(益陽市資陽區(qū)交通運(yùn)輸局, 湖南 益陽 413000)
天然礦物土壤穩(wěn)定劑水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度試驗(yàn)研究
劉勇
(益陽市資陽區(qū)交通運(yùn)輸局, 湖南 益陽 413000)
采用2種壓實(shí)度分別成型基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土、對比水泥穩(wěn)定土(添加穩(wěn)定劑)試件,采用3種水泥穩(wěn)定土養(yǎng)護(hù)方法,探究壓實(shí)度、浸水24 h條件和養(yǎng)護(hù)方法對水泥穩(wěn)定土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明:養(yǎng)生方法3是水泥穩(wěn)定土最適宜的養(yǎng)生方法,壓實(shí)度由87.7%提高至98.0%,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值至少提高20%以上。浸水24 h條件對水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度具有削弱作用,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土、對比水泥穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度分別降低約15%~19%、22%~26%。穩(wěn)定劑能夠有效提高水泥穩(wěn)定土試件的的早期強(qiáng)度,對水泥穩(wěn)定土最終強(qiáng)度也有所提高,但提高幅度不大,約提高4%~5%。
土壤穩(wěn)定劑; 水泥穩(wěn)定土; 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度; 壓實(shí)度
半剛性基層材料取材廣、造價低廉,且強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性及抗沖刷能力好,作為路面結(jié)構(gòu)的主要承擔(dān)承重功能[1-3]。然而半剛性材料的缺點(diǎn)為抗變形能力低、脆性大,在濕度或溫度變化時易產(chǎn)生開裂,如果在施工期間失水過多或者溫度過低,基層內(nèi)會產(chǎn)生微裂紋或宏觀裂縫,鋪筑完面層后,在溫度和車輛荷載的反復(fù)作用下,基層中的裂縫就會向上發(fā)展形成反射裂縫。半剛性基層材料只有在保證其結(jié)構(gòu)整體性的前提下才能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn),一旦基層中產(chǎn)生裂縫(干縮、溫縮和荷載疲勞開裂),半剛性基層則喪失其結(jié)構(gòu)整體性和連續(xù)性,進(jìn)而在車輛荷載作用、路表雨水滲入、環(huán)境溫度交替變化等因素聯(lián)合作用下,裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,逐漸發(fā)展成橫向裂縫、縱向裂縫乃至局部的網(wǎng)裂,并最終產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。沖刷形成板底脫空,破碎,甚至降級為粒料基層[4-6]。
向土壤中添加一定含量的水泥經(jīng)加水拌合攤鋪碾壓凝結(jié)硬化后形成的水泥穩(wěn)定土半剛性基層,主要存在以下3個不利特征: ①水泥穩(wěn)定土的干縮系數(shù)和干縮應(yīng)變以及溫縮系數(shù)明顯大于水泥穩(wěn)定砂礫和水泥穩(wěn)定碎石,容易產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮裂縫,影響瀝青面層;②在強(qiáng)度沒有充分形成以前,若水由表面滲入,水泥穩(wěn)定土混合料易發(fā)生軟化,而即使是幾毫米的軟化層也會導(dǎo)致瀝青面層龜裂破壞;③水泥穩(wěn)定土的抗沖刷能力明顯小于水泥穩(wěn)定水泥,一旦表面水由面層滲入基層后,容易產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象[7-9]。也正是由于以上三點(diǎn)不足,規(guī)范禁止水泥穩(wěn)定土作為高級瀝青路面的基層,僅作為底基層用料。使得在一些缺乏石料的地區(qū)(基層用料)和鄉(xiāng)村非等級(表面層用料)的鋪筑階段,不得不遠(yuǎn)距離購買石料,成本顯著提高,且山體開采加劇。
為了使水泥穩(wěn)定土能夠滿足高等級公路基層的路用性能要求,因此,本文依托某水泥穩(wěn)定土穩(wěn)定劑開展水泥穩(wěn)定土的性能研究,目的在于為我國的路面結(jié)構(gòu)提供一種可靠的基層混合料;為缺乏石料的地區(qū)提供一種可靠的基層混合料;強(qiáng)度持平(甚至超過)水泥穩(wěn)定碎石。
本文所使用的土壤穩(wěn)定劑為白色粉末狀天然物質(zhì),密度為1.032 g/cm3,配合比試驗(yàn)各原材料比例:膠結(jié)料(水泥+穩(wěn)定劑)用量12%(內(nèi)摻法),穩(wěn)定劑用量為水泥用量的2%,土壤88%;最佳含水率建議采用重型擊實(shí)法。
按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]的方法(錐質(zhì)量76 g),得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。對土樣的含水率和錐入深度進(jìn)行雙對數(shù)坐標(biāo)擬合,擬合函數(shù)關(guān)系式見圖1。
