基于無側(cè)限抗壓強度試驗的路面水泥穩(wěn)定基層材料特性研究

白立波

（河北平山縣交通運輸局公路工程隊，河北平山 050400）

0 引言

近年來，隨著我國公路工程的快速建設，一些老舊公路必然會進行改造，以滿足當下新的運輸要求。而在公路建設過程中，會產(chǎn)生大量的公路棄渣。目前，公路棄渣的處理技術(shù)尚不夠成熟，給環(huán)境及土地資源造成許多不良影響，因此，將公路棄渣結(jié)合低劑量水泥在公路基層中的應用作為研究課題具有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文以河北省西部石家莊市境內(nèi)既有公路改建項目為工程背景，通過試驗的方法對公路水泥穩(wěn)定層中的公路棄渣混合材料的7d抗壓強度進行研究，為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程概況

河北省既有公路改建項目位于河北省西部石家莊市境內(nèi)，路段分為多段，是河北省公路網(wǎng)的重要組成部分，該項目連接國道207和省道正南公路，將革命圣地西柏坡與“石家莊市第一峰”駝梁聯(lián)系起來。既有公路的改造有利于提高河北省公路網(wǎng)的運輸能力，從而促進相鄰區(qū)域之間的相互交流和經(jīng)濟來往，對沿線的投資環(huán)境及經(jīng)濟發(fā)展都十分重要。

該項目為改建工程，對老路面平整后，在老路面上加鋪路面結(jié)構(gòu)層。道路結(jié)構(gòu)：設計全長25km，設計通行速度110km/h，路基寬度24m。主路寬2m，長7.5m，中段寬2m，長3m，坡面寬2m，長0.85m，中央隔離段寬3m。其中，20cm水泥混凝土面層，C30水泥混凝土（彎拉強度≥4.0MPa），5cm厚級配碎石找平層、20cm厚水泥10%水泥穩(wěn)定層。由于當?shù)靥幱谄皆貐^(qū)且運輸條件較差，砂石短缺且價格較高，為避免耽誤工期，在經(jīng)過項目甲方和設計院同意后，決定對其中的1.2km老舊混凝土路面進行混凝土面板破拆，對破拆后的混凝土塊進行加工得到再生粗骨料，并結(jié)合低劑量水泥用于路面的施工。

2 低劑量水泥穩(wěn)定層性能

本文以低劑量水泥及公路棄渣混合料為研究對象，并對低劑量水泥及公路棄渣混合料的性能指標及物理力學特性進行研究。

2.1 低劑量水泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)組成

水泥穩(wěn)定層混合料中顆粒大小及顆粒的空間分布均是影響混合料力學性質(zhì)的主要因素，考慮到施工過程中混合料的拌和比較均勻，因此可以從水泥穩(wěn)定層混合料中顆粒的含量對混合料的結(jié)構(gòu)進行分類，根據(jù)前人研究可知，不同粗顆粒含量下混合料的結(jié)構(gòu)形式大致可分為：懸浮-密實結(jié)構(gòu)、骨架-密實結(jié)構(gòu)、骨架-空隙結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)形式下混合料的特性如下：

（1）懸浮-密實結(jié)構(gòu)；粗顆粒含量小于30%，大顆粒懸浮在細顆粒之間，接觸較少，抗變形能力較差。

（2）骨架-密實結(jié)構(gòu)；粗顆粒量介于30%～70%，填料的力學特性由大顆粒塊石和小顆粒土體共同作用，抗剪強度由大顆粒之間的咬合與小顆粒之間的黏聚力共同作用。

（3）骨架-空隙結(jié)構(gòu)；粗顆粒量大于70%，此時，小顆粒土體不能填充大顆粒塊石之間的空隙，導致填料顆粒之間的空隙很大，透水性增強，抗變形能力較差。

相較于懸浮-密實結(jié)構(gòu)和骨架-空隙結(jié)構(gòu)，骨架-密實結(jié)構(gòu)混合料具有較高的強度，且細顆粒很好地填充在大顆?？障吨g，使混合料具有較好的抗收縮性能以及抗沖刷性能，因此，本文所采用的水泥穩(wěn)定層混合料以骨架-密實結(jié)構(gòu)為主。水泥穩(wěn)定層混合料的原材料特性如下。

（1）土樣

在公路改建現(xiàn)場試驗段取土，并通過室內(nèi)壓實試驗對現(xiàn)場土體的物理性能進行研究，共對5組土樣進行擊實試驗，得到不同含水量下現(xiàn)場土樣的干密度，如圖1所示。

圖1 不同含水量下土樣的干密度

由圖1可知，土樣的最優(yōu)含水量為17%，最大干密度為1.75g/cm3；并通過室內(nèi)試驗，得到土樣的其他物理指標如表1所示，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E4—2007）中土體的工程分類可知，試驗土樣為高液限紅黏土。

表1 土樣物理性能指標

（2）低劑量水泥

水泥采用和現(xiàn)場半剛性基層相同的水泥標號，為普通硅酸鹽水泥，具有干縮性小、強度高、耐磨性較好等優(yōu)點，其性能指標如表2所示。

表2 水泥性能指標

2.2 強度機理

公路棄渣和低劑量水泥混合料的強度來源主要有公路棄渣顆粒之間的摩擦咬合、水泥材料之間的黏聚及棄渣顆粒和水泥材料之間的膠結(jié)。

公路棄渣和低劑量水泥混合料的強度機理為：低劑量水泥混合料中主要有粗骨料、細集料和水泥，粗骨料之間相互咬合形成混合料的骨架，而細集料填充在粗骨料顆?？障吨g，進一步增強顆粒之間的咬合和黏結(jié)，從而形成密實骨架結(jié)構(gòu)；同時，水泥作為黏結(jié)材料，和水發(fā)生水化反應，生成水化鋁酸鈣等有黏附能力的水化產(chǎn)物，使得粗細填料更好的黏結(jié)在一起，成為公路棄渣和低劑量水泥混合料的強度來源之一。

