水泥穩(wěn)定碎石正交法試驗分析

王 勇

（湖北非金屬地質(zhì)公司，湖北 武漢 430000）

目前，我國道路多為半剛性基層路面［1］，半剛性基層材料主要采用水泥穩(wěn)定碎石。不同國家的國情和施工理念不同，對半剛性基層材料的研究中有一定差異，國外發(fā)達(dá)國家對半剛性基層研究主要集中在強(qiáng)度性能上；我國對半剛性基層材料的研究更加廣泛［2～3］，主要集中在配級類型和試件成型方面，能夠從水泥摻量等多個因素評估其整體性能。

在實際施工中，由于水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度低，在施工完成后容易出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，影響后期的道路使用壽命。針對這一問題，本文基于正交分析方法［4］對水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行試驗研究，通過構(gòu)建評價指標(biāo)和預(yù)估模型，分析不同配比下其抗壓強(qiáng)度的變化情況，確定劈裂等級與強(qiáng)度的變化關(guān)系，選擇適宜的基層，為公路建設(shè)提出科學(xué)的支持理論，提高道路的使用壽命。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

粗集料的粒徑為4.82～14.23 mm；細(xì)集料的粒徑為2.84～5.26 mm，最小直徑不得低于2.84 mm；硅酸鹽為32.6 等級普通材料；石料選擇石灰?guī)r。水泥性能見表1。

表1 水泥基本生產(chǎn)性能指標(biāo)

1.2 方法

1.2.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗是通過正交表安排多種因素，將選定的原材料按照整齊的設(shè)定方式，進(jìn)行均勻分散布置。在正交試驗過程中，僅需要進(jìn)行少數(shù)試驗，即可完成試驗要求，根據(jù)不同分析方式處理試驗結(jié)果，從而得到多個類型的結(jié)論，將其應(yīng)用在水泥穩(wěn)定碎石測試中有較高的效率。為明確此次正交試驗的目的和因素，將選定的材料按照摻加水泥穩(wěn)定碎石后的配比進(jìn)行混合。

在制作試件過程中去除人為因素導(dǎo)致的誤差，采用靜壓和振動壓制兩種方式完成試件成型，主要是為了后期施工不被現(xiàn)場的條件局限，在任何路段內(nèi)均能夠完成材料的有效混合。原始材料的碎石級配已經(jīng)確定，在敲擊制作過程，確定含水量并且采用不同含水量來配制出多個測試試件，按照水泥摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配制。以正交試驗的分析模式進(jìn)行設(shè)計，分別對試件的水泥摻量和碎石摻量及試件長度進(jìn)行設(shè)定。由于水泥摻量對穩(wěn)定碎石的影響較大，在選取混合材料中需要確定水泥和碎石質(zhì)量的百分比，主要是防止摻量過大或者過小對穩(wěn)定性的影響，造成試驗中途失敗。見表2。

表2 正交試驗設(shè)計下試件因素標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 選擇力學(xué)性能評價指標(biāo)

水泥穩(wěn)定碎石的試驗測試主要為后期路用做基礎(chǔ)，在對不同影響因素測定下，分析力學(xué)性能，為提高后期施工的質(zhì)量提供數(shù)據(jù)依據(jù)。整個正交試驗過程以力學(xué)性能測試為主，在對其路用性能分析過程中選擇多個評價指標(biāo)，以此分析不同情況下水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能結(jié)果。在實際施工過程中，水泥穩(wěn)定碎石的基層施工會受到多種因素影響，在長期作業(yè)階段會難以保障耐久性，需要對水泥摻量和制作溫度以及齡期進(jìn)行分類，將其作為碎石穩(wěn)定的變量影響指標(biāo)，對水泥后期的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測試，以此保證完整性和耐用度。

由于半剛性基層材料的定量僅有無限側(cè)壓強(qiáng)度的單一指標(biāo)；因此，在力學(xué)性能測試過程中，需要確定抗壓強(qiáng)度符合規(guī)范要求。在滿足抗壓強(qiáng)度的規(guī)范下，劈裂強(qiáng)度越大，基層材料路用性能越高，該情況主要是由于水泥穩(wěn)定碎石中受失水影響，在早期應(yīng)用中產(chǎn)生干裂趨勢，導(dǎo)致路面在基層施工中產(chǎn)生裂縫。在對力學(xué)性能分析中根據(jù)不同因素影響，對配制試件按照抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行指標(biāo)設(shè)定。

1.2.3 水泥穩(wěn)定碎石性能預(yù)估模型

水泥穩(wěn)定碎石在制備成型初期受物理作用影響，形成一個初始強(qiáng)度q，根據(jù)水泥水化的凝結(jié)速度，不斷推進(jìn)物理變化使得水泥石不斷生成，逐漸增加其強(qiáng)度。以測試的力學(xué)性能指標(biāo)建立預(yù)估模型，使其能夠判斷不同周期狀態(tài)下的強(qiáng)度增長情況，以水泥的穩(wěn)定碎石變化邊界為模型條件，在養(yǎng)生齡期w中設(shè)定初始強(qiáng)度，通過時間的變化用線性回歸系數(shù)計算變化后的強(qiáng)度qi

