水泥穩(wěn)定材料對路面設計施工穩(wěn)定性能的影響研究

黃 華

(廣西北投公路建設投資集團有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

原位膠結加固技術被認為是一種有效、環(huán)保的加固現(xiàn)有退化無粘結路面的方法。改性穩(wěn)定材料和粘結穩(wěn)定材料是路面基層穩(wěn)定的主要材料種類。通過向顆粒材料中添加足夠數量的膠凝粘結劑(通常為顆粒材料干質量的3%～ 7%),產生具有較高抗拉強度[1]并且結合穩(wěn)定的材料。由于其頂部承受較大的軸重,受束縛的穩(wěn)定基層在使用過程中承受彎曲載荷,拉伸疲勞是受束縛材料的主要損傷機制,因此,穩(wěn)定路面基層的力學結構設計應考慮粘結材料的抗彎特性。壓實穩(wěn)定路面基層的穩(wěn)定性和性能在很大程度上取決于細集料的指標和收縮特性。液體極限值過高會影響微細顆粒的填充、聯(lián)鎖和粘聚,導致壓實穩(wěn)定材料的穩(wěn)定性較差[2-3]。塑性指數過高會導致粘結劑軟化,骨料變濕且失去穩(wěn)定性,使材料難以協(xié)同工作。因此,穩(wěn)定路面材料的特性是路面設計和施工成功的關鍵[4]。為此本文通過試驗,研究水泥對兩種當地來源的路面材料工程性能的影響。

1 試驗材料

本研究選用北方地區(qū)舊路面材料(20 mm碎石)和石英巖兩種路面材料。石英巖被廣泛用于國內的非結合和水泥穩(wěn)定的路面基礎建設,其源巖為細粒石英巖(極低品位區(qū)域變質巖)。圖1為兩種路面材料的粒徑分布曲線圖。由圖1可以看出,本研究選擇的路面材料適合水泥穩(wěn)定基層的公路建設,因為兩種路面材料的級配均在我國公路建設推薦的級配限值內。這些路面材料用3%(路面材料干質量的百分比)通用水泥處理。

圖1 路面材料粒徑分布曲線圖

2 試驗設計

2.1 壓實試驗

原始路面材料和膠結路面材料的改性壓實試驗按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)[5](以下簡稱《標準》)中的相關要求進行。將路面材料進行預處理,然后用3%水泥和水充分混合,使用改進的壓實方法對樣品進行手動壓實。

2.2 無側限抗壓強度(UCS)試驗

將UCS作為穩(wěn)定路面材料分級的指標參數[6],按照《標準》進行UCS測試。對路面材料進行預處理,在最佳含水率(OMC)下?lián)饺?%的水泥和水,使用改進的壓實方法,將樣品手動壓實在五個相等的層中。壓實工藝完成后,將每個樣品從壓實模具中擠出,在霧室(相對濕度95±5%,25 ℃)中固化,直至進行測試。每種測試條件準備3個樣品。固化完成后,將樣品在水中浸泡4 h,靜置15 min,待材料達均質后進行試驗。軸向載荷以60 kN/min的均勻速率增加,直到試樣按《標準》的規(guī)定失效。

2.3 抗彎強度試驗

復制現(xiàn)場條件進行試件制備和試驗。使用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的鋼模具制造用于彎曲強度測試的梁試件。對路面材料進行預處理,然后在OMC下加入3%的水泥和水。按《標準》修改壓實力,分兩層人工壓實。壓實完成后,為防止水分蒸發(fā),將梁試件覆蓋在模具中,在室溫25 ℃下固化2 d,然后在霧室(相對濕度95±5%,25 ℃)固化至測試。每種試驗條件下制備3個梁試件。彎曲強度試驗采用標準斷裂模量試驗。該試驗涉及以1 MPa/min的極限纖維應力速率單調增加載荷,直至試樣失效。跨中撓度的測量使用了兩個校準的線性變量微分傳感器(LVDTs),該傳感器安裝在支撐架上,支撐架放置在梁試件上。

2.4 阿特伯格極限與線性收縮試驗

通過對細集料和膠結細集料的液限(LL)、塑性極限(PL)和線性收縮(LS)進行試驗,研究了水泥對母材的液限、塑性極限和線性收縮的影響。在試驗中,通過對路面材料425μm的粒徑進行篩洗,在45±5 ℃的溫度下使用熱燈干燥48 h,然后與3%(占路面材料干質量的百分比)的水泥和水充分混合。

3 試驗結果與影響因素

3.1 壓實

壓實路面材料的性能總結見表1。石英巖的最大干密度(MDD)為2 260 kg/m3,而添加3%的水泥使該值降至2 195 kg/m3,OMC保持不變,為6.75%。原始公路基材和膠結原始公路基材的OMC分別為6.00%和5.30%。然而,兩種情況下原始公路基材的MDD均保持在2 340 kg/m3。路面材料和膠結路面材料的壓實曲線如圖2所示。

表1 壓實路面材料的性能數值表

圖2 兩種路面材料的干密度-含水率關系曲線圖

3.2 無側限抗壓強度(UCS)

