界成熟度(齡期)和取芯臨界強度的影響，材料比例見表1.

表1 3種類型試驗級配和材料比例

2.2 試驗方法

為了能進行室內鉆芯試驗，必須成型水泥穩定碎石大型試件，試件模具無底圓柱形對開形式，內徑為30 cm，高為20 cm，圓形壓頭直徑為29.5 cm，模具構造及實物如圖1所示.

(a) 模具構造 (b) 模具實物照片

按照重型擊實最佳含水量和壓實度的98%配料，采用振動成型儀在圖1模具內成型高度為15 cm不同配比下的水泥穩定碎石試件，塑料薄膜密封覆蓋24 h后拆模，放入標準養生箱(溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度≥ 95%)養生至預定的齡期之后，采用HZ-20混凝土取芯機進行鉆芯試驗，取芯直徑為15 cm，觀察芯樣狀態，根據養生時間和溫度，計算第1次能取出完整芯樣的成熟度，并對芯樣進行劈裂強度試驗，確定出取芯臨界劈裂強度.

3 取芯臨界劈裂強度與芯樣狀態分析

取芯試驗主要研究對于不同級配類型和不同水泥劑量下的水泥穩定碎石在標準養生情況下何時能取出完整芯樣；芯樣狀態分析主要研究芯樣的質量狀態，芯樣質量狀態包括兩方面內容：一是芯樣的完整性，是指芯樣的高度應不小于設計厚度的90%；二是芯樣的致密性，是指集料顆粒不會因取芯機扭矩的作用沿試件側面產生脫落.

3.1 取芯臨界劈裂強度

3.1.1 取芯規則

取芯試驗從最高水泥劑量(5.5%，質量分數)的試件開始，初次取芯時機為7 d齡期，若取不出，則延后3～4 d再取，直至能夠取出完整芯樣；對于相同級配類型，如果高水泥劑量在養生7 d取不出，則低一檔水泥劑量的試件初始取芯齡期從第10 d開始，以此類推；對第1次取出的完整芯樣，進行劈裂強度試驗. 此外每種配比的試件均在28 d齡期進行取芯，以確定芯樣的完整性和致密性標準，不同配比取出完整芯樣的最短齡期見表2.

表2 取出完整芯樣的最短齡期

1)級配1取芯狀況. 級配1不同齡期室內取芯芯樣狀態如圖2所示，當水泥劑量不小于4.5%時，標養7 d均能取出完整芯樣，而水泥劑量為3.5%時，標養14 d后才能取出完整芯樣.

(a) 3.5%水泥，14 d (b) 4.5%水泥，7 d (c) 5.5%水泥，7 d

2)級配2取芯狀況. 級配2不同齡期室內取芯芯樣狀態如圖3所示，當水泥劑量不小于4.5%時，標養7 d均能取出完整芯樣，當水泥劑量3.5%時，則需標養17 d后才能取出完整芯樣.

3)級配3取芯狀況. 該級配不同齡期下室內試驗取芯狀態如圖4所示，當水泥劑量為3.5%時，標養17 d后才能取出完整芯樣，當水泥劑量為4.5%時，標養14 d后才能取出完整芯樣，當水泥劑量為5.5%時，標養7 d就能取出完整芯樣.

3.1.2 取芯臨界狀態

定義在標準養生條件下能取出完整致密芯樣的最短齡期為取芯臨界齡期，對應該齡期芯樣的劈裂強度為取芯臨界劈裂強度.

1)取芯臨界齡期. 表3是3種級配類型、3種水泥劑量下水穩碎石基層材料取芯臨界齡期和芯樣劈裂強度匯總. 從表3中可以看出，隨著水泥劑量升高，能取出完整芯樣所需的齡期變短. 在水泥劑量為5.5%時，3種級配均能在標養7 d時取出完整芯樣，當水泥劑量為4.5%時，級配3只有在標養14 d時才能鉆出完整芯樣，當水泥劑量降低至3.5%時，3種級配均不能在標養7 d時取出芯樣. 級配類型對可取出完整芯樣的齡期也有很大影響，相同的水泥劑量，級配1取芯臨界齡期最短，級配3取芯臨界齡期最長. 可見懸浮-密實型級配基層材料的板體性不如骨架型級配，因為當水泥劑量相同時，篩孔4.75 mm通過率越高，比表面積越大，單位體積上的水泥水化物越少，膠漿強度越低，對粗顆粒的約束性差，鉆芯過程中出現大量“返漿”和集料顆粒脫落現象，使芯樣不完整、破碎和側壁不致密. 可見，不同配比的水泥穩定碎石取芯的臨界齡期不同，不考慮基層設計強度(水泥劑量)和級配類型的區別，統一采用7 d齡期取芯來評價施工質量具有不合理性.

