低摻量水泥改善級配碎石力學和收縮規律分析

岳愛軍, 邱華, 馮永平

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 桂林 541004; 2.廣西壯族自治區公路發展中心, 南寧 530029)

水泥穩定碎石混合物受到多種變量的影響,包括水泥含量、水泥類型、水分含量、養護時間、壓實度、骨料類型等[1]。目前對于水泥穩定碎石抗裂性的提升主要包括級配設計,通過降低細集料含量來優化骨料級配對提高收縮性能有積極影響[2-3];預先切割裂縫和鋪設土工布[4]和添加各種水泥外加劑[5-6];以及摻入某種不同于骨料及水泥的新材料,如各種纖維、橡膠、鋼渣、石膏粉煤灰等[7-10]。來抵抗收縮應力和延緩裂縫的發展。這些研究措施對于減少半剛性基層反射裂縫起到了不錯的效果。

同時與外國相比,中國現行規范使用的半剛性基層水泥用量較高、強度較大[11-12],較高的水泥用量帶來了收縮變大,反射裂縫變多,部分學者基于此提出通過降低水泥劑量控制開裂,減少結構反射裂縫。張敏江等[13]利用abaqus有限元軟件分析計算得出結論低水泥劑量穩定級配碎石替代上基層后,能有效改善面層受力狀態,并基于此給出了推薦的結構組合形式。于新等[14]和霍軼珍等[15]認為水泥劑量越低水穩碎石的干縮、溫縮系數對含水量變化的敏感性越低,3%以下水泥劑量的水穩碎石抗干縮能力較好。周軍霞[16-17]研究了不同低水泥含量級配碎石單一齡期的力學性能以及凍脹性能,并通過對比分析認為最佳低水泥含量為3%。彭波等[18]以抗壓強度和干縮系數為指標得到了低水泥劑量穩定碎石的推薦級配,并基于推薦級配分析認為水泥劑量的合理范圍為2%～4%。周志剛等[19-22]通過試驗系統研究了低劑量水泥改性級配碎石的級配、含水率、壓實度等因素對收縮、施工質量以及抗壓、抗剪、加州承載比、動回彈模量等力學強度指標的影響,并提出了相關的控制指標。

然而上述相關文獻對于合理水泥摻量的分析均是各指標單獨分析,沒能將各指標放在相同尺度下對比分析;并且也沒有對低水泥摻量下的基層結構的長期性能以及各指標的相關關系進行研究和模型預測,而長期的性能對基層結構的可靠性至關重要,因此有必要研究低水泥摻量下基層結構的長期力學性能和收縮規律。基于前人成果,現使用廣西某在建項目粗顆粒級配,探究在不同的低水泥劑量和齡期狀態下,各項指標變化趨勢,并根據各參數在相同尺度下的增長趨勢綜合得到合理水泥摻量范圍。

1 原材料與試驗準備

1.1 原材料

試驗用的水泥為興安海螺牌M32.5硅酸鹽砌筑水泥,初凝242 min,終凝369 min,標準稠度用水量26%,3 d和28 d抗壓抗折強度性能均符合相關要求。骨料為桂林市臨桂家合混凝土公司商混站使用的普通石灰巖集料,1#～3#為粗骨料、4#為石灰巖機制砂,基本技術指標如表1所示。因為水泥使用量較少所以級配應略粗,構成骨架嵌擠結構,顧采用廣西某在建路面工程現場所使用的粗顆粒級配,各檔料篩分結果與合成級配如表2所示。不同低水泥摻量的最佳含水率和最大干密度采用普通重型擊實丙法得到,結果如表3所示。

表1 集料主要技術指標

表2 集料篩分與合成級配

表3 不同水泥摻量下重型擊實丙法試驗結果

1.2 試驗準備

按相關規程[23-24]的要求進行試驗準備。其中,無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量(靜模量)試驗使用靜壓法成型的150 mm(直徑)×150 mm(高)圓柱體試塊,干燥收縮試驗使用靜壓法成型的400 mm(長)×100 mm(寬)×100 mm(高)長方體試塊,加州承載比試驗使用靜壓法成型的152 mm(直徑)×120 mm(高)的圓柱體試塊。成型后的試件在標準環境下進行不同齡期的養生,在養生齡期的最后一天進行泡水養護。

抗壓、間接抗拉、加州承載比以及回彈模量試驗均使用300 kN萬能試驗機進行,前3個加載速率為1 mm/min,回彈模量的加載速率為0.04 MPa/min;干燥收縮試驗在(20±1) ℃,60%±5%相對濕度的干燥環境下進行檢測。

