寒冷地區水泥穩定多孔玄武巖碎石路面基層力學性能研究

魏 寧 李仲玉 劉漢云飛

(河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

0 引 言

為了節約礦產資源和降低工程成本,張北至尚義在建高速公路采用原路線挖方多孔玄武巖碎石作為路面基層材料.經查閱文獻,該材料自身具有質地輕、孔隙率大等特點,多孔玄武巖碎石應用于高速公路路面基層在湖北、湖南等地區有過相應的工程案例[1],該案例指出含水量控制是多孔玄武巖施工控制的關鍵環節[2].半剛性材料由于具有強度高、水穩定性好及承載能力大等特點被廣泛應用到高等級公路交通建設中[3],但是在寒冷地區應用水泥穩定多孔玄武巖碎石作為路面基層材料在國內外研究中都沒有相關工程案例,應用于鋪筑高速公路路面基層的安全性和耐久性有待進一步研究.本文對張尚高速公路挖方多孔玄武巖經碎石場加工處理后進行各項原材料性能試驗,探究多孔玄武巖碎石材料是否滿足高等級公路路面基層原材料規范要求,通過不同水泥劑量穩定該材料進行無側限抗壓強度試驗和凍融循環試驗,數據分析水泥穩定多孔玄武巖碎石的力學性能,從而為在建張尚高速公路建設提供可靠的數據,也為寒冷地區類似的工程案例提供可靠的依據.

1 原材料試驗

1.1 含水率和吸水率試驗

通過初步的水洗篩分試驗,對各號料中的粒徑占比進行數據分析,為更加符合路面基層原材料的含水率和吸水率情況均進行分級取料:1號料(20～30mm)取26.5mm篩上質量占比20%,19～26.5mm質量占比80%;2號料(10～20mm)取16～19mm質量占比20%,13.2～16mm質量占比30%,9.5～13.2mm質量占比50%;3號料(5～10mm)取4.75～9.5mm質量占比100%.結果見下表.

表1 多孔玄武巖碎石的含水率和吸水率

1.2 針片狀顆粒和軟弱顆粒含量試驗

采用張尚高速挖方多孔玄武巖碎石進行針片狀顆粒含量試驗(游標卡尺法);采用小型壓力試驗機對多孔玄武巖碎石分級加載進行軟弱顆粒含量試驗,結果見下表.

表2 多孔玄武巖碎石針片狀顆粒和軟弱顆粒含量

1.3 壓碎值和磨耗試驗

采用水洗干凈的9.5～13.2mm多孔玄武巖碎石試料放入壓碎值試驗儀中進行試驗,施加400kN荷載并穩壓10min后,過2.36mm標準方孔篩,稱取篩下質量;多孔玄武巖碎石磨耗試驗(洛杉磯法)采用B粒料粒級和C粒料粒級兩種類型,過2mm標準圓孔篩,稱取篩下質量.結果見下表.

表3 多孔玄武巖碎石壓碎值

表4 多孔玄武巖碎石磨耗損失值

多孔玄武巖碎石材料的各項性能試驗均根據《公路工程集料試驗規程》進行試驗,通過試驗數據分析可知:多孔玄武巖碎石材料的含水率和吸水率都較高,壓碎值和磨耗損失值也比較大,粒徑越小含水和吸水能力越強且粒徑小磨耗損失大;多孔玄武巖碎石隨粒徑增大針片狀顆粒越多,但軟石含量減少.根據《公路路面基層施工技術細則》JTGT F20-2015對原材料各項性能的規定,可以確定多孔玄武巖碎石材料的針片狀顆粒含量、軟弱顆粒含量、壓碎值和磨耗值均滿足高速公路路面基層規范要求;但多孔玄武巖碎石的含水率和吸水率均大于普通碎石材料,因此對于水泥穩定多孔玄武巖碎石的加水量控制是應用該材料作為路面基層材料施工的關鍵.