(a) 3.5%水泥，17 d (b) 4.5%水泥，7 d (c) 5.5%水泥，7 d

(a) 3.5%水泥，17 d (b) 4.5%水泥，7 d (c) 5.5%水泥，7 d

表3 標準養生下取芯臨界齡期與劈裂強度

2)取芯臨界劈裂強度. 由表3中劈裂強度數據可知，對于級配1而言，水泥劑量為3.5%和4.5%時，級配1能取出芯樣試件的劈裂強度分別為0.37 MPa和0.41 MPa，平均為0.39 MPa，臨界齡期由14 d減少到7 d；而級配2水泥劑量由3.5%增加到4.5%時，能取出芯樣試件的劈裂強度均為0.35 MPa，而臨界齡期為由17 d減少到7 d；對于級配3，當水泥劑量為3.5%和4.5%時，取出芯樣試件的劈裂強度分別為0.37 MPa和0.39 MPa，平均為0.38 MPa，臨界齡期由17 d減少到14 d. 也就是說，相同級配類型不同水泥劑量下的水泥穩定碎石基層，存在一個能取出完整芯樣的臨界強度，當水泥穩定碎石基層養生后強度增長到該強度時，即能取出完整芯樣. 從上面的分析可知，一般情況下，取芯臨界強度只受級配類型影響，級配類型影響強度(取芯臨界強度)的大小，而水泥劑量主要影響取出完整芯樣的齡期(取芯臨界齡期). 3種級配的取芯臨界劈裂強度見表4. 可以看出級配2取芯臨界強度最小，是骨架-密實級配效應發揮的結果，但級配效應的影響并不大，差異在0.04 MPa左右.

表4 標準養生下取芯臨界劈裂強度

3.2 芯樣表觀狀態分析

級配類型、養生時間和水泥劑量這3種因素，對取芯芯樣的外觀質量有很大的影響. 就級配類型而言，級配1粗集料和細集料的比例適當，骨架良好，細集料填充較密實，取出的芯樣側壁平整光滑，細集料脫落少；而級配3粗細比失調，細集料多，取芯時，在水和鉆頭的雙重擾動下細集料和粗顆粒均有脫落，導致芯樣側壁不光滑不密實. 相同齡期下二者芯樣對比如圖5(a)和5(b)所示. 就養生時間而言，芯樣的外觀質量對養生時間同樣敏感，標養時間不同，芯樣側壁光滑致密性程度也不同，標養14 d試件的側壁比28 d的粗糙，完整性差，如圖5(b)和5(c)所示. 就水泥劑量而言，水泥用量越大，膠漿及其裹覆粗集料的強度就越高，即使4.75 mm通過率為50%(級配3)的水穩碎石，在相同齡期下(標養28 d)，水泥劑量為5.5%取出的芯樣比水泥劑量為4.5%的芯樣更致密、光滑和完整，接近極限狀態，如圖5(c)和5(d)所示.

為了定量描述芯樣側壁的構造深度，評估試件的致密性，采用激光構造深度儀對每個芯樣側壁對徑掃描4條高度線[13-14]，掃描試樣中部位置，掃描長度10 cm，步長為0.5 mm，取4次掃描構造深度的平均值作為該芯樣側壁的構造深度，試驗過程和檢測結果見圖6和圖7.

(a) 級配1，4.5%水泥，14 d (b) 級配3，4.5%水泥，14 d (c) 級配3，4.5%水泥，28 d (d) 級配3，5.5%水泥，28 d

圖6 芯樣側壁構造深度激光掃描

圖7 芯樣側壁構造深度與齡期的關系

由圖7顯示可見，當標養齡期增加時，芯樣側壁構造深度在減小，芯樣的完整和致密性在提高，其原因在于隨著齡期的增加，試件的強度增加，集料顆粒抵抗取芯扭矩的能力在增加. 但不同的級配具有很大的差異性. 就級配1而言，在水泥劑量為3.5%時，構造深度隨齡期大幅度減小，在試驗齡期范圍內，構造深度由1.0 mm減小到0.88 mm，而當水泥劑量增至4.5%和5.5%，構造深度處于穩定狀態，隨齡期的變化很小，處于0.85 mm左右；而對于級配3來講，當水泥劑量為3.5%，構造深度一直處于高位，養生齡期的增加對芯樣致密性的提升較?。划斔鄤┝繛?.5%時，構造深度則隨齡期的增加呈大幅度下降趨勢，在試驗齡期范圍內，構造深度由0.98 mm下降到0.75 mm，只有在水泥劑量提高到5.5%時，構造深度才大幅度降低并處于穩定狀態，構造深度在0.72～0.75 mm之間，芯樣的致密性才大幅度提高.