表1 界限含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表編號含水量/%含水量對數(shù)錐入深度/mm試驗(yàn)1試驗(yàn)2平均值/mm平均值對數(shù)143316416917117012323581558483840923215133111413010
圖1 錐入深度與含水率雙對數(shù)坐標(biāo)線性擬合
由圖1雙對數(shù)函數(shù)關(guān)系式計算測試土樣的液限ωL=43.3%;塑限ωP=24.4%。塑性指數(shù)Ip=ωL-ωP=43.3%-24.4%=18.9%。采用烘干法對土樣的天然含水率進(jìn)行檢測,以確定配合比設(shè)計過程實(shí)際加水量。檢測得土樣天然含水率為23.7%。
按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]的方法,采用“干土法”(重型擊實(shí))進(jìn)行土的擊實(shí)試驗(yàn),以2%~3%含水率為間隔擬定5個等梯度含水量,測定土的最大干密度、最佳含水量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、圖2。
表2 土的擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)試件編號擬加含水率/%實(shí)測含水率/%干密度/(g·cm-3)1140137166321601641754318018617584200215170552202271685
圖2 土的擊實(shí)試驗(yàn)干密度與含水率關(guān)系曲線
由表2數(shù)據(jù)及圖2擬合曲線計算得,土的最大干密度為1.763 g/cm3,對應(yīng)的最佳含水率為18.3%。土樣的擊實(shí)曲線較陡,說明含水量的增減對原樣土性狀的影響較為顯著,水穩(wěn)定性較差。
對比水泥穩(wěn)定土的擊實(shí)試驗(yàn)按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[11]的方法(丙法)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3、圖3。
表3 水泥穩(wěn)定土(穩(wěn)定劑)重型擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)試件編號擬加含水率/%實(shí)測含水率/%干密度/(g·cm-3)1140130175421901771778322020617564240230171552602421658
圖3 對比水泥穩(wěn)定土重型擊實(shí)試驗(yàn)含水率與干密度關(guān)系曲線
對比水泥穩(wěn)定土的最大干密度為1.786 g/cm3,對應(yīng)的最佳含水率為16.9%。比較對比水泥穩(wěn)定土與原樣土的重型擊實(shí)曲線,對比水泥穩(wěn)定土的重型擊實(shí)曲線比原樣土要平緩,在較廣域的含水量范圍類水泥穩(wěn)定土能夠通過擊實(shí)獲得較大的干密度,空隙比較低,飽和度較大。表明通過水泥以及本穩(wěn)定劑的固化改善后,土樣的水穩(wěn)定性得到改善,不會因?yàn)檩^小含水率的變化就誘發(fā)水泥穩(wěn)定土的物理性質(zhì)的較大削減。
考慮到擊實(shí)試驗(yàn)過程實(shí)際拌和水分的損失,水泥穩(wěn)定土的拌和過程含水率應(yīng)比最佳含水率增加1.5%左右,拌和含水率采用18.5%。采用內(nèi)摻法膠結(jié)料(水泥+穩(wěn)定劑)用量12%,穩(wěn)定劑用量占水泥質(zhì)量的2%,土壤88%。最終確定水泥穩(wěn)定土的配合比為水∶干土∶水泥∶穩(wěn)定劑=18.50∶88.00∶11.76∶0.24。
試件的養(yǎng)生:方法1,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件(濕度不小于95%,溫度(20±2)℃)養(yǎng)護(hù)3 d,3 d后移出養(yǎng)生室,置于濕度50%±5%、溫度(20±2)℃養(yǎng)護(hù)箱至規(guī)定齡期,不浸水直接試驗(yàn);方法2,我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的養(yǎng)生方法,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件養(yǎng)生至規(guī)定齡期,規(guī)定齡期的最后一天浸水24 h;方法3為方法1和方法2的結(jié)合,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件養(yǎng)護(hù)3 d,3 d后移出養(yǎng)生室,置于濕度50%±5%、溫度(20±2)℃養(yǎng)護(hù)箱至規(guī)定齡期,規(guī)定齡期的最后一天浸水24 h。以探究養(yǎng)護(hù)方法(主要是養(yǎng)護(hù)過程養(yǎng)護(hù)濕度)對試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。其中方法2和方法3養(yǎng)生條件不同,試驗(yàn)條件相同。
