路面韌性基層材料的路用性能冷熱循環(huán)試驗(yàn)研究

楊牧盤

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥　230088)

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路面韌性基層材料的路用性能冷熱循環(huán)試驗(yàn)研究

楊牧盤

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：為研究公路路面韌性基層結(jié)構(gòu)技術(shù)，通過對(duì)配合比為0.5%的Soilfix改良粉砂土，進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、冷熱循環(huán)試驗(yàn)，文章主要研究通過冷熱循環(huán)試驗(yàn)，來研究分析路面韌性基層材料的路用性能，從而提出了柔性路面的韌性基層結(jié)構(gòu)方法。

關(guān)鍵詞：韌性基層；粉砂土；Soilfix固化劑；冷熱循環(huán)；試驗(yàn)

0引言

公路路面設(shè)計(jì)使用年限一般為15 a，但目前我國公路路面大多數(shù)都是半剛性基層路面，公路路面的實(shí)際使用壽命5～8 a，甚至更少，其主要原因一是公路運(yùn)營中重車超載現(xiàn)象較多，另一個(gè)重要原因是半剛性基層路面的技術(shù)特點(diǎn)易過早地引起路面損壞現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在：

(1) 半剛性基層路面抗拉能力相對(duì)比較小，變形能力差，容易產(chǎn)生路面的推移和車轍現(xiàn)象[1-2]。

(2) 半剛性基層路面容易產(chǎn)生很多干縮、溫縮裂縫，削弱了路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，加速了面層的破壞[3]。

(3) 半剛性基層路面的抗疲勞性差，半剛性基層的強(qiáng)度會(huì)由于干濕和凍融循環(huán)[4]，在反復(fù)荷載的作用下而逐漸衰減。

(4) 半剛性基層路面開裂后沒有愈合能力，給路面維修及養(yǎng)護(hù)帶來巨大的困難。

為此，人們試圖通過尋求新型材料的方式，采用柔性基層材料代替容易發(fā)生病害的半剛性基層材料[5]，以解決上述工程問題。近年來，歐美、南非等國家開發(fā)了Soilfix高分子固化劑結(jié)合料作為公路基層的韌性基層薄瀝青面層路面的新型道路設(shè)計(jì)。國外實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)例表明，Soilfix結(jié)合料韌性基層結(jié)構(gòu)同時(shí)兼具半剛性基層的強(qiáng)度和柔性基層的抗疲勞性強(qiáng)的柔性特點(diǎn)，可直接利用填土路基的土料拌和聚合乳化膠結(jié)劑，再拌和聚合乳化膠結(jié)劑形成Soilfix韌性路面基層或底基層結(jié)構(gòu)，這不僅使路面結(jié)構(gòu)更為合理，而且能大大降低工程造價(jià)。利用聚合乳化膠結(jié)料穩(wěn)定材料進(jìn)行多層彈性理論的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其路面對(duì)水的穩(wěn)定性好以及抗溫縮能力強(qiáng)，可以有效控制瀝青路面的開裂，減少水損壞和車轍的發(fā)生。我國近年來已在國內(nèi)開展了一定的前期試驗(yàn)研究。

文獻(xiàn)[6]在2010年對(duì)Soilfix聚合物穩(wěn)定基層進(jìn)行了路面應(yīng)用研究，證明Soilfix聚合物穩(wěn)定基層的可行性。

文獻(xiàn)[7]在2011年對(duì)Soilfix聚合物穩(wěn)定砂礫基層進(jìn)行了分析研究，證明了Soilfix聚合物穩(wěn)定砂礫基層的強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。

國內(nèi)外公路的路面結(jié)構(gòu)研究已由半剛性基層路面結(jié)構(gòu)發(fā)展為柔性路面結(jié)構(gòu)，Soilfix穩(wěn)定結(jié)合料韌性基層結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外一種最新提出的路面結(jié)構(gòu)。國內(nèi)已經(jīng)開展了Soilfix穩(wěn)定碎石或砂礫基層的相關(guān)研究工作，因此開展Soilfix穩(wěn)定土韌性基層的研究是當(dāng)前的新型技術(shù)。

