孟 旭 范文東 韓 慶

（長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1） 西安 710064）

（長安大學(xué)公路學(xué)院2） 西安 710064）

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院3） 商丘 476000）

0 引 言

厚層水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)由于能提高路面的整體性能而被廣泛使用，已成為我國高等級(jí)公路采用的主要基層結(jié)構(gòu)形式之一.這類厚層結(jié)構(gòu)在施工過程中若采用單層鋪筑，基層上下壓實(shí)度會(huì)出現(xiàn)很大差異，即使是分層施工，也難以有效控制上下基層壓實(shí)度及其差異.基層壓實(shí)度的差異對路面整體使用性能有何影響已開始受到人們的關(guān)注.有研究［1－4］表明，基層整體性能欠佳是引起路面病害的主要原因；上下基層壓實(shí)度差異可導(dǎo)致基層整體性能欠佳，最終引起路面產(chǎn)生嚴(yán)重病害［5－9］.

目前國內(nèi)外有關(guān)壓實(shí)度對基層路用性能影響方面的研究較少，關(guān)于厚層水泥穩(wěn)定碎石基層相關(guān)的研究尚未見報(bào)道.基于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)在壓實(shí)度對基層整體性能的影響方面進(jìn)行了研究，系統(tǒng)分析了基層壓實(shí)度差異對基層力學(xué)性能、抗裂性能和耐久性能，以及對路面整體路用性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為厚層水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)方案及試件成型方法

1.1 試驗(yàn)方案

《公路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034－2000）規(guī)定：水泥穩(wěn)定碎石基層壓實(shí)度不應(yīng)小于98%.因此，本文研究將上部基層壓實(shí)度定為98%作為B基準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，為對比壓實(shí)效果差異導(dǎo)致的影響，再提高上部壓實(shí)度為100%作為A基準(zhǔn)狀態(tài)；同時(shí)，為了模擬現(xiàn)場狀態(tài)對上下基層性能差異進(jìn)行研究，分別將上下部基層壓實(shí)度的差異定為1.5%和3%，并進(jìn)行各項(xiàng)路用性能測試，壓實(shí)度對各項(xiàng)性能影響的測試方案見表1.

表1 壓實(shí)度對各項(xiàng)性能影響的測試方案

1.2 試件成型方法

型試件時(shí)，若下部壓實(shí)度小于上部（以A3為例），根據(jù)壓實(shí)度和試件體積求出所需混合料的質(zhì)量，先成型壓實(shí)度為100%的下部分，在其上部成型97%的上部分，測試時(shí)顛倒上下面.目的在于防止成型上部分時(shí)，增大下部試件的壓實(shí)度.中梁試件的成型方式與圓柱體基本相同.

1.3 試驗(yàn)方法

1）力學(xué)性能試驗(yàn) 按照標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度和最佳含水量成型試件，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生.依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057－94）中的方法進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量試驗(yàn)測試.

2）干縮試驗(yàn) 在最大干密度和最佳含水量的條件下成型98%壓實(shí)度圓柱體試件，成型后立即脫模放入干縮溫變形測量儀中開始試驗(yàn)，用高精度探頭測試剛成型試件的高度，并稱重測試含水量.測試方法是將試件放在上下均平整的面上（如玻璃片），把高精度探頭固定在其表面，在常溫下讓水分自由散失，定期稱試件重量，同時(shí)采集高度變化值，直至水分散失盡為止，最后確定干縮系數(shù)以及干縮率.每組用試件3個(gè)，2個(gè)測試高度變化，1個(gè)稱重測試重量變化.

3）溫縮試驗(yàn) 按標(biāo)準(zhǔn)要求成型中梁試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)生28d.試驗(yàn)中采用干溫縮變形測量儀測試材料的溫縮系數(shù)，將箱內(nèi)溫度降低至最低溫度（－10℃），然后以設(shè)定升溫速度將溫度升高至最高溫度（＋50℃），傳感器將箱內(nèi)溫度傳遞至程序，探頭將高度變化傳遞至程序，程序以設(shè)定方式（如每2min采集一個(gè)點(diǎn)）采集數(shù)據(jù)并繪制成曲線圖.

