半剛性基層材料結構類型與養生條件對結構性能的影響分析

山麗勐

摘要：半剛性基層作為我國高等級公路路面結構的主要形式，是路面工程施工質量的關鍵所在。隨著施工設備、材料等環節的逐步改善，對半剛性基層的開裂等問題的處治越發突出，文中從結構類型和養生條件兩方面對半剛性基層進行性能分析研究。通過優選骨架孔隙型、骨架密實型和懸浮密實型三種級配成型試件，采用標準養生、室內開放性養生和覆膜養生三種方式進行養生，對養生后試件進行抗壓強度、彎拉強度及干縮性能對比試驗，研究結果表明：骨架密實結構的選用主要源于其兼顧膠結作用和固結作用下的剪切強度提高和骨架作用下剪切強度衰減放緩;覆膜養生試件較標準養生性能衰減較小，對快速施工養生提出一種可能性;三種養生方法中3天內干縮系數均較大，前期養生狀況是預防基層開裂的重點。

關鍵詞：半剛性基層;級配類型;養生條件;路用性能

0引言

半剛性基層作為我國高等級公路基層的主要類型，它不僅具有很好的承重功能，還具有成型工藝簡單，明顯的技術經濟等優勢。二十一世紀之前，我國基層材料主要采用二灰穩定土、石灰穩定土和水泥穩定細粒土等，基層強度主要依靠穩定類材料的粘聚力提供，但基層材料級配總體較細，干縮效應較大，應用過程中存在較多的干縮開裂等問題;進入二十一世紀，水泥穩定級配碎石基層在我國的應用逐步擴大，相較于我國前期應用較多的二灰穩定土、石灰穩定土和水泥穩定細粒土而言，基層強度理論從單一依靠穩定類材料的粘聚力轉向為集料嵌擠作用（內摩阻力）和穩定材料粘聚力共同作用，這個階段材料材料干縮問題得到一定解決，但是還存在較多不確定性，同時結構類型成為基層強度提升的又一關鍵問題[1，2]。縱觀我國基層材料發展狀況，主要問題為材料結構類型和干縮問題。

然而，隨著半剛性基層的大量應用，其反映出不少生產實際問題，尤其是裂縫問題日益突出，當前并沒有相應的較好的解決方案。國內已建高速公路使用調查表明[3，4]，通車后一年左右均出現大量裂縫，裂縫率最高達640m/1000m2。就目前研究現狀看，半剛性基層開裂的主要原因包括以下幾個方面：材料性能方面，基層結構類型方面，施工工藝方面，外部環境方面等。其中材料、結構類型和養生方式是半剛性基層開裂的主要矛盾，為研究結構類型及養生方式對半剛性基層開裂問題的影響，文中開展不同級配類型在不同養生方式下的強度衰減和干縮效果評價，以期探索出半剛性基層開裂控制方法。

1材料參數及級配設計

文中將半剛性基層材料劃分為懸浮密實、骨架密實和骨架孔隙三種類型[5，6]。劃分以上三種結構類型的主要標準是粗集料經壓實后，粗顆粒間空隙體積與壓實后起填充作用的細料體積之間的關系。懸浮密實型混合料中細料的壓實體積大于粗集料形成的空隙體積，即是粗集料在壓實混合料中處于“懸浮狀態”;骨架密實型混合料中細料的壓實體積臨界于粗集料形成的空隙體積，粗集料在壓實混合料中有一定“骨架作用”;骨架孔隙型混合料中細料的壓實體積則小于粗集料形成的空隙體積，壓實混合料中形成“骨架”的粗集料之間存有一定的孔隙[3-4]。根據三種結構類型理論，確定三種結構類型級配曲線進行配合比設計，并對三種結構進行性能對比驗證，三種結構合成級配曲線見圖1，基本性能參數見表1及圖2-3。

圖1可見，三種級配中，骨架密實型級配抗壓強度最高，懸浮密實型級配次之，骨架孔隙型最差;三種級配在不同水泥用量下，其無側限抗壓強度基本隨水泥用量的增大而增大，水泥用量在4.5%增加到5.0%過程中其強度增速減緩，說明水泥用量對強度的影響減弱。因此，綜合考慮選定4.5%水泥用量的骨架密實型結構進行水泥穩定級配碎石基層性能衰減評價。根據以上強度曲線可知，三種級配情況下，4.5%水泥用量下其強度基本能夠達到其優化效果。因此，進行了三種級配4.5%水泥用量下的間接拉伸試驗評價，其結果見圖3。此結果亦能說明骨架密實型級配具有較強的應用意義。

2路用性能衰減分析

2.1強度衰減試驗

現階段因施工作業面限制等問題，實際施工過程中存在下一工序緊跟施工，上下工序同時養生現象。為了模擬工序緊跟現象同室內標準養生和自然條件下的無養生措施的不養生狀況進行對比，進行了三種養生條件模擬水泥穩定級配碎石基層材料的性能衰減試驗對比分析。三種養生條件分別為：標準養護室養生，溫度：20℃±2℃，相對濕度大于95%;模擬工序緊跟的裹覆養生，裹覆養生采用稀漿封層混合料對成型試件進行表面包裹，可以有效減少試件水分散失，有一定的養生作用，養生過程中不定時對裹覆試件灑水，養生條件下溫度12℃～23℃，相對濕度25%～64%;不做任何措施的不養生，養生過程中不定時對裹覆試件灑水，養生溫度12℃～23℃，相對濕度25%～64%。

