蒸發作用下水穩基層早期水分分布試驗研究

王召強 高俊啟 劉 鵬

(青島市市政工程設計研究院有限責任公司1) 青島 266101) (南京航空航天大學民航學院2) 南京 210016)

0 引 言

水泥穩定基層是公路工程領域的一種典型的半剛性基層[1].水穩基層在鋪筑成型后具有抗沖刷性好、抗壓強度高、水穩定性好等優點.但是,在實際施工過程中,處于早期階段的水穩基層極易受到氣溫和水汽的影響,導致其內部溫濕度呈現梯度分布的現象,會影響水穩基層形成強度,產生早期干縮裂縫.高翔等[2]認為濕度梯度是導致水泥混凝土路面板早期破壞的重要因素.張靜等[3]針對水泥穩定碎石早期微裂現象的研究,結果表明:水泥穩定碎石的干縮應變主要在養護初期形成,在1～3 d內增長最快,微裂時間選擇在養生期第二天時,對早期干縮應變最有利,微裂程度40%時,早期干縮應變降低最多.莊少勤等[4]通過對水泥穩定碎石進行干縮試驗,發現水泥穩定碎石的干縮率隨干燥時間的延長而增大.張鵬等[5]研究了28 d養護齡期內的聚丙烯纖維和水泥穩定碎石的干縮特性,發現水泥穩定碎石的平均干縮系數隨試驗齡期的增長而減小.在試件成型的最初7 d內,平均干縮系數隨齡期急劇減小,當齡期超過7 d后,平均干縮系數隨齡期增長較慢.Kodikara等[6]采用各向同性非線性理論分析水泥穩定路面材料干燥過程中的水分流失,研究表明,隨著干燥時間的增加,水分損失率逐漸降低,最終趨于環境濕度值.對干燥過程中水分損失的建模是在路面設計階段預測潛在收縮裂縫的前提.Chakrabarti等[7]對摻入不同膠凝材料的玄武巖碎石進行了干縮試驗和吸水試驗,研究發現,在早期試件干縮變化明顯,幾乎所有試件在21 d后收縮趨于穩定;隨著粘結劑含量的增加,試件的吸水率和毛細上升速率減小.楊三強等[8]分析了新疆干旱荒漠區水泥穩定砂礫基層干縮、溫縮的特性,研究發現水泥劑量越大,干縮應變就越大,當失水率達到2.4%時,干縮應變增長變緩.由此可見,濕度變化是水穩基層早期干縮開裂的根本原因.

水泥穩定基層材料中的水分很難通過簡單的物理手段對材料進行內部水分含量的測量.目前主流的方法有破損檢測和無損檢測兩種形式.破損檢測方法就是傳統的鉆孔稱重法[9].而無損檢測主要有電學方法、核磁共振法[10]和射線衰減技術法[11]等.高原等[12]對C30和C80兩個強度等級的混凝土進行了干濕交替試驗,測量混凝土不同深度處的相對濕度隨時間的發展規律.結果表明:在覆膜養護期間,混凝土先經歷一段時間的濕度飽和期,然后進入濕度下降期,當進入干濕交替過程后,只有距表層一定范圍內的相對濕度發生變化,大于此深度的混凝土相對濕度基本保持不變.張翛等[13-14]采用Sensirion SHT15型溫濕度傳感器測量了3個不同水灰比的水泥混凝土試件在不同養生條件下2 cm和4 cm深度處的濕度隨時間變化的關系,分析了早齡期水泥混凝土路面板在外部干燥和自干燥作用下的水分遷移機理.王麗娟等[15]基于早齡期水泥路面板內部濕度的室外監測,發現在鋪筑完成后,水泥混凝土路面板內濕度場存在濕度飽和、降低和波動三個階段,這三個階段所處的時刻和幅值取決于邊界條件和自然環境條件.