當水泥穩定碎石養生到28 d后，其強度基本穩定，取芯過程中側壁“脫?！爆F象也不再變化，因此，定義齡期為28 d時取芯芯樣側壁的構造深度為極限構造深度hmin，代表該配比芯樣最光滑致密狀態，該配比臨界齡期時芯樣側壁的構造深度為h，圖8為不同級配芯樣hmin、h與水泥劑量的關系，從圖中可以看出，對于骨架型級配1，當水泥劑量大于4.5%時，芯樣側壁的構造深度h基本上與極限構造深度hmin相當，即7 d取出的芯樣達到了致密性的要求；對于懸浮-密實型級配3，只有水泥劑量達到5.5%，h才與hmim基本相當，即對于該級配，只有水泥劑量到5.5%以上，才能取出致密性芯樣. 以上的研究說明，對于骨架型和懸浮型級配，若想在7 d齡期能取出致密性芯樣，水泥劑量必須分別達到4.5%和5.5%以上，否則必須增加養生齡期.

圖8 不同級配芯樣hmin、h與水泥劑量的關系

4 水泥穩定碎石基層整體性評價時機的確定

建立不同養生路徑下成熟度與劈裂強度的關系，根據取芯臨界劈裂強度，確定取芯臨界成熟度，進而確定水泥穩定碎石基層整體性評價時機.

4.1 水泥穩定碎石成熟度與劈裂強度的關系

在級配類型一定時，水泥穩定碎石強度增長主要受養生齡期、溫度和濕度3個因素的影響，在濕度恒定時，前兩個因素可以采用成熟度單一指標表示. 為研究水泥穩定碎石試件養生成熟度與劈裂強度的關系，對3種養生路徑下(溫度和齡期的組合)的試件進行劈裂強度試驗. 養生路徑為：濕度≥95%，養生溫度為15、20、25 ℃和養生時間為7～28 d；級配類型3種，水泥劑量均為4.5%. 成熟度的計算基準溫度取-10 ℃[15]，根據計算的成熟度，按級配類型繪制成熟度Ms與劈裂強度Ri的關系，如圖9所示.

采用雙曲線函數建立成熟度Ms與劈裂強度Ri的關系，3個級配的關系方程參數見表5，相關系數R2均大于0.99，說明雙曲線函數適用于水泥穩定碎石Ri和Ms之間關系的表達；對比反應速率常數k可知，級配2的k值最大，說明其強度增長速度最快，其次是級配1，而級配3的最慢；從極限劈裂強度來看，骨架型的級配1極限強度最大，在0.38～0.70 MPa之間變化，而懸浮型的級配3的最小，在0.27～0.53 MPa之間變化.

圖9 不同養生路徑下水穩試件劈裂強度與Ms的關系

表5 不同級配劈裂強度與Ms雙曲線方程擬合參數

4.2 現場施工質量評價(取芯)的成熟度標準

上面的研究表明不同養生路徑下水穩碎石強度達到取芯臨界強度時，可以取出完整芯樣，因此可以把不同配比的取芯臨界劈裂強度輸入成熟度Ms與劈裂強度Ri的回歸公式，計算出不同配比水泥穩定碎石基層的取芯臨界成熟度，用取芯臨界成熟度確定水泥穩定碎石基層的取芯齡期.

把表4中3種級配的取芯臨界強度代入表5的方程參數，可以計算出3種級配在4.5%水泥劑量下的取芯臨界成熟度，見表6. 由于沒有水泥劑量為3.5%劈裂強度與成熟度的回歸方程，其取芯臨界成熟度可通過表3取芯試驗數據確定，而5.5%水泥劑量的水泥穩定碎石，在7 d均能取出完整芯樣，取芯臨界成熟度按照7 d計算，略偏于保守. 根據表6取芯臨界成熟度的標準，結合養生的溫度，可以反算出合理的起始取芯齡期.

表6 不同級配取芯臨界成熟度指標

從表6中可以看出，不同配比下的取芯臨界成熟度差別很大，最大的為510 ℃·d，最小的為210 ℃·d，前者為后者的2.4倍，即相同的養生穩定下，可取芯的齡期相差1.4倍，因此，規范給出的固定齡期取芯法則具有一定的可探討性，應采用固定強度法則，根據不同配比的取芯臨界強度，確定其取芯臨界成熟度，進而確定取芯齡期，若在此齡期下取不出完整芯樣，則說明水泥穩定碎石基層施工質量存在缺陷，責令施工單位返工處理，采用該方法，可以更加科學客觀地評價基層的施工質量.

5 結 論

1)水泥穩定碎石的水泥劑量和級配類型不同，能取出完整芯樣所需的齡期不同，當水泥劑量為3.5%時，3種級配類型均不能在7 d取出完整芯樣；級配類型不同，芯樣致密性有很大差異，相同水泥劑量下骨架型級配芯樣致密性優于懸浮型級配.

2)水泥穩定碎石取芯的完整性存在臨界強度，通過試驗提出了不同配合下的取芯臨界強度標準，取芯臨界強度一般只受級配類型影響，而與水泥劑量無關，級配影響取芯臨界強度的大小，水泥劑量影響取出完整芯樣的齡期.

3)提出了基于水泥穩定碎石取芯臨界成熟度確定整體性質量評價時機的方法，其核心是固定強度原則.