4）抗沖刷試驗(yàn)方法 在降雨量較大地區(qū)，水進(jìn)入基層后在荷載的作用下會(huì)形成很強(qiáng)的動(dòng)水壓力對基層造成嚴(yán)重的沖刷破壞，因此對基層的抗沖刷性能進(jìn)行評(píng)價(jià)與研究顯得格外重要.本文利用長安大學(xué)自行研制的沖刷儀對養(yǎng)護(hù)28d的水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能進(jìn)行評(píng)價(jià).該沖刷儀的特點(diǎn)是根據(jù)行車產(chǎn)生的荷載對路面基層產(chǎn)生的沖刷進(jìn)行模擬，試驗(yàn)時(shí)將在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生28d并泡水24h的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件固定在沖刷儀上，加入適量的水，使液面超過試件頂面5mm，然后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，5min后，將試件取出，收集沖刷桶里的剩余物并烘干稱重，其沖刷量為

式中：W為單位時(shí)間內(nèi)的沖刷量，g／min；G為t時(shí)間內(nèi)的沖刷重量，g；t為沖刷時(shí)間，min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

1）抗壓強(qiáng)度 壓實(shí)度對厚層水泥穩(wěn)定碎石不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖1.

表2 不同壓實(shí)度7d，90d抗壓強(qiáng)度

圖1 不同壓實(shí)度抗壓強(qiáng)度圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，壓實(shí)度的差異對厚層水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度有明顯影響，在上層壓實(shí)度相同的情況下，下層壓實(shí)度降低會(huì)導(dǎo)致試件各齡期抗壓強(qiáng)度明顯降低，上下層壓實(shí)度差異相同時(shí)，上層壓實(shí)度越高，試件各齡期抗壓強(qiáng)度越高，與A1相比，A2和A3強(qiáng)度降幅分別為9.4%和16.1%，B2和B3的抗壓強(qiáng)度比B1小16.3%和29.0%；試件的抗壓強(qiáng)度與平均壓實(shí)度具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)97%以上；壓實(shí)度差異對試件早齡期抗壓強(qiáng)度比后期的影響更顯著，7d抗壓強(qiáng)度，與A1相比，A2和A3強(qiáng)度降幅分別為9.4%和16.1%，而90d抗壓強(qiáng)度，與A1相比，A2和A3強(qiáng)度降幅分別為5.9%和9.5%，B系列試件的降幅則由7d的16.3%和29.0%減小到8.5%和13.8%，顯示了相同的規(guī)律.分析原因，主要是因?yàn)殡S著齡期延長，水泥水化程度提高，試件的強(qiáng)度逐漸形成，減弱了壓實(shí)度的影響；增加上層的壓實(shí)度雖不能消除上、下壓實(shí)度差異對抗壓強(qiáng)度的影響，但可減弱此影響.

2）劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量 壓實(shí)度對于90d厚層水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量的影響結(jié)果見表3.

分析表3結(jié)果可知，壓實(shí)度差異對厚層水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量有較明顯影響，且規(guī)律相同，即厚層水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量均隨著平均壓實(shí)度降低而減??；不同整體性狀態(tài)對劈裂強(qiáng)度的影響比抗壓回彈模量更明顯，在上層100%壓實(shí)度（Ai）情況下，下層壓實(shí)度每降低1.5%，劈裂強(qiáng)度降幅分別為8.6%和12.9%；上層壓實(shí)度98%時(shí)，下層壓實(shí)度每降低1.5%，劈裂強(qiáng)度降幅分別為11.4%和20.3%；而同樣條件下，上層100%壓實(shí)度對應(yīng)的抗壓回彈模量降幅分別為5.94%和10.46%，上層98%壓實(shí)度對應(yīng)的抗壓回彈模量降幅則分別為4.02%和12.19%.

表3 壓實(shí)度對于90d厚層水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量的影響

2.2 耐久性能

1）干縮性能 壓實(shí)度對厚層水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響見圖2.

圖2 壓實(shí)度對厚層水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響

由圖2可知，壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能有明顯影響，隨著平均壓實(shí)度增大，厚層水泥穩(wěn)定碎石的干縮變形越??；隨著齡期延長，其干縮變形增大.這主要是因?yàn)殡S著壓實(shí)度增大，水泥穩(wěn)定碎石更加密實(shí)，其內(nèi)部孔隙率降低，不利于內(nèi)部水分向外逸出，水分散失慢，變形降低.

