骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)及抗裂性能研究_圖文

1、14骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)及抗裂性能研究薛鵬濤(河南省交通廳公路管理局, 鄭州 450052摘 要:研究了材料抗裂性能評(píng)價(jià)方法, 提出了骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層材料設(shè)計(jì)方法, 進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明, 骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層具有良好的抗裂性能。關(guān)鍵詞:水泥穩(wěn)定碎石; 密實(shí)骨架; 抗裂性能文章編號(hào):1009-6477(2007 06-0020-04 中圖分類號(hào):U416. 214 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign in Mixing Ratio of Solid -aggregate Cement Stabilizing Graveland Stu dy on Anti

2、-cracking PerformanceXue PengtaoAbstract :In this paper, study is carried out on the methods for assessing material s anti -cracking performances, methods for material designs are proposed for solid-frame ce ment stabilizing gravel base layers, lots of indoor tests and research are conducted. The te

3、st results show that solid-aggregate cement stabilizing gravel base layers are very good in anti-cracking perfor mance.Key words :cement stabilizing gravel; solid-aggregate; anti-c racking performance 水泥穩(wěn)定碎石基層具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、剛度大等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路。但由于水泥穩(wěn)定碎石基層呈脆性, 故在溫濕狀況變化時(shí)容易產(chǎn)生收縮裂縫, 且在行車荷載反復(fù)作用下, 這種裂縫容易擴(kuò)展到瀝青面

4、層形成 反射裂縫 。裂縫的存在, 不僅使車輛行駛質(zhì)量下降, 而且也破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性, 并在一定程度上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度削弱。隨著雨水的浸入, 在大量行車荷載的反復(fù)作用下, 產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象, 加速了瀝青路面的破壞。因此, 在某種程度上也限制了水泥穩(wěn)定類半剛性基層材料的廣泛應(yīng)用。本文在分析抗裂性能評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上, 通過基層材料的合理組成, 使基層材料的抗拉強(qiáng)度增大, 但盡量使抗拉模量變化不大, 溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)減少, 從而使耐久性提高, 抗裂性能得以改善。在此基礎(chǔ)上, 提出了骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層材料配合比設(shè)計(jì)方法, 并對該材料的路用性能尤其是抗裂性能進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)

5、果表明, 骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層具有良好的抗裂性能, 與常規(guī)級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面相比, 骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面的開裂間距增大了57%, 從而大大減輕了瀝青路面裂縫率, 提高了瀝青路面的使用品質(zhì)和耐久性。1 水泥穩(wěn)定碎石材料抗裂性能評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)材料的抗裂性能時(shí), 應(yīng)全面考慮材料的力學(xué)性能(尤其是極限抗拉強(qiáng)度或極限抗拉應(yīng)變 、溫縮或干縮應(yīng)變, 不能僅考慮溫縮或干縮系數(shù)大小; 而評(píng)價(jià)干縮性能時(shí)還需考慮其失水量, 因?yàn)?種不同材料平均干縮系數(shù)可能相差不大, 但由于各自含水量不同, 可能產(chǎn)生的干縮應(yīng)變也就不相同。水泥穩(wěn)定碎石基層材料在溫度作用或失水作用下的開裂模式, 可以直觀地

6、理解為在溫度作用或失水作用下產(chǎn)生的收縮應(yīng)變超過了材料自身所能承受的最大拉應(yīng)變, 因此采用材料的溫度收縮系數(shù)或干燥收縮系數(shù)與材料極限抗拉應(yīng)變的比值來表征其抗裂性能, 即用溫縮抗裂系數(shù)T = max t 、干縮抗裂系數(shù)w = max d 來表征材料所能承受的最大溫差或濕差變化范圍。T 或w 值反映了材料的抗溫度(或抗?jié)穸?收縮相對能力, 其值越大, 表明材料抗溫度(抗干燥 收縮性能越好, 反之亦然。嚴(yán)格講, 材料的極限拉應(yīng)變應(yīng)通過材料的軸向公路交通技術(shù) 2007年12月 第6期 Technology of Highway and Transport Dec. 2007 No. 6拉伸試驗(yàn)獲得, 但

7、是以目前的試驗(yàn)設(shè)備很難達(dá)到這一要求, 所以這里近似地采用由材料的抗彎拉強(qiáng)度R w 與抗彎拉模量E w 計(jì)算得出的材料極限拉應(yīng)變代替。計(jì)算極限拉應(yīng)變 max 取決于強(qiáng)度R w 和剛度E w 這2項(xiàng)指標(biāo), 即 max =R w E w 。因此, 如果強(qiáng)度相同, 則剛度越小, 極限拉應(yīng)變越大。高強(qiáng)度低剛度有利于提高材料的極限拉應(yīng)變。因此, 在基層材料組成設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)盡量設(shè)法降低材料的溫度收縮系數(shù)和干燥收縮系數(shù), 同時(shí)改善材料的柔韌性即設(shè)法提高 max , 從而使抗裂性能得到改善, 耐久性得到提高。2 原材料性質(zhì)本研究所用原材料有水泥、碎石及河砂(細(xì)度模數(shù)2. 5, 為中砂 , 其主要技術(shù)性質(zhì)見表1、

