含水率對(duì)穩(wěn)定碎石土力學(xué)特性影響的試驗(yàn)分析

肖國(guó)亮

(四川交投建設(shè)工程股份有限公司,四川 成都 610047)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。公路建設(shè)過程中需要用到大量石材,整個(gè)開采以及應(yīng)用過程會(huì)造成大量的浪費(fèi)以及環(huán)境污染,所以越來越多的公路建設(shè)采用穩(wěn)定碎石土當(dāng)作底基層。穩(wěn)定碎石土的力學(xué)性能會(huì)受到很多因素的影響,但是以往的試驗(yàn)主要針對(duì)的是水泥用量、級(jí)配以及固化劑摻入量進(jìn)行的研究,有關(guān)含水率對(duì)于穩(wěn)定碎石土力學(xué)性能的研究較少，所以進(jìn)行含水率對(duì)于穩(wěn)定碎石土力學(xué)特性影響的試驗(yàn)分析,對(duì)于進(jìn)一步確定穩(wěn)定碎石土性能、推動(dòng)公路建設(shè)發(fā)展具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

1 試驗(yàn)材料

1.1 材料性能指標(biāo)的設(shè)定

1)土樣材料性能。土樣采用某地區(qū)天然碎石土,相應(yīng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用天然碎石土性能指標(biāo)

2)水泥的性能。采用某品牌P·O32.5級(jí)的水泥,相應(yīng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 試驗(yàn)所用水泥主要性能指標(biāo)

3)土壤固化劑。土壤固化劑采用無機(jī)有機(jī)復(fù)合型固化劑,主要通過無機(jī)鹽以及有機(jī)鹽配制形成,能夠有效改善土壤的性能指標(biāo)。

1.2 固化劑以及水泥用量確定

從《吉林省復(fù)合穩(wěn)定土路面基層技術(shù)規(guī)范》(DB22/T 1816—2013)復(fù)合穩(wěn)定土路面基層技術(shù)規(guī)范中可知,固化劑占到混合料比例為0.02%。固化劑的有效使用能夠提升混合料抗壓強(qiáng)度,隨著水泥使用量的增加,固化劑所起到的效果呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。從參考文獻(xiàn)中可知,水泥用量在4%～5%范圍內(nèi)天然碎石土的抗壓強(qiáng)度最高,所以可以將其平均值4.5%作為水泥最佳用量。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

在不同含水率(5%、6%、7%、8%、9%)情況下測(cè)定97%壓實(shí)度情況下試件的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)在7 d、28 d以及90 d不同時(shí)間段通過97%壓實(shí)度進(jìn)行試件制作,按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行養(yǎng)護(hù)之后測(cè)定試件不同含水率情況下抗壓回彈模量。

2.1 試件制備以及養(yǎng)護(hù)

將水以及碎石土添加到容器內(nèi)進(jìn)行均勻性攪拌,之后進(jìn)行悶料(約4 h)。之后在土壤固化劑中加入一定量水進(jìn)行稀釋,并加入相應(yīng)量水泥均勻拌和后將其加入到混合料中,確?；旌狭虾蔬_(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)值要求。

將制成的混合料按照三層裝入到內(nèi)壁涂刷機(jī)油的試桶內(nèi)部,每灌入一層要進(jìn)行一定程度的振搗以及壓實(shí),并且要確保試桶上下壓柱各露出2 cm左右距離。通過靜壓法對(duì)試件進(jìn)行成型,一般按照1 mm/min的速度進(jìn)行加載,確保上下壓柱全都?jí)喝氲皆嚹?nèi)部,保壓2 min之后去除壓力,4 h后脫模成型且實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)(約7 d)。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

1)擊實(shí)試驗(yàn)方法。為了確定含水率的影響,試驗(yàn)中確定5%、6%、7%、8%、9%五種不同含水率。控制水泥用量為4.5%,通過表面振動(dòng)壓實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),采取擊實(shí)法以及振動(dòng)壓實(shí)法能夠得到最大干密度以及最佳含水率。

2)試驗(yàn)結(jié)果及分析。通過擊實(shí)法以及振動(dòng)壓實(shí)法所得到的最大干密度、最佳含水率如表3所示。

表3 不同成型方法所得最大干密度、最佳含水率

從表3中可知,通過振動(dòng)壓實(shí)法以及擊實(shí)法所得到的最大干密度以及最佳含水率有所差異,采用振動(dòng)壓實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),不但對(duì)材料施加豎向荷載,而且施加高頻激振力。此種方式能夠使得集料形成相對(duì)運(yùn)動(dòng),這樣集料能夠相互填充而提升密實(shí)度,所以振動(dòng)壓實(shí)法要較擊實(shí)法具有更高的干密度；采用擊實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),施加的只有豎向載荷,只有通過大量水分對(duì)土顆粒進(jìn)行潤(rùn)滑，才可以使材料進(jìn)行壓實(shí)。而通過振動(dòng)壓實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)軌蚴┘迂Q向荷載以及高頻激振力,能夠?qū)Υ箢w粒實(shí)施有效排列而形成骨架,能夠促使顆粒更好的相互填充而減少用水量,降低最佳含水率。

