水泥穩定碎石材料力學特性試驗研究

于慶斌

（中鐵十九局集團第三工程有限公司 遼寧沈陽 110136）

1 引言

水泥穩定碎石材料由于其強度、板體性及相對較低的造價，在道路基層中得到廣泛應用［1－2］。但半剛性基層瀝青路面往往在通車后2～3年內，出現不同程度的車轍、網裂、坑槽等早期破壞［3－5］，影響路面使用壽命［6－8］。目前在施工現場對于半剛性基層材料的力學性能評價主要采用7 d無側限抗壓強度指標［9－11］。由于指標單一，無法全面體現半剛性基層材料的力學特性［12－14］；此外《公路路面基層施工技術細則》（JTG／T F20—2015）（后文簡稱為《細則》）中對于水泥穩定碎石材料提出了更高要求，因此有必要對此進行進一步的研究。本文進行靜態模量、劈裂強度、單軸壓縮模量、彎拉強度、彎拉回彈模量等試驗分析不同級配、水泥劑量的水泥穩定碎石材料力學性能指標的變化，探究不同影響因素對于力學性能指標的變化趨勢，為工程應用提供技術支持。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

采用遼陽小屯石灰巖，篩分結果見表1～表2。

表1 粗集料篩分結果

表2 細集料篩分結果

采用撫順大伙房水泥有限責任公司生產的32.5級礦渣硅酸鹽水泥，按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》所規定的試驗方法對水泥的細度、凝結時間（初凝時間和終凝時間）、水泥膠砂抗折強度和抗壓強度、安定性等進行試驗。與《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）中對于初、終凝時間的要求不同，《細則》對于道路用水泥凝結時間提出了更高要求，試驗結果見表3。

表3 水泥技術指標

采用遼寧中電工程有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）所規定的試驗方法對粉煤灰的SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量、燒失量、比表面積、0.3 mm及0.075 mm篩孔通過量、濕粉煤灰含水率等進行試驗，試驗結果見表4。

表4 粉煤灰技術指標

2.2 配合比設計

基于數學模型方法進行水泥穩定碎石配合比設計，本研究采用 C-B-1、C-B-2、C-B-3共3種級配進行試驗，試驗配合比見表5。

表5 設計配合比

2.3 試驗方法

（1）水泥穩定碎石靜態模量試驗（頂面法回彈模量）

水泥穩定類基層不僅要有一定的強度，還要求有一定的剛度。我國《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）中有頂面法和承載板法兩種試驗方法測試半剛性材料的靜態模量，本研究采用頂面法來測試半剛性材料的靜態模量特性。

采用UTM-100多功能材料試驗系統，加載速率為1 mm／min。加載板上預定單位壓力P，以0.1 P、0.2 P…0.5 P進行5級分級加載，用單位壓力P與相應的修正回彈變形計算半剛性材料的靜態抗壓回彈模量。

（2）水泥穩定碎石劈裂強度試驗

水泥穩定碎石混合料在施工后結成板體，在行車荷載的作用下，半剛性基層層底處于受拉狀態。劈裂強度試驗是檢測半剛性基層材料強度的一種方法，通過其劈裂強度的大小檢測其材料的抗拉性能。劈裂強度是確定水泥穩定碎石結構層容許拉應力的關鍵指標，是水泥穩定碎石結構層設計參數之一。

試驗條件：采用UTM-100多功能材料試驗系統，加載速率為1 mm／min。記錄試件破壞時的最大壓力P。試件的間接抗拉強度按式（1）計算。

式中：Ri為試件的間接抗拉強度，MPa；P為試件破壞時的最大壓力，N；h為浸水后試件高度，mm。

（3）水泥穩定碎石單軸壓縮模量試驗

按照《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）附錄E的試驗方法進行水泥穩定碎石單軸壓縮模量試驗，本試驗指標是路面設計規范要求開展的設計指標之一。