2 強度與模量變化規律

2.1 不同摻量與齡期下強度變化規律

強度是衡量基層性能的最重要指標。將成型的圓柱型試塊分別養生至3、7、14、28、60、90 d進行強度試驗,不同摻量水泥改善級配碎石在不同齡期下的抗壓和劈裂強度結果如表4所示,將表4的試驗結果用對數函數進行擬合,結果如表6所示。分析表4可知,不同水泥摻量的試塊強度增速隨齡期的增長先快后慢,在前14 d強度增長速率最快,其中7 d抗壓強度達到90 d抗壓強度的60%～70%,7 d劈裂強度達到90 d劈裂強度值的50%～60%;28 d以后增長速率逐步變慢,在60 d以后強度增長已經很小,60 d抗壓強度已達到90 d抗壓強度90%以上,60 d劈裂強度占90 d劈裂強度95%以上,逐步趨于穩定。

在任意齡期內強度值均隨水泥摻量的增加而變大。但是按照目前規范對于7 d無側限抗壓強度的要求,水泥摻量為1.5%時,是不滿足規范的要求,摻量為2.0%的只滿足二級公路中輕交通要求,摻量為2.5%的滿足高速和一級公路中輕交通、二級公路重交通要求,3.0%摻量的滿足高速和一級公路重交通、二級公路極重交通的要求[11]。90 d劈裂強度整體較低,水泥用量越少,抗劈裂能力降低得越厲害,尤其是水泥摻量為1.5%時劈裂強度只有2.0%的一半。當水泥摻量較少時,水泥對級配碎石起到的穩定作用較小,只是起到一定的改善穩定作用,是不滿足現行技術規范要求,或僅滿足中輕交通的要求。

表4 不同水泥摻量與齡期下強度試驗結果

2.2 不同摻量與齡期下加州承載比和模量變化規律

加州承載比(California bearing ratio,CBR)是評價松散材料力學性能的一種試驗方法。主要用來衡量級配碎石和土基性能的強度指標,以標準碎石的位移變化為基準,用相對值的百分數表示CBR值。當水泥摻量較少時,CBR作為一種強度指標用來評價水泥改善級配碎石抵抗局部荷載的性能是有意義的。回彈模量是評價材料變形、基層結構響應和設計計算的重要參數,測量回彈模量的方法有很多,本次采用頂面法測量其抗壓回彈靜模量。

將成型的試塊分別養生至對應齡期進行試驗,CBR試驗因強度超過普通路面材料強度儀最大量程,顧采用萬能試驗機進行,并通過計算機直接讀取應力與位移。不同摻量水泥改善級配碎石在不同齡期下的CBR和靜模量結果如表5所示。將表5的試驗結果用對數函數進行擬合,如表7所示。

分析表5可知,CBR在前28 d強度增長速率最快,其中不同水泥摻量7 d齡期CBR達到60 d齡期CBR的62%～82%;28 d以后增長速率變慢,增長幅度已經很小了,28 d齡期CBR均已占60 d齡期CBR值的95%以上,回彈模量也有類似的強度增長規律,7 d回彈模量值已達到90 d回彈模量的70%以上。4個物理量的增長規律都類似,主要增長在前28 d,28～60 d增長速度開始放緩,60 d以后趨于穩定,這符合水泥水化作用隨齡期的變化規律,早期水泥發生水化,強度增長迅速,后期水化基本完成,強度增長變小,直至水化完成強度穩定。

0 d齡期的CBR值為不加水泥時的級配碎石CBR測值,因此與水泥摻量沒有關系,所以在擬合曲線時不考慮0 d齡期CBR的影響,可以認為級配對于不同水泥摻量60 d齡期CBR的貢獻為,50.5%、45.6%、38.8%、34.8%,因此水泥水化作用對于CBR的貢獻為49.5%、54.4%、61.2%、65.2%。顯而易見,隨著水泥摻量增多,水泥水化作用對CBR的貢獻也越多。按照目前規范[11]的要求,在此級配下即使不加水泥,236%的CBR也滿足高速公路和一級公路極、特重交通CBR≥200%的要求。可以看出添加少量水泥和不加水泥情況下,CBR值增長了2～3倍,兩者相差并沒有大一個數量值,因此低摻量下的水泥改善級配碎石可以按級配碎石方法用CBR作為一個強度指標進行評價。