式中：e為水泥熟料不斷消耗過程中回歸系數(shù)，選值范圍在2.5%～5.8%，變化強(qiáng)度的數(shù)值根據(jù)每種試件的成型強(qiáng)度偏差次數(shù)確定，將初始周期的力學(xué)指標(biāo)，分別設(shè)置為偏差矩陣和理想矩陣

式中：qiv為待評價的指標(biāo)集合；qib為每組評價后的因素集合，以此衡量指標(biāo)對應(yīng)的因素，通過該方法能夠?qū)Σ煌渲玫脑u價指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估。

將每次評定后的正指標(biāo)設(shè)置為理想因素，負(fù)指標(biāo)設(shè)置為非理想因素，每個因素中均包含最大值qimax和最小值qimin，利用相對模糊法建立對應(yīng)矩陣，計算理想因素的權(quán)重值完成性能預(yù)估模型設(shè)計

式中：Rqi為各參數(shù)配制試件的理想指標(biāo)。

在被評測的試件中預(yù)估能力越強(qiáng)的指標(biāo)，能夠分配的權(quán)重值系數(shù)越高，根據(jù)權(quán)重分配的結(jié)構(gòu)分析不同力學(xué)性能的預(yù)估值。

對制備的水泥穩(wěn)定碎石試件進(jìn)行測試，分析現(xiàn)場施工中的性能變化，對配制后的樣本試件進(jìn)行分類，測試抗壓強(qiáng)度和抗裂性能。

2 結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

為更好地了解正交法對水泥穩(wěn)定性的作用，在試件成型過程選擇靜壓和振動兩種方式，由于周期較長，測試中將強(qiáng)度比較分成多個階段，以MATLAB 測試平臺為主，模擬半年內(nèi)的齡期變化，水泥摻量分別為3.5%、4.5%、5.5%。3 組試件均隨著齡期的變化強(qiáng)度增加，水泥穩(wěn)定碎石在早期的強(qiáng)度增長速度迅速，在達(dá)到一定齡期后，增長變得平緩。見圖1。

圖1 無限側(cè)壓強(qiáng)度對齡期變化曲線

為進(jìn)一步驗證不同比例下成型試件的抗壓強(qiáng)度，以線性回歸線分配方式驗證抗壓強(qiáng)度，選擇齡期較為平緩的后期階段進(jìn)行測試，在強(qiáng)度增長預(yù)估模型下對強(qiáng)度進(jìn)行多輪測試，結(jié)果見表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度對比結(jié)果

不同水泥和碎石配比狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不同結(jié)果。以選擇的齡期階段來看，在后期較為平緩的周期下靜壓成型的試件強(qiáng)度會低于振動制成試件，但兩種成型方式的強(qiáng)度變化值均符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 抗裂性能

以5.5%水泥摻量為例，外部環(huán)境的溫差變化在10～12 ℃，分別對干燥系數(shù)和溫度收縮系數(shù)進(jìn)行測定。整個測試階段將結(jié)構(gòu)分成懸浮、均勻、孔隙和骨架4 個密實結(jié)構(gòu)，每組試件尺寸為50 mm×50 mm×30 mm，室內(nèi)溫度保持在24 ℃左右。干燥系數(shù)主要指試件成型早期的水量蒸發(fā)占比，隨著含水量的不斷縮減在中期階段其含水量會趨于穩(wěn)定，變成溫度收縮為主，即溫度收縮系數(shù)。各結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)生的干縮系數(shù)不同，其中骨架密實的水泥穩(wěn)定系數(shù)最高，懸浮密實的穩(wěn)定系數(shù)最低，說明骨架結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石的干燥性能更加優(yōu)秀。見表4。

表4 水泥穩(wěn)定碎石試件干燥收縮結(jié)果

在完成干燥性能測定后，對溫度收縮系數(shù)進(jìn)行比較，每個試件表面圈定2個定位圈，利用手持應(yīng)變儀器記錄測試結(jié)果，采用恒溫、恒濕箱對性能更加優(yōu)秀的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，分別按照每隔3 ℃的間隔進(jìn)行測試。初始測量溫度仍以干燥系數(shù)的室內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)，在增加和減少室溫變化下，骨架密實結(jié)構(gòu)的溫度收縮系數(shù)變化情況不同。以水泥的初始性能指標(biāo)要求來看，在溫度為27 ℃時能夠滿足抗裂要求，其所在的溫度收縮系數(shù)最小。見表5。

表5 水泥穩(wěn)定碎石試件溫度收縮結(jié)果

3 結(jié)語

本文方法能夠準(zhǔn)確分析設(shè)定的試件，確定不同摻量下水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度范圍并得出成品的抗裂性能范圍，該方法具備實際應(yīng)用效果，可以廣泛推廣。

由于研究時間的限制，對水泥制樣的含量設(shè)定分類過少，導(dǎo)致該方法仍然存在不足，后續(xù)探究過程會分析不同條件下水泥穩(wěn)定碎石試件的性能差別，以此得出更加科學(xué)的配比范圍，為高等級公路的建設(shè)提供理論支持。