2）溫縮性能 圖3～4分別為壓實(shí)度對28d齡期水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)和溫縮變形的影響結(jié)果.由圖所示結(jié)果可知，隨著平均壓實(shí)度降低，水泥穩(wěn)定碎石的的溫縮系數(shù)和溫縮變形增大；下層壓實(shí)度降幅相同的情況下，上層壓實(shí)度越高，溫縮系數(shù)增幅越低，在上層100%壓實(shí)度（Ai）情況下，下層壓實(shí)度每降1.5%，平均溫縮系數(shù)增幅分別為5.89%和12.21%，而上層98%壓實(shí)度（Bi）對應(yīng)的增幅分別為6.61%和13.86%.這可能主要是因?yàn)閴簩?shí)度越小，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部空氣擠出量越小，包裹的空氣越多，在溫度變化時(shí)，由此產(chǎn)生的體積膨脹越大，水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)和溫度變形也就越大.

圖3 壓實(shí)度對28d齡期水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)的影響

圖4 壓實(shí)度對28d齡期水泥穩(wěn)定碎石溫縮變形的影響

3）抗沖刷性能 壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的影響結(jié)果見表4.由結(jié)果可知，隨著平均壓實(shí)度降低，水泥穩(wěn)定碎石的總沖刷量越大，其抗沖刷性能越差；在壓實(shí)度降幅相同條件下，上層壓實(shí)度越大，水泥穩(wěn)定碎石的沖刷量增幅越小，當(dāng)上層壓實(shí)度（Ai）為100%時(shí)，下層壓實(shí)度每降1.5%，平均沖刷量增幅分別為5.6%和22.4%；而上層壓實(shí)度（Bi）為98%時(shí)，對應(yīng)的平均沖刷量增幅則分別為54.3%和83.0%.

分析原因，主要可能是因?yàn)閴簩?shí)度越高，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部孔隙率越小，膠凝材料及其與碎石顆粒之間接觸面積越大，隨著水泥水化進(jìn)行，它們之間的粘結(jié)強(qiáng)度也越高，當(dāng)受到水分沖刷時(shí)，較小的孔隙率降低了水分在材料中的遷移速度和遷移量，而且較高的粘結(jié)強(qiáng)度也進(jìn)一步增大了水分破壞已有結(jié)構(gòu)的阻力，所以表現(xiàn)出隨著壓實(shí)度增大，水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷能力越強(qiáng)的現(xiàn)象.

表4 壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的影響結(jié)果

3 結(jié) 論

1）壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度等力學(xué)性能有顯著影響，在壓實(shí)度降低幅值相同條件下，上層壓實(shí)度越高，對應(yīng)的力學(xué)性能降幅越小；隨著水泥水化進(jìn)行，可以消除壓實(shí)度的不利影響，壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定碎石早期抗壓強(qiáng)度比后期影響更顯著.

2）增加壓實(shí)度、提高整體性可減小水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的孔隙率，降低結(jié)構(gòu)包裹氣體含量，阻止內(nèi)部水分逸出，可降低材料的干縮和溫縮.

3）增加壓實(shí)度、提高整體性可降低水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的孔隙率，降低水分在材料中的遷移速度和遷移量，同時(shí)可增大膠凝材料及其與碎石顆粒的粘接面積，有利于發(fā)揮水泥的粘結(jié)性能，從而提高材料的抗沖刷性能.

［1］Concrete Sludge Use Committee.Data from the con－crete sludge use committee report by the committee for a symposium on the use of concrete sludge［J］.Concrete Engineering，1996，I3－I9.

［2］Marco P，Rabinder K.Admixture for recyling of waste concrete［J］.Cement and Concrete Composites，1998（20）：221－229.

［3］Toraok.Utilizing All Retimed Concrete［J］.Fresh.Concrete Monthly，1995.14（3）：9－l2.

［4］沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［5］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTJE51－2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［6］趙久柄，王正良.西－寶高速公路粗粒土路基壓實(shí)度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.國外公路，1996（6）：12－16.

［7］梅傳江，牛 朋.水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能研究［J］.公路交通科技，2002，19（3）：35－37.

［8］彭加武.厚層水泥穩(wěn)定碎石基層病害機(jī)理分析及處置對策研究［D］.西安：長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2009.

［9］王化海，隋向輝，王文忠.半剛性基層材料的試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2007，33（7）：176－178.