采用MTS設備加載，以1 mm／min加載速度連續均勻施加荷載，直至試件破壞。采用電腦控制數據采集系統，記錄每隔0.01 s的荷載和時間軸向變形，根據荷載－應變曲線得到最大荷載和對應0.3倍最大荷載時的壓應變，按式（2）計算彈性模量。

式中：E為彈性模量，MPa；Fr為最大荷載，N；D 為試件直徑，mm；ε3為加載至0.3Fr時試件縱向壓應變。

（4）水泥穩定碎石彎拉強度、彎拉回彈模量試驗

抗彎拉強度和彎拉回彈模量是反映半剛性基層材料性能特別是抗裂性能的一個重要參數。

試驗方法：采用UTM—100多功能材料試驗系統，通過三分點加載的方法測定。制備試件尺寸為（100×100×400）mm。養生齡期為90 d，養生期的最后一天，試件飽水24 h。

3 結果與討論

（1）水泥穩定碎石靜態模量試驗

設定C-B-1、C-B-2、C-B-3共三種級配，按設計水泥用量，C-B-2級配增加了4%水泥用量，90 d頂面法回彈模量試驗結果見表6。

表6 水泥穩定碎石頂面法回彈模量

由水泥穩定碎石90 d頂面法回彈模量試驗數據可以看出，級配C-B-1回彈模量最大，C-B-3最小，總體上懸浮密實結構比骨架密實結構（C-B-3）具有更高回彈模量值。對于具有懸浮密實結構的C-B-1、C-B-2而言，隨最大粒徑的增大，90 d頂面法回彈模量有所提高；隨著水泥劑量的提高其90 d頂面法回彈模量提高，表明水泥劑量對于水泥穩定碎石90 d頂面法回彈模量有較大影響。

（2）水泥穩定碎石劈裂強度試驗

試驗仍設定C-B-1、C-B-2、C-B-3共 3種級配，90 d劈裂強度試驗結果見表7，試驗現場見圖1。

表7 水泥穩定碎石劈裂強度

由表7可知，級配C-B-1劈裂強度最大，C-B-3最小，這與頂面法回彈模量試驗結果趨勢相同。對于具有懸浮密實結構的C-B-1、C-B-2而言，隨最大粒徑的增大，90 d劈裂強度有所提高；懸浮密實結構（C-B-1、C-B-2）比骨架密實結構（C-B-3）的 90 d劈裂強度明顯要大，表明骨架密實結構的水泥穩定碎石材料對于90 d劈裂強度有不利影響；隨著水泥劑量的提高其90 d劈裂強度提高，但提高幅度不大，表明水泥劑量對于水泥穩定碎石90 d劈裂強度影響較小。

（3）水泥穩定碎石單軸壓縮模量試驗

在C-B-1、C-B-2、C-B-3三種級配下，設計水泥用量的90 d單軸壓縮模量試驗結果見表8。

表8 水泥穩定碎石單軸壓縮模量

試驗結果表明，級配C-B-1單軸壓縮模量最大，C-B-3最小。懸浮密實結構（C-B-1、C-B-2）比骨架密實結構（C-B-3）的90 d單軸壓縮模量明顯增大，表明骨架密實結構的水泥穩定碎石材料對于90 d單軸壓縮模量有不利影響；對于具有懸浮密實結構的C-B-1、C-B-2而言，隨最大粒徑的增大，90 d單軸壓縮模量明顯提高；隨著水泥劑量的提高，破壞荷載和單軸壓縮模量均大幅提高，表明水泥劑量對于單軸壓縮模量有明顯影響。