8、表2。表1 水泥技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)初凝時(shí)間 min終凝時(shí)間 min3d 強(qiáng)度 MPa 抗壓抗折32. 5級(jí)17120327. 15. 8表2 碎石性質(zhì)視比重 (g cm 3 容重 (g cm 3 孔隙率 %吸水率 %壓碎值 %針片狀含量 %2. 781. 4645. 20. 1315. 2211. 23 密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)方法3. 1 嵌擠原則假設(shè)集料為直徑D 球體, 按簡單的立方體填積顆粒排列堆積的最松狀況即對邊長為D 的立方體, 放一個(gè)直徑為D 的球, 其空隙率為:V =1-6D 3 D 3=47. 6%如果為D 2的圓球, 則可放8個(gè); 如果為D 4的圓球, 則可放64個(gè); 如

9、果為D 8的圓球, 則可放512個(gè)?？障堵士偸?- 6=47. 6%。3. 2 集料級(jí)配確定方法先按上述嵌擠原理確定粗骨料用量, 然后粗骨料的空隙由次一級(jí)顆粒填充, 其余空隙又由再次一級(jí)顆粒填充, 但填隙的顆粒不得大于其間隙的距離, 否則小顆粒之間勢必發(fā)生干涉現(xiàn)象。這種既嵌擠、又填充的集料在理論上應(yīng)該是摩阻力、凝聚力和密實(shí)度最好的混合料。具體計(jì)算過程如下:3, 度一般在1. 92. 1g cm 3, 以2. 0g cm 3計(jì), 考慮到施工中粗料不可能按理想嵌擠原理排列, 其空隙率比理想會(huì)略大, 故計(jì)算時(shí)取空隙率為50%, 則2040mm 料重量占混合料總重的百分比約為(1-0. 5 2. 68

10、 2. 0=67%。在保證1020mm 料不過分?jǐn)D開2040mm 料前提下, 其重量最多占到剩余重量的67%左右, 即其用量不得超過(1-67% 67%=22%; 510mm 料用量為7%。在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上, 且保證大骨料2030mm 料占總骨料的67%不變, 根據(jù)篩分結(jié)果及部分擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果, 按最大密實(shí)度原則對1020mm 料、510mm 料用量分別作了調(diào)整, 調(diào)整后的集料組成見表3。表3 集料組成篩孔尺寸 mm 30202010105用量 %6717163. 3 主骨料與細(xì)料比例確定按照密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 骨料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu), 細(xì)集料(砂 和水泥作為結(jié)合料填充骨料的空隙, 形成密實(shí)結(jié)

11、構(gòu), 從而達(dá)到混合料整體最大密實(shí)度?；旌狭系恼w性由結(jié)合料貢獻(xiàn), 因此作為結(jié)合料主要材料砂的用量就成了影響混合料整體性的一個(gè)重要因素?？紤]到施工中粗集料用量偏大可能會(huì)導(dǎo)致離析, 本文參照水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方法, 確定砂用量為35%。骨架密實(shí)混合料級(jí)配A 的組成見表4。作為對比, 本研究還采用了 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTJ 014-97 所推薦級(jí)配B, 其組成見表5。圖1為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮結(jié)構(gòu)的通過量曲線。比較可見, 本文推薦的骨架狀態(tài)是嵌入式?？紤]到工地上水泥劑量常取5%, 故本研究中2種結(jié)構(gòu)水泥用量均采用5%, 即水泥 集料=5 95。表4 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)篩孔尺寸 mm 3020201

12、0105<5(砂 用量 %441110354 試驗(yàn)方法4. 1 試件成型試件成型前首先進(jìn)行重型擊實(shí), 求出混合料的最大干密度和最佳含水量, 結(jié)果見表6。然后按最212007年 第6期 薛鵬濤:骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)及抗裂性能研究表5 懸浮結(jié)構(gòu)(規(guī)范中值篩孔尺寸 m m 3020201010552. 52. 51. 181. 180. 60. 60. 075<0. 75用量 %112920121059 3圖1 通過曲線表6 混合料擊實(shí)結(jié)果級(jí)配類別最大干密度 (g cm 3最佳含水量 %A 2. 386. 8B2. 316. 0試件為10cm 10cm 40c m 梁和15c

13、 m 15c m 圓試件, 在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生90d 。4. 2 收縮系數(shù)測試方法試驗(yàn)時(shí), 將試件在養(yǎng)生到期前一天進(jìn)行浸水養(yǎng)生1d, 然后進(jìn)行溫縮或干縮系數(shù)測定。溫縮試驗(yàn)溫度范圍采用50-30 , 干縮試驗(yàn)溫度采用40 。4. 3 抗拉強(qiáng)度與抗拉模量為了控制試驗(yàn)加載精度, 試驗(yàn)在MTS 機(jī)上進(jìn)行, 抗拉模量采用電測法測定。5 抗裂性能研究5. 1 強(qiáng)度與剛度2種結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石材料其90d 齡期的抗拉強(qiáng)度和抗拉模量測定結(jié)果(表7 表明:骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的抗拉強(qiáng)度和抗拉模量都比懸浮結(jié)構(gòu)的要大, 體現(xiàn)出骨料形成的骨架結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。5. 2 溫度收縮系數(shù)根據(jù)90d 齡期的2組水泥穩(wěn)定