粗骨料之間的嵌合力主要與骨料顆粒之間的內(nèi)摩擦角和黏聚力的大小成正比，同時為了增加粗骨料顆粒之間的咬合力，在粗骨料中添加適量的水泥材料，水泥材料通過發(fā)生一系列的化學反應，進一步增加粗骨料之間的黏結(jié)力，也增強了細集料之間的膠結(jié)力，從而使水泥穩(wěn)定混合料的強度遠大于純骨料顆粒材料的強度，提高了材料的整體性和水穩(wěn)定性；與半剛性基層相比，減少了干縮裂縫。

2.3 水泥穩(wěn)定材料強度特性研究

在粗骨料中添加水泥材料能夠有效地增加混合料的力學強度，但由于水泥材料成本較高，因此本文通過室內(nèi)試驗，對處理后的公路棄渣混合料中添加低劑量水泥材料而形成的混合材料的抗壓強度進行試驗，研究影響低劑量水泥混合料力學特性的因素。

2.3.1 試驗方案

不同水泥及再生骨料含量下水泥穩(wěn)定混合料的設計配合比如表3所示。

表3 水泥穩(wěn)定混合料配合比 單位：%

不同水泥含量下混合料試樣的尺寸為直徑×高=150mm×150mm，然后將制備好的試樣放置到壓力機上，以1mm/min的加載速率加壓，直至上下壓柱都壓入試模為止。靜壓完畢，將試樣取下，并進行養(yǎng)護，然后根據(jù)公式（1）得到水泥穩(wěn)定混合料的抗壓強度；

式（1）中：R為無側(cè)限抗壓強度（MPa）；P為試樣破壞時壓力（N）；A為試樣的截面積（mm2）。

2.3.2 水泥及粉煤灰含量對水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強度的影響

圖2 水泥及粉煤灰含量對水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強度的影響

由圖2可知，在再生骨料水泥混合料中添加粉煤灰能夠明顯增加水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度，且當粉煤灰的含量相同時，隨著混合料中水泥含量的增加，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度幾乎呈線性增加：當水泥含量為2%時，不添加粉煤灰再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為1.8MPa；粉煤灰含量為5%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.1MPa；粉煤灰含量為10%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.25MPa；粉煤灰含量為15%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.28MPa；

當水泥含量為4%時，不添加粉煤灰再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.15MPa；粉煤灰含量為5%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.3MPa；粉煤灰含量為10%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.55MPa；粉煤灰含量為15%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.7MPa；

當水泥含量為6%時，不添加粉煤灰再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.4MPa；粉煤灰含量為5%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.65MPa；粉煤灰含量為10%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.76MPa；粉煤灰含量為15%時，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.9MPa；

在再生混合骨料中，添加水泥的強度加固效果明顯高于粉煤灰的加固效果，當粉煤灰添加到一定含量以后，無側(cè)限抗壓強度的增強效果逐漸減弱，但整體上粉煤灰對水泥粉煤灰穩(wěn)定土的7d無側(cè)限抗壓強度有積極的作用。這是由于水泥的黏結(jié)作用是再生骨料水泥混合料強度的主要來源，水泥發(fā)生水化反應后，將混合料中的顆粒包裹起來，使原有混合料的塑性降低，強度增高，同時粉煤灰在再生骨料中的作用主要體現(xiàn)在對原有填料顆粒級配的改善，增強顆粒與顆粒之間的咬合力，從而提高再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的強度。

2.3.3 養(yǎng)護時間對水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強度的影響

圖3 養(yǎng)護時間對水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強度的影響

由圖3可知，隨著養(yǎng)護時間的增加，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度先快速增加，然后增加緩慢，最后趨于穩(wěn)定。且不同粉煤灰含量下，水泥穩(wěn)定混合料無側(cè)限抗壓強度的變化趨勢也基本相同：當粉煤灰含量為0%時，養(yǎng)護時間7d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為1.8MPa；養(yǎng)護時間14d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為3.1MPa；養(yǎng)護時間28d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為3.9MPa；養(yǎng)護時間90d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為4.5MPa。

當粉煤灰含量為5%時，養(yǎng)護時間7d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為2.1MPa；養(yǎng)護時間14d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為3.16MPa；養(yǎng)護時間28d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為4.13MPa；養(yǎng)護時間90d時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度為4.8MPa。同樣，當粉煤灰含量為10%時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度分別為2.3MPa、3.2MPa、4.2MPa、5.2MPa；當粉煤灰含量為15%時，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度分別為2.4MPa、3.5MPa、4.4MPa、5.4MPa；

在養(yǎng)護前28d，水泥穩(wěn)定混合料的無側(cè)限抗壓強度達到70%以上，強度值增長較快，28d以后，強度緩慢增長，這是由于混合料中的水泥及粉煤灰具有早強的特點，水泥水化反應在28d內(nèi)幾乎完成，因此，在施工過程中可以加快施工速度，應注意前期的養(yǎng)生工作，以保證混合材料的強度持續(xù)增長。

3 結(jié)語

將水泥應用于公路路面基層中，有利于改善路面基層的力學性能，提高路用效果?？紤]到水泥成本較高，為降低施工成本，對公路棄渣進行再處理、再利用，并在處理后的公路棄渣中添加低劑量水泥，能夠一定程度上改善路面基層材料相關(guān)性能。本文通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，對再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的路用性能進行研究，為相關(guān)工程提供參考。