1試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)際工程中，公路路面路基不僅處于一個(gè)反復(fù)的干-濕循環(huán)狀態(tài)，還處于一個(gè)反復(fù)的冷熱循環(huán)狀態(tài)，在夏季溫度升高，冬季溫度降低。所以，在考慮Soilfix改良粉砂土干濕循環(huán)條件下的疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，還要考慮公路固化劑改良土在冷熱循環(huán)下的強(qiáng)度值，以此強(qiáng)度值作為設(shè)計(jì)參考，可保證公路路面路基設(shè)計(jì)的安全性。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)結(jié)果，公路基層的溫度變化基本處于-20 ℃到20 ℃的區(qū)間，在室內(nèi)試驗(yàn)中可以通過如下方法模擬現(xiàn)場溫度：先將制備好的試樣用塑料薄膜密封，保持含水率不變，放置于-20 ℃冷凍室里面24 h，然后放入20 ℃的溫水或者20 ℃的烘箱中恒溫12 h，如此可以模擬一次冷熱循環(huán)過程；之后再放入冷凍室里進(jìn)行冷凍；對(duì)試樣進(jìn)行5次、10次、15次、20次冷熱循環(huán)后進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)、無側(cè)限強(qiáng)度和CBR試驗(yàn)。

2無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

制備并風(fēng)干養(yǎng)護(hù)好試樣后，測量其質(zhì)量，然后將試件用保鮮膜密封，保持其含水率不變，進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的冷熱循環(huán)試驗(yàn)；然后把試件從保鮮膜中取出，測其質(zhì)量基本一致，證明其含水率不變，然后根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1所列和圖1所示。

表1　冷熱循環(huán)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

圖1冷熱循環(huán)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

表1和圖1表明，冷熱循環(huán)對(duì)Soilfix改良粉砂土強(qiáng)度有影響，在5次循環(huán)之前，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著冷熱循環(huán)的進(jìn)行而衰減很快，超過5次循環(huán)后，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。經(jīng)過20次冷熱循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定于1.14 MPa，遠(yuǎn)超過素土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(46.7 kPa)表明Soilfix對(duì)粉砂土固化效果還是比較理想的。

試樣抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性?？箖鲂栽u(píng)價(jià)指標(biāo)為抗凍系數(shù)，即為試樣經(jīng)反復(fù)凍融后的抗壓強(qiáng)度與凍融前抗壓強(qiáng)度之比，抗凍系數(shù)的公式為

(1)

其中，K凍為抗凍系數(shù)；R凍為材料凍融后的強(qiáng)度；Rc為材料凍融前的強(qiáng)度。

根據(jù)(1)式對(duì)表1進(jìn)行抗凍系數(shù)計(jì)算，得到表2的結(jié)果?？箖鱿禂?shù)變化規(guī)律，如圖2所示。

表2　冷熱循環(huán)抗凍系數(shù)

圖2抗凍系數(shù)隨冷熱循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增長，抗凍系數(shù)在經(jīng)歷10次冷熱循環(huán)前先迅速減小，而后在經(jīng)歷10次冷熱循環(huán)后，抗凍系數(shù)基本穩(wěn)定，最后經(jīng)過20次冷熱循環(huán)后抗凍系數(shù)為79.9%，可見Soilfix路面韌性基層材料的抗凍系數(shù)比較優(yōu)良。

3回彈模量試驗(yàn)

試驗(yàn)先測量制備養(yǎng)護(hù)好后的試樣的質(zhì)量，然后將其用保鮮膜密封，保持其含水率不變，待進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，拆掉保鮮薄膜，測其質(zhì)量基本一致，證明試樣冷熱循環(huán)后的含水率不變，然后根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3所列和圖3所示。

表3　冷熱循環(huán)下回彈模量損耗強(qiáng)度

圖3冷熱循環(huán)下的回彈模量試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明，Soilfix改良粉砂土的回彈模量會(huì)隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加而衰減，在5次循環(huán)之前，回彈模量變化不大，在5～15次冷熱循環(huán)的時(shí)候，回彈模量有一定程度的下降，最后15～20次冷熱循環(huán)時(shí)，回彈模量趨于穩(wěn)定。