舊版設計規范[25]對于半剛性基層靜模量的要求是1 300 MPa以上,級配碎石為350 MPa以下,而本次試驗4種水泥摻量90 d齡期的抗壓回彈靜模量為633～1 033 MPa。結合上述分析,即可以認為低水泥摻量下其性能是介于級配碎石與半剛性基層之間的。

2.3 強度與模量統一增長規律模型

將表4與表5的強度與模量隨時間增長的擬合模型匯總,結果如表6和表7所示。從表6和表7可以看出,各擬合方程相關系數均在0.95以上,說明對數模型y=a+blgt擬合精度高、相關性強。令x=lgt,則模型即變為y=a+bx,即系數a為截距,可理解為與齡期剛開始的初始強度或者初始模量有關,截距越大則初始強度與模量越大、曲線整體越高;系數b為斜率,其與水泥水化過程有關,斜率越大則曲線越抖,即代表水泥水化過程越強烈,強度與模量增長的更快。水泥摻量越多,則初始強度與模量越大,水泥水化作用也會更強烈,強度與模量增長的更快,所以系數a、b都與水泥劑量有一定關聯,將表6和表7中的系數a、b與水泥劑量進行擬合,結果如表8所示。

表5 不同水泥摻量與齡期下CBR與抗壓回彈模量試驗結果

從表8可以看出各力學參數線性擬合關系良好,相關系數除一個為0.87外,其余均在0.94以上,說明系數a、b與水泥劑量c均有較強的線性關系。

表6 不同水泥摻量抗壓強度與劈裂強度增長模型匯總

表7 不同水泥摻量CBR與抗壓回彈模量增長模型匯總

表8 不同力學參數系數a、b增長規律匯總

根據表8結果,得到力學參數統一增長模型為

Sc=(1.292c-1.111)+(0.801c-0.191)lgt

(1)

St=(0.086c-0.105)+(0.118c-0.085)lgt

(2)

CBR=(140.068c-36.691)+(14.377c+

136.777)lgt

(3)

Ec=(90.22c+253.817)+(88.125c-

2.086)lgt

(4)

2.4 無側限抗壓強度與各力學參數的轉換關系模型

現行規范[11]中,抗壓強度是進行現場配合比設計和控制施工現場基層質量最重要的技術指標,而其他物理參數一般不在現場進行測試,但其他參數對于基層同樣重要。比如回彈模量是路面結構設計所必需的物理參數,路面結構設計中層底最大拉應力可用劈裂強度來衡量安全可靠性,CBR可用來評價基層抵抗局部荷載的能力。

這些參數在設計驗證時相互獨立取值,存在不協調匹配的情況,因此可通過無側限抗壓強度定量的去評價其他物理量,分別建立抗壓強度與其他物理量的模型,后續在進行配合比設計與路面結構設計時可參考模型進行相互換算與驗算。將相同水泥摻量和相同齡期的抗壓強度與其他的力學參數進行擬合,建立了無側限抗壓強度Sc與劈裂強度St、加州承載比CBR、抗壓回彈模量Ec之間的轉換關系,如圖1所示。

由圖1可以看出,各力學參數分別采用線性函數y=a+bx擬合與冪函數y=axb擬合,兩種擬合方法相關系數都在0.90以上,擬合精度較高,但整體而言冪函數更高,所以采用冪函數模型。

顧得力學參數相互轉換模型為

(5)

(6)

(7)

3 基層干燥收縮變化規律

水泥穩定碎石在前期因為失水產生收縮,當失水產生的收縮應力大于基層抵抗應力時基層會開裂。將成型的長方體試塊養護7 d后置于恒定溫度濕度的環境下,兩側固定千分表進行測量,開始測量試驗的前7 d每天觀測記錄一次收縮和干燥失水變化,之后每2 d觀測記錄一次,連續記錄28 d。定義公式:α=ε/ω,α為干縮系數,ε為收縮應變,ω為失水率,不同水泥摻量隨時間變化的失水率、收縮應變、干燥收縮系數如圖2所示。