（4）水泥穩定碎石彎拉強度試驗

在 C-B-1、C-B-2、CB-3三種級配下，4%、5%、6%三種不同水泥劑量的90 d彎拉強度試驗結果見表9，試驗現場見圖2。

表9 水泥穩定碎石彎拉強度試驗結果

根據水泥穩定碎石彎拉強度試驗結果可知，隨水泥劑量的提高，不同級配的彎拉強度總體上均有所提高。對于不同級配類型而言，水泥穩定碎石彎拉強度變化呈現多樣性。采用C-B-2級配和粉煤灰＋水泥為4＋5時，90 d彎拉強度最大，但總體上來說C-B-1級配在不同水泥劑量條件下的90 d彎拉強度最好，C-B-3級配在不同水泥劑量時的90 d彎拉強度均最小，表明級配種類是影響水泥穩定碎石彎拉強度的主要因素，即骨架密實結構對于水泥穩定碎石90 d彎拉強度產生很大負面影響。

對于C-B-1、C-B-2級配，在水泥劑量＞5%時，彎拉強度變化很小，表明水泥劑量對于90 d彎拉強度存在拐點，即在得到拐點后，隨著水泥劑量的提高，對于其彎拉強度影響很小。

（5）水泥穩定碎石彎拉回彈模量試驗

在 C-B-1、C-B-2、CB-3三種級配下，4%、5%、6%三種不同水泥劑量90 d彎拉回彈模量試驗結果見表10，試驗現場見圖3。

表10 水泥穩定碎石彎拉回彈模量試驗結果

根據試驗結果可知，隨水泥劑量提高，不同級配的彎拉回彈模量總體上均有所提高；對于不同級配類型而言，水泥穩定碎石彎拉回彈模量變化呈現多樣性。采用粉煤灰＋水泥為4＋5時的C-B-2級配，90 d彎拉回彈模量最大，表明最大粒徑較小且更均勻的級配彎拉回彈模量略大。總體而言，C-B-1級配在不同水泥劑量條件下的90 d彎拉回彈模量最好，C-B-3級配在不同水泥劑量時的90 d彎拉回彈模量均最小，表明級配種類對于水泥穩定碎石90 d彎拉回彈模量影響很大，即懸浮密實結構比骨架密實結構具有更高的彎拉回彈模量。

與彎拉強度試驗綜合分析表明，彎拉回彈模量并不隨彎拉強度的提高而增大，表明彎拉回彈模量與彎拉強度沒有相關性，但最大的彎拉強度與最大的彎拉回彈模量相一致。

4 結論

通過對3種級配的水泥穩定碎石材料在不同水泥劑量等條件下的靜態模量試驗、劈裂試驗、單軸壓縮模量試驗、無側限抗壓強度路用性能、彎拉強度及彎拉回彈模量等力學性能試驗研究表明：

（1）水泥穩定碎石90 d回彈模量、劈裂強度、單軸壓縮模量等力學性能指標隨水泥劑量的提高，其90 d頂面法回彈模量、劈裂強度、單軸壓縮模量等力學性能指標均有提高，其中回彈模量、單軸壓縮模量均大幅提高，劈裂強度提高幅度不大，表明水泥劑量對于回彈模量、單軸壓縮模量有明顯影響。

（2）不同級配的水泥穩定碎石90 d回彈模量、劈裂強度、單軸壓縮模量等力學性能指標均呈現出C-B-1最大、C-B-2次之、C-B-3最小的規律，表明總體上懸浮密實結構比骨架密實結構具有更高的回彈模量、劈裂強度、單軸壓縮模量。

（3）水泥穩定碎石彎拉強度、彎拉模量隨水泥劑量的提高，不同級配的混合料均總體上有所提高。對于C-B-1、C-B-2級配，在水泥劑量＞5%時，彎拉強度變化很小，表明水泥劑量對于90 d彎拉強度存在拐點，即在得到拐點后，隨著水泥劑量的提高，對于其彎拉強度影響很小。

（4）對于不同級配的水泥穩定碎石彎拉強度、彎拉模量總體而言，C-B-1級配在不同水泥劑量條件下的90 d彎拉強度、彎拉回彈模量最好，C-B-3級配最小，表明級配種類是影響水泥穩定碎石彎拉強度的主要因素，即懸浮密實結構更容易獲得較大的彎拉強度和彎拉回彈模量。