試件的成型: 成型試件尺寸為100 mm×100 mm。第1批試件分別為87.7%壓實(shí)度的基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件和對比水泥穩(wěn)定土試件,養(yǎng)生方法為方法1;第2批試件分別為98%壓實(shí)度的基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件和對比水泥穩(wěn)定土試件,養(yǎng)生方法為方法2。第3批試件分別為98%壓實(shí)度的基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件和對比水泥穩(wěn)定土試件,養(yǎng)生方法為方法3。以分別探究穩(wěn)定劑和壓實(shí)度對試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。同時為探究無側(cè)限抗壓強(qiáng)度養(yǎng)生最后一天的飽水步驟對試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,特對養(yǎng)生至7 d齡期的第2批試件進(jìn)行飽水前后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
采用方法1、方法2和方法3分別對第1批試件、第2批試件和第3批試件進(jìn)行養(yǎng)生。3批水泥穩(wěn)定土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總見表4。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展態(tài)勢圖見圖4。
表4 水泥穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果試件是否添加穩(wěn)定劑齡期/d平均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPaCv/%95%概率值/MPa90%概率值/MPa7380290083435是14400160043738第1批(飽水前)284301200341427250080032323否1438007002373728400080023939第2批(飽水前)是7250130052323否7230180082021第2批(飽水后)是721024011171814300190062728否7190120061717142201000520217350150043334是14470200044444第3批(飽水后)285501400353537290180062627否1440016004373828540170035151
圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度態(tài)勢圖
由圖4知: 第3批試件折線在圖中最上方,即抗壓強(qiáng)度最大;第2批試件折線在圖中最下方;第1批試件折線在圖中部位置。第1批試件壓實(shí)度小于第2批試件,抗壓強(qiáng)度反而大于第2批試件,表明養(yǎng)生方法1優(yōu)于養(yǎng)護(hù)方法2。第2批和第3批試件壓實(shí)度均為98.0%,最具可比性,第3批試件抗壓強(qiáng)度大于第2批試件,表明養(yǎng)護(hù)方法3優(yōu)于養(yǎng)護(hù)方法2。采用養(yǎng)生方法2導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度較低的原因,是養(yǎng)生過程中試件持續(xù)儲存在不小于95%濕度環(huán)境中,在試件強(qiáng)度尚未形成之前,土顆粒不斷吸水軟化,進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度無法形成。
養(yǎng)生方法1和方法3相比,僅是養(yǎng)生至規(guī)定齡期的最后一天是否浸水24 h的區(qū)別,我國公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件養(yǎng)生至規(guī)定齡期的最后一天需浸水24 h。且公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范、公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則中對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定均是在浸水24 h條件下進(jìn)行試驗(yàn),因此,養(yǎng)生方法3是水泥穩(wěn)定土最適宜的養(yǎng)生方法。
為比較養(yǎng)生最后一天浸水24 h條件對水泥穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度的影響,特分別檢測養(yǎng)生至7 d齡期的第2批試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表5。
表5 飽水前后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果試件是否添加穩(wěn)定劑平均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPaCv/%95%概率值/MPa90%概率值/MPa飽水前是250130052323否230180082021飽水后是210240111718否190120061717