圖1 Sc與St、CBR、Ec的轉換關系Fig.1 Conversion relationship between Scand St, CBR, Ec

圖2 干燥收縮變化規律Fig.2 Drying shrinkage change law

從圖2(a)和圖2(b)可知,失水率和收縮應變均是前期大,后期小,其中失水率在前7 d失水迅速,特別是前48 h,而后失水逐漸減小,直到穩定不再失水;收縮應變則是第一天收縮較大而后減小又增大,在6～7 d有一個收縮小高峰而后再逐步減小直至穩定。水泥摻量越大累計失水率反而越小,這是因為水泥越少則需要參與水化反應的水就越少,自由水就越多,在干燥環境下失去更多水分。累計收縮應變則相反,隨水泥摻量的增加而增加。從圖2(c)可知失水率和收縮應變成兩者呈一定的相關關系,收縮應變隨著失水率的增加而變大,即混合料因為失去水分才產生收縮。

干燥收縮系數綜合了收縮應變和失水率的影響,是目前國內用來評價水泥穩定碎石收縮性能的主要指標。從圖2(d)可知干縮系數都是先減小后增大,在7～10 d達到最大值后開始又逐漸降低直至穩定,干燥收縮系數隨水泥摻量的增加而增加,1.5%水泥摻量的28 d干縮系數僅為3.0%水泥摻量28 d干縮系數的59.3%;并且在圖2(c)中,相同失水率下,水泥摻量越大,則收縮應變越大,即水泥含量對基層的收縮影響明顯。通過降低水泥摻量,可以減小干縮應變和干縮系數,進而減少和延緩反射裂縫的出現。

4 合理水泥摻量推薦值

從上述分析可知,不同水泥摻量對應著不同的力學性能和收縮性能,水泥摻量越高則力學性能和模量越高,對基層越有利,但收縮變形同樣會隨水泥摻量的增加而增加,因此如何平衡力學性能和收縮性能之間的關系尤為重要。各力學參數取結構設計和配合比設計時常用的齡期,分別為7 d的Sc、90 d的St、7 d的CBR、90 d的Ec和28 d的α。

但不同參數之間單位不同,且單位的數量級也不統一,難以直接比較,為將其進行統一比較,顧做如下定義:增長因子=Xn/X1.5,其中X為不同力學和收縮參數,n為不同水泥摻量,1.5為1.5%的水泥摻量,不同水泥摻量力學和收縮參數增長因子如表9和圖3所示。

從表9和圖3可知,強度、模量等對基層有利增長因子均隨水泥摻量的增加而變大,增長趨勢為臺增長,當水泥摻量從1.5%～2.0%時,有利因子提升較大,從2.0%～2.5%時增長略平緩,從2.5%～3.0%時又有一個較大的增長,其中劈裂強度增長的最高,從2.5%～3.0%提升了56.8%。即從有利于基層的角度出發,1.5%的水泥摻量力學性能較差,最低水泥摻量應大于1.5%。

干縮系數α是基層的不利增長因子,增長趨勢為斜坡狀,即水泥摻量從1.5%～2.5%時,不利因子緩步增長,但從2.5%～3.0%時不利因子有一個較大的提升。即從有利于基層的角度出發,3.0%的水泥摻量干燥收縮較大,最高水泥摻量應小于3.0%。綜合有利與不利增長因子,水泥摻量為2.0%～2.5%時較為合理。

表9 不同水泥摻量力學和收縮參數的增長因子

圖3 增長因子隨水泥摻量變化規律Fig.3 Growth factor variation law with cement dosage

5 結論

(1)低水泥摻量改善級配碎石的各力學參數性能受水泥摻量和齡期影響明顯,水泥摻量越多、齡期越長則強度與模量越大,強度與模量在前28 d增長迅速,之后逐步放緩,并于60～90 d趨于穩定;混合料的干縮性能也隨水泥摻量的增多而變大。

(2)通過分析CBR與抗壓回彈靜模量結果,低摻量水泥改善級配碎石基層的力學和抵抗變形能力是介于柔性基層與普通半剛性基層之間的狀態。加州承載比CBR可作為無側限抗壓強度外,低水泥摻量級配碎石的一個補充強度驗證指標。

(3)通過分析Sc、St、CBR、Ec等力學參數隨齡期與水泥摻量的變化趨勢,采用對數函數模型y=a+b×lgt進行擬合,得到了各力學參數隨齡期與水泥摻量變化的統一增長模型,并用冪函數y=axb建立了無側限抗壓強度與剩余3個力學參數的轉化關系模型,為低摻量水泥改善級配碎石室內結構設計、現場配合比設計與施工質量控制提供了可相互參考印證的公式模型。

(4)通過定義增長因子,將不同參數與不同數量級的單位進行了統一,并比較有利增長因子與不利增長因子的趨勢,經過綜合分析比較,推薦水泥改善級配碎石的水泥摻量為2.0%～2.5%時較為合理。