圖4、圖5為不同結構類型試件在三種養生條件下的7d無側限抗壓強度和劈裂拉伸強度試驗對比圖。圖中可見，三種結構的無側限抗壓強度基本不存在衰減，甚至出現持平或增長的情況，骨架空隙型結構總體強度略低，說明低水泥劑量下的水泥穩定級配碎石其強度主要來源為水泥石的膠結作用，相同水泥劑量下不同結構類型的嵌擠作用對抗壓強度影響不大;骨架孔隙型、骨架密實型、懸浮密實型三種結構標準養生下的劈裂拉伸強度依次升高，說明密實結構下穩定材料的膠結作用和細集料的固結作用對剪切強度提高起關鍵作用;三種結構裹覆養生和不養生條件下的劈裂拉伸強度相較于標準養生衰減分別為：骨架空隙型結構衰減9.8%和8.1%;骨架密實型結構衰減6.8%和14.5%;懸浮密實型結構衰減7.2%和21.0%。懸浮密實型結構整體強度最高，衰減最快，說明懸浮密實結構在養生條件不良狀況下容易產生剪切強度衰減過快問題，因此實際施工過程中在養生條件難以達到全過程標準養生狀態下，不易采用懸浮密實結構。

2.2彎拉強度試驗

測試水泥穩定碎石抗彎拉強度采用尺寸為100mm×100mm×400mm的小梁試件。對骨架密實級配成型三組試件，每組五個試件，分別用于測試三種不同養生條件下的7d抗彎拉強度。試件均以4.5%水泥用量、最佳含水量、最大干密度和98%的壓實度靜壓成型。試驗中選用英國Cooper技術公司生產的氣動伺服多功能瀝青材料試驗機（CRT-UTM-HYD），其測量量程范圍為0-30kN，采用三分點加載法（即三分點處雙點加荷和三點自由支撐），高跨比為1：3，承壓板支距100mm，跨距為300mm。

圖6為骨架密實型級配三種養生條件下的彎拉強度試驗對比圖，三種養生條件下的彎拉強度依次遞減，說明養生條件對彎拉強度的形成起關鍵作用，裹覆養生強度較標準養生的彎拉強度衰減9.0%，不養生較標準養生的彎拉強度衰減26.3%。裹覆養生和不養生條件下，水分散失較快，水化反應不充分，膠結強度衰減，但裹覆養生較不養生條件下衰減程度明顯降低，其彎拉強度基本接近標準養生條件，說明裹覆養生條件具備一定的應用意義。

2.2干縮性能分析

干縮變形試驗試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每組成型兩個試件進行平行試驗，利用千分表采集干縮數據，試驗過程如圖8所示。為防止試件松散破壞，試件成型后靜置于標準養護室24小時后進行脫模，并將試件分別置于三種養生條件下，三種養生方式同上文2.1所述。在試件端面支上兩支千分表，禁止產生擾動，以便進行干縮動態觀測。準備工作完成后，調整并記錄千分表的初始讀數開始測量試件的干燥收縮變形。本試驗每天進行觀測記錄兩只千分表干縮變形量，連續記錄10天。

通過連續記錄10d的干縮量，換算出每天的干縮應變值。干縮應變是指材料在水分流失后，試件的收縮應變[7-9]。可由以下公式表達：

式中，為干縮應變值;表示測試試件的長度;表示干縮量。

本試驗采用骨架密實型結構對不同養生條件下的干縮性能對比，試驗結果見圖8。從數據中可見，三種養生方法中均存在3天內干縮系數較大現象，前期3天內養生條件是基層養生防止開裂的關鍵環節;標準養護室養生試件在整個強度形成過程中干縮變化較小;裹覆養生過程中前期干縮較大后期干縮減緩，但其相較于標準養生衰減幅度不大，說明在加強前期施工養生條件下該種養生方法對生產工作提供一定的參考意義;不養生情況下干縮值隨齡期逐步增大，明顯高于標準養生及裹覆養生條件下的干縮變化，說明不養生條件下水泥的水化反應加快，對水泥穩定碎石基層材料干縮性能有不利影響。

3結語

（1）水泥穩定級配碎石基層結構選擇和養生的對策研究有：1）采用骨架密實型結構;2）合理的養護方式，包括：灑水養生、稀漿封層養生。

（2）骨架密實結構膠結作用降低，結構強度較小;懸浮密實結構在不同養生條件下剪切強度衰減較高，不利于生產過程控制;骨架密實結構兼顧穩定材料的膠結作用和細集料固結作用，其劈裂拉伸強度衰減放緩。

（3）三種養生方法中均存在3天內干縮系數較大現象，前期養生條件是基層養生防止開裂的關鍵環節，裹覆養生過程中前期干縮較大后期干縮減緩，但其相較于標準養生衰減幅度不大，說明在加強前期施工養生條件下該種養生方法對生產工作提供一定的參考意義。

參考文獻

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