對于基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件浸水前后,95%保證率抗壓強(qiáng)度的比值為0.85,90%保證率抗壓強(qiáng)度的比值為0.81;對于對比水泥穩(wěn)定土試件浸水前后,95%保證率抗壓強(qiáng)度的比值為0.74,90%保證率抗壓強(qiáng)度的比值為0.78。表明浸水24 h條件對水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度具有削弱作用,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件抗壓強(qiáng)度約降低15%~19%,對比水泥穩(wěn)定土試件抗壓強(qiáng)度約降低22%~26%。因此,為保證與我國瀝青路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算過程半剛性材料計算參數(shù)取值試驗(yàn)條件一致,在檢測抗壓強(qiáng)度前24 h的浸水條件不能省略。
將第3批試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與第1批進(jìn)行對比,以確定壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定土試件抗壓強(qiáng)度的影響。為了消除第1批試件和第3批試件試驗(yàn)前有無24 h浸水條件的影響,特采用本文2.3節(jié)的分析結(jié)果,分別將第3批試件中基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土及對比水泥穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度提高17%、24%。強(qiáng)度調(diào)整后的兩批試件的抗壓強(qiáng)度比值見表6。
表6 第3批與第1批試件的抗壓強(qiáng)度比值是否添加穩(wěn)定劑保證率/%不同齡期(d)的抗壓強(qiáng)底比值71428是95120147160否132117153是90120144156否137120153
壓實(shí)度由87.7%提高至98.0%,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件95%、90%保證率的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高分別32%~53%、37%~53%,隨著齡期的增大提高幅度隨之增大,28 d提高幅度為53%;添加穩(wěn)定劑水泥穩(wěn)定土試件95%、90%保證率的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高分別20%~60%、20%~56%,同樣隨著齡期的增大提高幅度隨之增大,28 d提高幅度達(dá)60%。因此,壓實(shí)度的提高能夠有效提高水泥穩(wěn)定土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
將水泥穩(wěn)定土95%保證率無側(cè)限抗壓強(qiáng)對數(shù)與齡期對數(shù)進(jìn)行雙對數(shù)坐標(biāo)線性擬合,擬合線性見圖5。
圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期雙對數(shù)坐標(biāo)擬合
經(jīng)擬合得各批試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期雙對數(shù)函數(shù)關(guān)系式,見式(1)~式(6)。
第1批(基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土):
P=0.38N+0.16
(1)
第2批(基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土):
P=0.23N+0.07
(2)
第3批(基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土):
P=0.49N+0.02
(3)
第1批(對比水泥穩(wěn)定土):
P=0.14N+0.96
(4)
第2批(對比水泥穩(wěn)定土):
P=0.67N-0.77
(5)
第3批(對比水泥穩(wěn)定土):
P=0.34N+0.55
(6)
式中:P為試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的自然對數(shù),N為試件養(yǎng)生齡期的自然對數(shù)。
采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期雙對數(shù)函數(shù)關(guān)系式計算第2批試件28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,計算各批試件7 d、14 d強(qiáng)度達(dá)28 d強(qiáng)度的百分比,以探究水泥穩(wěn)定土試件強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律,結(jié)果見表7。
表7 7d、14d強(qiáng)度達(dá)28d強(qiáng)度的百分比試件有無穩(wěn)定劑壓實(shí)度/%R7/R28/%R14/R28/%第1批有88829902無590949第2批有737867無98623830第3批有623830無510725
由圖4知: 3批試件中對比水泥穩(wěn)定土試件抗壓強(qiáng)度折線均在基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土上方;表明穩(wěn)定劑的添加能夠提高水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由表7知,對比水泥穩(wěn)定土試件R7/R28和R14/R28均較基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件大,對比水泥穩(wěn)定土試件的7 d、14 d抗壓強(qiáng)度更接近28 d最終強(qiáng)度,表明穩(wěn)定劑的添加能夠有效提高水泥穩(wěn)定土的早期強(qiáng)度。