1.4 水泥各項性能參數

水泥來自金隅水泥有限公司,標準強度32.5的普通硅酸鹽水泥,該水泥的各項物理力學性能見下表.

表5 普通硅酸鹽水泥性能

2 多孔玄武巖碎石配合比設計和試件制備

經過碎石場加工處理后的多孔玄武巖碎石材料共分成4類料,分別進行水洗篩分試驗.測得各篩孔的通過百分率后,分析數據合成配比.其中石屑(0～4.75mm)經過水洗篩分試驗后,測定細度模數平均值為2.669.

表6 多孔玄武巖碎石配合比設計

圖1 合成級配曲線圖

多孔玄武巖級配碎石的配合比符合《公路路面基層施工技術細則》JTGT F20-2015中水泥穩定級配碎石推薦級配范圍C-B-1的要求.采用外摻水泥劑量3%、4%和5%,并設計3%、3.5%、4%、4.5%、5%和5.5%的預定含水量來確定多孔玄武巖碎石混合料的最佳含水量和最大干密度,結果見下表.

表7 混合料的最佳含水量和最大干密度

本試驗采用靜力壓實成型方法制備標準圓件(150mm×150mm).由于多孔玄武巖碎石含水量大,吸水能力強的特點,為保證能夠達到最佳含水量,在進行擊實試驗和制備試件前需要充分烘干試料中的水分,冷卻到室溫后再進行混合料的配置.為保證試件的成型質量,采用單配法制備試件,每12個試件為一組.成型試件脫模時間不小于6h,脫模后應立即用保鮮膜密封并移放至標準養護室(溫度20℃±2℃,濕度≥95%)進行保濕養生.抗壓強度試件養生齡期為7d和28d;凍融循環試件養生齡期為28d.

3 混合料強度和耐久性

水泥穩定多孔玄武巖碎石的無側限抗壓強度和凍融循環試驗依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》JTG E51-2009試驗方法進行試驗研究.采用3%、4%和5%不同水泥劑量制備的試件測定7d和28d無側限抗壓強度值以及經五次凍融循環后的強度值,其中每次循環低溫(-18℃)凍結時間16h,注水溶解時間8h.試驗結果見下表.

表8 7d抗壓強度值

表9 28d抗壓強度值

表10 凍融循環試驗強度值

圖2 7d和28d強度對比值 圖3 28d和凍融循環強度對比值

通過數據分析,水泥穩定多孔玄武巖碎石材料的無側限抗壓強度隨水泥劑量的增大呈現直線趨勢增強,5%水泥穩定劑量下的多孔玄武巖碎石7d無側限抗壓強度值滿足《公路路面基層施工技術細則》JTGT F20-2015極重交通荷載等級下路面基層抗壓強度規范值;28d抗壓強度與7d抗壓強度相比較強度值增加趨勢一致且略有提高;經過五次凍融循環后,不同水泥劑量下的抗壓強度值都顯著降低且水泥劑量越小,經凍融后強度下降越快,損失率越大.

4 結 語

在建張尚高速公路采用多孔玄武巖碎石作為路面基層材料,因地制宜,有利于節約礦產資源、保護自然生態環境和降低工程成本.經過對多孔玄武巖碎石各項試驗研究可知:

(1)多孔玄武巖碎石材料吸水率和含水率均較大,加水量控制是施工過程中的關鍵部分.原材料各項力學性能滿足要求,有較高的利用價值.

(2)水泥穩定多孔玄武巖碎石的抗壓強度受水泥劑量的影響顯著,且水泥劑量達到5%的無側限抗壓強度值滿足極重交通荷載等級下路面基層規范值.但經過五次凍融循環后,水泥穩定多孔玄武巖碎石材料強度顯著降低.

因此施工進程中必須對高速公路面層進行防水和保溫處理,防止外界水分滲入基層造成凍融破壞,保證工程質量.為寒冷地區類似的工程案例提供可靠的數據,從而完善和提高水泥穩定多孔玄武巖碎石路面基層的安全性和耐久性.