4CBR試驗(yàn)

將制備好的試樣自然風(fēng)干7 d后，測量每個(gè)試樣的質(zhì)量，然后將試件用保鮮膜密封，保持其含水率不變，待完成規(guī)定次數(shù)冷熱循環(huán)試驗(yàn)后把試樣從保鮮膜中取出，測其質(zhì)量基本一致，證明其含水率不變，然后將試件泡水96 h，測其膨脹量，最后根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行試驗(yàn)貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4所列和圖4所示。

表4　冷熱循環(huán)下的CBR損耗強(qiáng)度

圖4冷熱循環(huán)下的CBR試驗(yàn)

從表4和圖4中可以看出，冷熱循環(huán)對(duì)Soilfix改良粉砂土的CBR強(qiáng)度有一定影響。當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于10次時(shí)，CBR隨著循環(huán)次數(shù)的增加緩慢減??；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為10到15次時(shí)，CBR強(qiáng)度會(huì)發(fā)生斜率很大的衰減；而當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過15次時(shí)，CBR強(qiáng)度會(huì)趨于穩(wěn)定(23.6)。

5冷熱循環(huán)對(duì)疲勞強(qiáng)度影響分析

從圖5中可以看出，沒有經(jīng)過冷熱循環(huán)的試樣表面平滑，而經(jīng)過冷熱循環(huán)后，試樣表面出現(xiàn)了很多微裂縫，表面也變得很粗糙，且土表面有部分空隙。

冷熱循環(huán)衰減Soilfix改良粉土的強(qiáng)度的原因可能是：由于Soilfix聚合物是多相復(fù)合材料，各種材料的溫縮特性差異較大，在溫度變化時(shí)，各材料隨溫度升降而發(fā)生的體積縮脹不同，會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致不均勻變形，從而使試樣某些地方空隙率變大，尤其是在溫度驟升驟低時(shí)，該現(xiàn)象更為嚴(yán)重；同時(shí)，試樣內(nèi)部本身存在較為薄弱的部位或是部分未連通的微小空隙，在水分和凍融的雙重作用下，試樣內(nèi)部薄弱部位松散或微小孔隙連通導(dǎo)致空隙率增大，試樣內(nèi)部Soilfix聚合物在水的影響下，會(huì)在土中形成不均勻分布，影響固化劑的膠結(jié)力，從而使試件的強(qiáng)度減小。

凍融循環(huán)后期，由于試樣內(nèi)部薄弱部位或可連通的孔隙越來越少，后期在凍融循環(huán)作用下孔隙無法繼續(xù)發(fā)展，且試樣中的水分有限，在凍融過程中水分的遷移、集聚和膨脹作用有限，因此，在凍融循環(huán)次數(shù)大的時(shí)候，試樣的空隙率基本穩(wěn)定，所以強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

圖5　冷熱循環(huán)前(左)后(右)試樣表面對(duì)比

6結(jié)束語

(1) 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，冷熱循環(huán)會(huì)衰減Soilfix固化劑改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR和回彈模量，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，冷熱循環(huán)對(duì)改良土的強(qiáng)度的影響程度越來越不明顯，最后改良粉土的強(qiáng)度會(huì)在15次冷熱循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

(2) Soilfix固化劑改良粉砂土在冷熱循環(huán)的影響下，會(huì)發(fā)生水分的內(nèi)部遷移，使Soilfix固化劑在土中分布不均；同時(shí)冷熱循環(huán)的溫度變化也會(huì)引起土樣的空隙率增大，影響試樣的強(qiáng)度。隨著循環(huán)次數(shù)的增大，空隙率基本穩(wěn)定，水的作用也越發(fā)不明顯，最后試樣的強(qiáng)度會(huì)在15次冷熱循環(huán)后趨于穩(wěn)定[10]。

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[10]楊牧盤.公路路面韌性基層結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué)，2012.

收稿日期：2016-01-14；修改日期：2016-01-19

作者簡介：楊牧盤(1976-)，女，安徽安慶人，安徽省交通控股集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師．

中圖分類號(hào)：U416.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)01-0091-03