綜上,針對水泥穩定材料內部水分變化的研究,大都集中在試件整體水分質量的變化以及干縮、溫縮試驗,很少有關注水泥穩定材料在早期成型過程中的內部水分分布及其蒸發規律.基于此,文中針對水穩基層早期內部水分分布不均勻的現象,利用基于Arduino開發板的溫濕度傳感系統,設計了室內蒸發試驗,探究蒸發作用下水穩基層早期內部水分的分布及蒸發規律.

1 試驗設計

1.1 試驗材料

選用四種不同類型不同粗細程度的集料進行試驗,分別為細粒土、粗粒土、細砂和粗砂(見圖1),細粒土、粗粒土級配見表1,細砂和粗砂級配見表2.將細砂和粗砂取樣篩分處理后,測得細砂樣品的細度模數為1.33,粗砂的細度模數為3.23.水泥選用海螺牌普通硅酸鹽水泥.四種試件配比見表3.

圖1 四種集料樣品

表1 土樣級配

表2 砂級配

表3 配比及試驗方案

1.2 試驗系統

試驗系統由試驗筒、具有溫控功能的加熱裝置、SHT30溫濕度傳感器、Arduino開發板和集成開發環境組成.其中,試驗筒直徑200 mm,高度200 mm;SHT30傳感器分別埋設在距試件表面2,7,12和17 cm處,并通過杜邦線與具有控制程序的Arduino開發板相連.為保證水分只能從材料表面散失,除試驗筒底部用防滲蓋密封外,四周將采用隔熱鋁膜進行絕熱.試驗系統見圖2.

圖2 試驗系統

1.3 試驗方案

試驗按集料類型分為4組,每組常溫(20℃)和高溫(60℃)各2個試件,見表3.所有試件均按照JTG-TF20—2015《公路路面基層施工技術細則》中的標準進行壓實.在壓實過程中,分層布設傳感器,并從下至上依次分層壓實.設置SHT30傳感器的波特率為9 600,傳感器讀數間隔為1 h.持續監測7 d,并及時記錄試驗數據.制作完成的試件見圖3.

圖3 試件

2 結果分析與討論

2.1 水泥穩定土內部濕度變化規律

圖4為在表面60℃加熱狀態下水泥穩定細砂和粗砂的內部濕度變化情況.由圖4可知:7d后的水泥穩定材料內部濕度呈梯度分布,在距表面2 cm處,水泥穩定細砂和水泥穩定粗砂內部濕度分別降低了53.27%和58.98%.在距表面7 cm處分別降低了31.14%和41.62%.距表面越遠,濕度下降越緩慢,下降的值也越小.在距表面12和17 cm處兩種材料內部濕度下降值在3%～8%.兩種材料在距表面12 cm左右的濕度基本不受外界環境的影響,圖5為四種材料7 d后各層濕度變化情況.由圖5可知:曲線在7～12 cm處存在一個拐點,因此在距表面7～12 cm處存在一個臨界的界面,在該界面以上,材料內部濕度受外界影響較為明顯,在該界面以下,材料內部濕度受外界環境的影響較小.這與文獻[12]對混凝土的研究結果類似.混凝土在經過干濕交替過程后,只有距表層一定范圍內的相對濕度發生變化,大于此深度的混凝土的相對濕度保持不變.水泥穩定細粒土和水泥穩定粗粒土的水分變化規律也具有這樣的特點.