14、碎石材料的溫縮試驗(yàn)結(jié)果(圖2和表8 可以得出:不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石溫度收縮系數(shù) t 在試驗(yàn)溫度區(qū)間(10表7 抗拉強(qiáng)度和抗拉模量測定結(jié)果材料抗拉強(qiáng)度 MPa抗拉模量 MPaA 1. 6612300B1. 219 940圖2 t -t 關(guān)系50 內(nèi)表現(xiàn)出隨溫度的變化明顯平緩, 在0 附近達(dá)到最小值; 而在區(qū)間(0-5 表現(xiàn)出隨溫度下降而急劇增大。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)A 組其收縮系數(shù)明顯優(yōu)于懸浮結(jié)構(gòu)B 組, 平均溫縮系數(shù)要小17. 8%。這是因?yàn)殡S溫度下降材料發(fā)生收縮, 水泥穩(wěn)定碎石材料試件雖然在宏觀上表現(xiàn)不受力, 但是混合料的各組分材料的溫度收縮系數(shù)各不相同, 因而試件內(nèi)部各組分材料必定處于受力狀態(tài)。

15、如果結(jié)構(gòu)處于懸浮狀態(tài), 那么內(nèi)應(yīng)力的作用使其顆粒之間有機(jī)會(huì)擠壓孔隙, 較小的孔壓若要平衡其顆粒上的內(nèi)應(yīng)力, 勢必需要通過縮小體積來增大孔壓, 從而在宏觀上表現(xiàn)出較大的溫度收縮系數(shù)。若結(jié)構(gòu)處于 骨架接觸及孔隙結(jié)構(gòu) 狀態(tài)下, 那么內(nèi)應(yīng)力作用只能使顆粒之間相互擠壓, 而顆粒的壓縮性畢竟有限, 所以表現(xiàn)為較小的溫度收縮系數(shù)。5. 3 干燥收縮系數(shù)90d 齡期水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮試驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可以看出, 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石90d 齡期的平均干縮系數(shù) d 比懸浮結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的要小31. 5%, 最大干縮系數(shù) d max 要小294%。表8 溫縮試驗(yàn)結(jié)果材料低溫平均溫縮系數(shù)(10-30

16、高溫平均溫縮系數(shù)(5010 總平均溫縮系數(shù)A -10. 75-8. 28-9. 52 22 公 路 交 通 技 術(shù)2007年表9 干縮試驗(yàn)結(jié)果材料最大干縮應(yīng)變 d max10-6最大失水量 w max %平均干縮系數(shù)d ( 10-6 最大干縮系數(shù) d m ax ( 10-6A 1014. 0724. 829. 9B1303. 9932. 638. 7表10 2種結(jié)構(gòu)抗裂系數(shù)比較材料類型R C MPaR W MPa E W GPa max d W % t T R w R c A 10. 51. 6612. 30134. 9627. 274. 959. 5214. 180. 158B6. 781.

17、 219. 94121. 7330. 084. 0511. 2110. 860. 178表11 裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)調(diào)查時(shí)間結(jié)構(gòu)類型貫通縫 條非貫通縫 條合計(jì) 條橫向平均縫距 m 裂縫率 (m 1000m 22003-04-05骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)24667. 78. 89懸浮結(jié)構(gòu)661233. 319. 122004-04-01骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)43757. 112. 78懸浮結(jié)構(gòu)851330. 824. 33在水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成過程中, 伴隨水分蒸發(fā)和水化反應(yīng)進(jìn)行, 材料內(nèi)部水分的減少而發(fā)生毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化作用等會(huì)引起水泥穩(wěn)定碎石材料產(chǎn)生體積收縮,

18、 而導(dǎo)致干縮的產(chǎn)生。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊密, 顆粒間的約束與牽制作用加強(qiáng), 同時(shí)因其空隙率較小, 受毛細(xì)管張力、吸附水和分子間力作用以及層間水作用相對來說也較小, 所以其干縮性能要優(yōu)于懸浮結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石。5. 4 抗裂性2種結(jié)構(gòu)抗裂性能比較結(jié)果見表10。由表10可知, A 組溫縮抗裂系數(shù)比B 組提高了30. 6%, 而干縮抗裂系數(shù)比B 組提高了22. 3%。6 試驗(yàn)路研究鋪筑2段試驗(yàn)路, 其中一段為懸浮結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石, 另一段為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石。2試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)相同:2c m 瀝青石屑+4cm 瀝青碎石+18cm 水泥穩(wěn)定碎石+30cm 石灰土。試驗(yàn)路于2002年9月份竣工通車。試驗(yàn)路經(jīng)過2個(gè)冬天, 路面結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了最不利情況干縮和最不利季節(jié)的溫縮作用以及春