路面材料的平均無側限抗壓強度值繪制于圖3。由圖3可以看出,原始公路基材的無側限抗壓強度值隨水泥摻量的增加而顯著增加,水泥摻量從0增加到3%時,原始公路基材的無側限抗壓強度值從0.51 MPa增加到5.46 MPa(7 d無側限抗壓強度值);而石英巖的無側限抗壓強度值則從0.49 MPa增加到3.68 MPa(7 d原始公路基材的無側限抗壓強度值)。從圖3還可以看出,原始公路基材的無側限抗壓強度值隨養(yǎng)護時間的增加而顯著增加,從7 d養(yǎng)護時的5.46 MPa增加到28 d養(yǎng)護時的8.99 MPa,而石英巖的無側限抗壓強度則從7 d養(yǎng)護時的3.68 MPa增加到28 d養(yǎng)護時的4.33 MPa。圖4為28 d養(yǎng)護時兩種膠結材料的壓應力-應變曲線圖。

圖3 不同試驗條件下路面材料無側限抗壓強度平均值柱狀圖

圖4 不同膠結路面材料無側限抗壓強度試驗結果曲線圖

3.3 抗彎強度

由圖5可以看出,原始公路基材的抗彎強度隨水泥摻量的增加而顯著增加,水泥摻量為0%時,抗彎強度為0 MPa,水泥摻量為3%時,抗彎強度為1 438 MPa(7 d抗彎強度);而對于石英巖,水泥摻量從0%增加到3%時,其抗彎強度從0 MPa增加到825 MPa(7 d抗彎強度)。由圖5還可以明顯看出,原始公路基材的抗彎強度隨著養(yǎng)護時間的增加而增加,7 d養(yǎng)護時原始公路基材的抗彎強度為1 438 MPa,28 d養(yǎng)護時原始公路基材的抗彎強度為1 578 MPa,而石英巖的抗彎強度則從7 d養(yǎng)護時的825 MPa增加到28 d養(yǎng)護時的1 046 MPa。圖6為28 d養(yǎng)護時兩種膠結材料的拉伸應力-應變曲線圖。

圖5 不同試驗條件下路面材料抗彎強度平均值柱狀圖

圖6 膠結路面材料抗彎強度試驗結果曲線圖

混凝土的綜合強度指標k1、k2是反映混凝土抗彎性能好壞的重要參數,通常k1表示彎曲模量與UCS的比值,k2表示抗彎強度與UCS的比值,可以反映混凝土的質量,比值越大,說明混凝土的抗彎性能越好,混凝土質量也越好。表2所示為不同材料試件的彎曲模量值與k1、k2值。隨著養(yǎng)護時間從7 d增加至28 d,水泥原始公路基材和水泥石英巖的平均彎曲模量分別提高27%和31%。對于膠結的原始公路基材,抗壓強度的增加率高于抗彎強度的增加率,而對于膠結的石英巖,抗壓強度的增加率低于抗彎強度的增加率。同時,《標準》推薦k1值為1 000～1 250,以預測路面設計中現(xiàn)場梁在28 d養(yǎng)護時的彎曲模量。然而,本研究的結果表明,k1值與《標準》推薦的k1值不同,在2 125～2 747,這說明《標準》限值是偏安全的。

表2 材料彎曲模量值與k1、k2值一覽表

3.4 阿特伯格極限與線性收縮

壓實路面基層的穩(wěn)定性和性能也取決于細集料的指標和收縮性能。表3總結了原始公路基材和水泥材料的指標性能和線性收縮性能。

表3 細集料和膠結細集料的性能數值表

由表3可知,3%的水泥會使原始公路基材的液限提高12%,而石英巖的液限提高了22%,膠結石英巖的液限提高值不滿足路面材料的規(guī)范要求。同時,水泥的加入會使原始公路基材的線性收縮降低47%。此外,與原始公路基材相比,石英巖的塑性指數也顯著降低(石英巖塑性指數降低了56%,線性收縮僅減少了13%),但各線性收縮值均滿足路面材料規(guī)范要求。

4 結語

本研究旨在討論水泥穩(wěn)定性材料對路面材料工程性能的影響,包括公路路面機械設計所需的彎曲強度、彎曲模量和無側限抗壓強度。得出如下結論:

(1)壓實試驗結果表明,在路面材料中加入水泥會對路面材料的最佳壓實點產生輕微的影響。

(2)水泥摻量和養(yǎng)護齡期對路面材料的無側限抗壓強度、彎曲模量和彎曲強度均有顯著影響,這些參數均隨水泥摻量和養(yǎng)護周期的增加而增加。

(3)水泥穩(wěn)定路面基層抗拉、抗壓性能隨著水泥摻量的增加和養(yǎng)護周期的延長而顯著提高。在通車前,選擇合適的養(yǎng)護時間對于新建道路至關重要,可以最大限度地減少穩(wěn)定路面基層底部重軸造成的初始損傷。

(4)路面材料的阿特伯格極限和線性收縮也受水泥摻量的顯著影響,建議對膠結路面材料進行阿特伯格極限試驗和線性收縮試驗,以確定膠結路面材料對路面基層施工的適用性。

(5)膠結路面材料的彎曲模量與UCS的比值和彎曲強度與UCS的比值取決于材料、養(yǎng)護齡期、壓實材料初始階段的狀態(tài)。水泥穩(wěn)定路面材料的抗折強度增加率與抗壓強度增加率不同。

未來應重點研究穩(wěn)定路面材料在不同試驗條件下的彎曲疲勞性能表征,包括不同養(yǎng)護周期、不同軸系配置和軸載、不同路面基層厚度等的影響,為水泥穩(wěn)定路面材料的發(fā)展提出更合理的路面設計方法。