為進(jìn)一步探究穩(wěn)定劑對水泥穩(wěn)定土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,計算添加穩(wěn)定劑與基準(zhǔn)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值,見表8。
表8 添加穩(wěn)定劑與基準(zhǔn)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值試件不同齡期(d)的抗壓強(qiáng)度比值71428第1批148100105第2批100135187第3批127119104
表8知:添加穩(wěn)定劑與基準(zhǔn)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值均大于或等于1.00。第2批試件采用養(yǎng)生方式2,在養(yǎng)生期間持續(xù)處于高濕度環(huán)境(濕度不小于95%,且養(yǎng)生期間每天灑水3~4次),使得試件在強(qiáng)度未形成前吸水軟化,延緩了試件的強(qiáng)度發(fā)展,雙對數(shù)坐標(biāo)擬合函數(shù)關(guān)系式計算表明,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土試件28 d強(qiáng)度僅有2.31 MPa,添加穩(wěn)定劑的試件28 d強(qiáng)度仍能恢復(fù)正常值4.32 MPa。表明在處于高濕度環(huán)境條件下時,抗壓強(qiáng)度雖然發(fā)展較為緩慢,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度不能發(fā)展至正常強(qiáng)度水平(適宜養(yǎng)生條件達(dá)到的強(qiáng)度),但穩(wěn)定劑的加入仍能保證試件強(qiáng)度逐漸恢復(fù)至正常值。在濕度較大的不良地質(zhì)條件下,向水泥穩(wěn)定土中加入本穩(wěn)定劑效果顯著。第1批和第3批試件7 d時比值最大,28 d時比值接近1.00,表明在適宜養(yǎng)生條件下,穩(wěn)定劑能夠有效提高水泥穩(wěn)定土試件的的早期強(qiáng)度,對水泥穩(wěn)定土最終強(qiáng)度也有所提高,但提高幅度不大,約提高4%~5%。
1) 對比水泥穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為3.3 MPa,符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》各等級公路底基層和基層混合料強(qiáng)度要求;《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》各等級公路底基層強(qiáng)度要求、二級及以下公路等級各交通等級以及高速和一級公路中、輕交通等級要求。
2) 在處于高濕度環(huán)境條件下時,抗壓強(qiáng)度雖然發(fā)展較為緩慢,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度不能發(fā)展至正常強(qiáng)度水平(適宜養(yǎng)生條件達(dá)到的強(qiáng)度),但穩(wěn)定劑的加入仍能保證試件強(qiáng)度逐漸恢復(fù)至正常值。在濕度較大的不良地質(zhì)條件下,向水泥穩(wěn)定土中加入本穩(wěn)定劑效果顯著。
3) 分別采用養(yǎng)生方法1、方法2和方法3對基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土和對比水泥穩(wěn)定土的第1批、第2批和第3批試件進(jìn)行養(yǎng)生,進(jìn)行7 d、14 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,考慮我國水泥穩(wěn)定類材料的試驗(yàn)規(guī)程,確定養(yǎng)生方法3是水泥穩(wěn)定土最適宜的養(yǎng)生方法。
4) 浸水24 h條件對水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度具有削弱作用,基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定土、對比水泥穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度分別降低約15%~19%、22%~26%。
5) 壓實(shí)度的提高能夠有效提高水泥穩(wěn)定土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,壓實(shí)度由87.7%提高至98.0%,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值至少提高20%以上。
6) 在適宜養(yǎng)生條件下,穩(wěn)定劑能夠有效提高水泥穩(wěn)定土試件的的早期強(qiáng)度,對水泥穩(wěn)定土最終強(qiáng)度也有所提高,但提高幅度不大,約提高4%~5%。
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1008-844X(2017)03-0075-05
U 416.1
A
2016-11-17
劉 勇(1978-),男,工程師,主要從事公路橋梁工作。