圖4 60℃下水穩細、粗砂內部濕度變化

圖5 四種材料7 d后各層濕度變化

2.2 溫度對水泥穩定材料水分變化的影響

圖6為水泥穩定細粒土和粗粒土在不同溫度條件下距表面2,7,12和17 cm處的濕度變化圖.由圖6可知:在初始狀態下水泥穩定細粒土和粗粒土的內部濕度相差不大.當表面加熱一段時間后,在同一時刻同一深度處,20℃下的水泥穩定細砂的相對濕度總比60℃下的相對濕度高.7 d后60℃下的水泥穩定細粒土距表面2,7,12和17 cm處的相對濕度分別比20℃時低73.21%、48.04%、5.98%和2.13%.7 d后60℃下的水泥穩定粗粒土距表面2,7,12和17 cm處的相對濕度分別比20℃時低71.18%、57.96%、4.74%和0.78%.這表明表面溫度變化對水泥穩定材料7cm內的濕度影響較大,且溫度越高,水泥穩定材料表層濕度下降越快.分別比較水泥穩定細粒土和粗粒土試件在表面20℃和60℃加熱條件下168 h后的濕度下降值,發現不同溫度下距表面12和17 cm處168 h后的濕度差不超過6%.因此溫度變化對水泥穩定材料距表面12 cm以下部分的影響較小.

圖6 水穩細、粗粒土內部濕度變化

2.3 集料類型對水泥穩定材料水分遷移的影響

圖7為20℃下四種水泥穩定材料內部距表面2,7,12和17 cm處的濕度變化曲線.由圖7可知:水泥穩定細粒土、水泥穩定粗粒土的初始濕度較水泥穩定細砂和粗砂低3%～4%.在20℃的溫度下,距表層2 cm處的水泥穩定粗砂、水泥穩定細砂、水泥穩定細粒土、水泥穩定粗粒土在初始24 h內的相對濕度分別下降了6.5%、3.5%、1.0%和0.8%.相同溫度條件下,距表層7 cm處的相對濕度在24 h內分別下降了1.9%、1.8%、0.7%和0.2%.可見四種材料濕度下降速度由快到慢依次為水泥穩定粗砂、水泥穩定細砂、水泥穩定細粒土、水泥穩定粗粒土.60℃下的四種材料內部濕度下降速度由快到慢的順序也相同.這與材料內部毛細孔大小以及孔隙分布有一定的關系.造成水泥穩定砂類水分蒸發比水泥穩定土類快的原因主要與集料粒徑有關,細粒土的粒徑遠小于砂粒粒徑,因此相同水泥含量的水泥穩定細粒土內部孔隙遠小于水泥穩定砂,當水分從表面散失時,毛細孔中的水分最先散失,毛細孔孔徑大于5 μm時,由彎液面附加應力引起的液面上飽和水蒸氣壓力的改變可以忽略,此時毛細孔內的液面為平面液面.而毛細管半徑小于1 μm時,彎曲液面對飽和水蒸氣壓力的影響逐漸增大,毛細管內的水分很難蒸發出去.

圖7 距表面2、7、12、12 cm四種材料濕度變化

3 結 論

1) 早期階段水穩基層內部存在濕度梯度.在表面60℃加熱168 h,水泥穩定粗砂距表層2 cm處濕度下降約59%,且距離表面越遠,濕度下降越慢,距表面12 cm以下部分濕度下降僅為3%～8%,基本沒有太大的變化.在距表面7～12 cm內存在一個過渡界面,在該界面以上,材料內部濕度下降明顯,在該界面以下,材料內部濕度基本保持不變.其他水泥穩定材料內部濕度變化規律也和水泥穩定粗砂一致.

2) 在表面加熱20℃和60℃的條件下,距表面7 cm內的水泥穩定土內部濕度均隨溫度的上升而下降.水泥穩定材料淺表層的水分在初期的蒸發速度對溫度較為敏感.環境溫度越高,蒸發速度越快.溫度對水泥穩定土內部濕度的影響處于表面12 cm以上,在距表面12 cm以下部分,材料內部濕度幾乎不受環境溫度的影響.

3) 在表面加熱條件下,四種材料按內部濕度下降速度由快到慢依次為水泥穩定粗砂、水泥穩定細砂、水泥穩定細粒土、水泥穩定粗粒土.這與材料內部毛細孔大小及孔隙分布有一定的關系.細粒土的粒徑小于砂粒粒徑,相同水泥含量的水泥穩定細粒土內部孔隙小于水泥穩定砂,因此水泥穩定砂的蒸發速度大于水泥穩定細粒土.