對(duì)于穩(wěn)定碎石土來說,采用不同的成型方法可以獲得不同的最大干密度以及最佳含水率,所以在具體工程的基層處理過程中要針對(duì)性地選擇合適的成型方法。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1)試驗(yàn)方法。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)主要是通過萬能試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行,一般情況下按照1 mm/min的速度進(jìn)行加載。

2)試驗(yàn)結(jié)果及分析。在4.5%水泥用量以及97%壓實(shí)度的情況下,按照不同含水率、通過振動(dòng)壓實(shí)方式制備試件,實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)成型后進(jìn)行7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 含水率和7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

從圖1中數(shù)據(jù)可知,在水泥最佳用量(4.5%)的情況下,穩(wěn)定碎石土的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的上升出現(xiàn)了先升后降的情況,在6%左右達(dá)到了最大。在較低含水率情況下水泥不能完全進(jìn)行水化反應(yīng),所以強(qiáng)度相對(duì)較小,并且抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著水分增加而增大,但一旦超出最佳含水率反而會(huì)有所降低。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象,主要是因?yàn)殡S著水分的增多,土體內(nèi)部填充了大量水分,這些水分對(duì)于土體造成了良好的潤(rùn)滑作用,從而減小了土體顆粒之間的摩擦。另外,大量的水分也會(huì)對(duì)水泥造成稀釋,從而降低了抗壓強(qiáng)度。從圖1可知,在最佳含水率6.1%左右抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2.35 MPa,約為最大值的97%,而超過6%的情況下，就會(huì)造成抗壓強(qiáng)度顯著下降。這就說明在最佳含水率情況下抗壓強(qiáng)度沒有達(dá)到最大值,而是在95%±2%范圍內(nèi)達(dá)到最大值，所以在公路施工過程中需要進(jìn)行有效控制,確保達(dá)到最佳效果。

2.4 抗壓回彈模量試驗(yàn)

1)試驗(yàn)方法。首先進(jìn)行試件的制作,可以在7 d、28 d以及90 d不同時(shí)間段通過97%壓實(shí)度進(jìn)行試件制作,之后對(duì)其抗壓回彈模量進(jìn)行試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)試件進(jìn)行抹平后將其浸入到水中,經(jīng)過24 h后采取頂面法《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)方法》(T0808—1994)進(jìn)行試驗(yàn)。

2)試驗(yàn)結(jié)果及分析。在4.5%水泥用量以及97%壓實(shí)度的情況下,按照不同含水率制備試件,對(duì)于不同情況試件測(cè)定抗壓回彈模量,所得結(jié)果如表4及圖2所示。

表4 含水率和不同時(shí)間抗壓回彈模量關(guān)系

圖2 含水率和不同時(shí)間抗壓回彈模量關(guān)系

從圖2可得知,不同階段(7 d、28 d、90 d)試件試驗(yàn)中所得到的含水率和不同時(shí)間抗壓回彈模量具有同樣的變化趨勢(shì)(隨著土中水分的上升抗壓回彈模量下降)。從圖2中也可知,回彈模量在最佳含水率(6.1%)周邊降低非?？?但超過最佳含水率之后抗壓回彈模量的下降較慢。若能夠?qū)⒎€(wěn)定碎石土含水率維持在5.5%左右就會(huì)得到相對(duì)較高的回彈模量。

3 結(jié)束語

1)施工過程中采用不同的方法對(duì)于穩(wěn)定碎石土最大干密度以及最佳含水率具有不同影響。

2)土中含水量對(duì)于穩(wěn)定碎石土抗壓強(qiáng)度影響較為明顯,首先抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著水分的增加而提升,在最佳含水率95%±2%情況下達(dá)到最大值,之后會(huì)隨著水分的增加而下降。

3)土中含水量對(duì)于穩(wěn)定碎石土抗壓回彈模量影響較為明顯,其總體趨勢(shì)為隨著水分增加而下降,回彈模量在最佳含水率周邊降低非?？?但超過最佳含水率之后抗壓回彈模量的下降較慢,所以在施工時(shí)需要將穩(wěn)定碎石土含水率控制在最佳含水率附近。

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