王 瓊, 莫慧蘭, 洪 亮, 代 杰

(1. 信陽市公路管理局， 河南 信陽 450052; 2. 湖北省路橋集團有限公司， 湖北 武漢 430000;3. 湖北城際鐵路有限責任公司， 湖北 武漢 430062; 4. 湖北省高速公路實業(yè)開發(fā)有限公司， 湖北 武漢 430051)

一般來說，半剛性基層干縮導致的裂縫或微裂縫發(fā)生在基層鋪筑后、面層鋪筑前。瀝青面層鋪筑后，這些裂縫或微裂縫是路面的薄弱點或面，在低溫或溫度驟然下降的條件下，這些裂縫或微裂縫將擴展，從而形成半剛性瀝青路面的反射裂縫[1～4]。因此，要提高半剛性基層材料的抗裂性能，必須同時提高抗干縮性能和溫縮性能[5～8]。

本文對不同級配和結合料的半剛性基層材料進行了干縮試驗和溫縮試驗研究。根據(jù)干縮與溫縮導致裂縫產(chǎn)生時間的不同，確定干縮試驗在試件成型后馬上測試，溫縮試驗在試件養(yǎng)護90d后測試。

1 試驗配合比組成

石灰粉煤灰(簡稱二灰)比例對混合料抗裂性能的影響很大。試驗選擇了五種二灰比例，即石灰∶粉煤灰=1∶2，1∶2.5，1∶3，1∶3.5，1∶4(質量比)，進行抗壓強度試驗，并以強度最大值對應的二灰比例作為最佳二灰配比。得到二灰比例在1∶2.3左右的7 d抗壓強度最大，因此本研究采用石灰∶粉煤灰=1∶2.3(質量比)，由內插法得到其最大干密度為1.25 g/cm3，最佳含水量為27.8%。按富勒(Fuller)的最大干密度曲線公式，得到的初定級配見表1所示。

表1 砂礫初定級配

表2 六種集料級配 (%)

以初級配為基準級配W-1，細集料采用逐級替代，得到六種砂礫級配見表2，研究細集料級配對半剛性基層材料抗裂性能的影響。根據(jù)級配理論，針對平頂山地區(qū)原材料，可得二灰的合理填充量。

為了研究不同結合料對半剛性基層材料性能的影響，進行了不同結合料的半剛性基層材料力學性能試驗，結合料類型如表3所示。

通過摻加纖維可以提高半剛性基層材料的抗裂性能，為了分析纖維的摻量、截面形狀、界面粗糙度對抗裂性能的影響，還進行了摻加纖維帶和纖維網(wǎng)的試驗，如表4所示。

表3 不同結合料穩(wěn)定砂礫代號

表4 添加復合材料的三灰砂礫代號

2 干燥收縮性能試驗

2.1 不同細集料級配二灰砂礫的干燥收縮試驗

不同細集料級配二灰砂礫的干燥收縮試驗結果見圖1、圖2所示。其間溫度在24℃～29℃之間，相對濕度在39%～65%之間。

圖1 不同細集料級配二灰砂礫干縮應變與時間關系

圖2 不同細集料級配二灰砂礫干燥失水量與時間關系

由圖1、圖2可知，在自然條件下，試件成型后其失水率最大，但對應的收縮應變卻不太大。特別是成型后24 h內的失水量占總失水量的一半以上，但是所對應的收縮應變還不到總應變的35%，平均在20%左右。以W-1為例，成型后24 h內的失水量占總失水量的76.8%，而對應的干縮應變占總應變量的28%。試驗結果表明半剛性基層材料的干燥收縮具有滯后性。

2.2 不同結合料穩(wěn)定砂礫的干燥收縮試驗

不同結合料穩(wěn)定砂礫的干縮試驗結果見圖3、圖4，其間溫度在24℃～31℃之間，相對濕度在41%～55%之間。

圖3 不同結合料穩(wěn)定砂礫干縮應變與時間關系

圖4 不同結合料穩(wěn)定砂礫干燥失水量與時間關系

由圖3、圖4可知，與不同細集料級配二灰砂礫的干縮試驗結果相似，不同結合料穩(wěn)定砂礫在自然條件下，試件成型后失水量最大，但對應的收縮應變卻不太大。成型后24 h內失水占總失水量的一半以上，但對應的干縮應變不到總應變的30%。以J-2為例，J-2試件在成型后24 h內的失水量占總失水量的72.6%，對應的干縮應變占總應變量的10.4%；J-2試件在48 h內的失水量占總失水量的90.9%，對應的干縮應變占總應變量的39.0%。試驗結果再次說明半剛性基層材料干燥收縮具有滯后性。

2.3 復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的干燥收縮試驗結果及分析

摻加纖維三灰砂礫的干燥收縮試驗結果見圖5、圖6，其間溫度在15℃～19℃之間，相對濕度在78%～94%之間。

從圖5、圖6可知，在溫度較低、濕度較大條件下(相對上面不同細集料級配三灰砂礫和不同結合料穩(wěn)定砂礫的測試溫度與濕度)，半剛性基層材料的干燥失水、干燥收縮比較緩慢，但還是前期失水量大、對應的干縮變形卻不太大。以J-2為例，在0～168 h內失水量占總失水量的71.4%，對應的應變占總應變的26.1%，相當于溫度較高、濕度較小下一天的失水量和應變；而在336 h后其失水量只占總失水量的9.5%，但對應的應變卻占總應變的36.4%。

圖5 復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫干縮應變與時間關系

圖6 復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫干燥失水量與時間關系

為了全面了解半剛性基層材料失水全過程的干縮規(guī)律，分析了在不同時間內的干縮系數(shù)，結果見圖7所示。

由圖7可見，半剛性基層材料干縮系數(shù)-時間曲線近似呈波浪式變化，在前1、2天內的干縮系數(shù)達到峰值，而后干縮系數(shù)逐漸變小，到5～7天內干縮系數(shù)最小，而后又緩緩增大，而且變化趨勢基本相同。前期(7天前)規(guī)范級配的三灰砂礫(GF)干縮系數(shù)最大，最佳級配的三灰砂礫的干縮系數(shù)(J-2)比規(guī)范級配小的多；在三灰砂礫中添加纖維后前幾天干縮系數(shù)比不加纖維三灰砂礫大，而后比不加纖維三灰砂礫小，而且添加纖維絲三灰砂礫(J-2-3)的干縮系數(shù)比添加纖維帶(J-2-Ⅲ)的大；這是因為纖維很細，三灰砂礫添加纖維后，由于三灰砂礫還未與纖維很好的粘結成整體，導致纖維阻止三灰砂礫的收縮小于其整體性遭破壞而產(chǎn)生的收縮。

圖7 復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的干燥系數(shù)與時間關系

不同細集料級配三灰砂礫一天內平均干縮系數(shù)(即一天內的失水量占總失水量的70%左右)、總的平均干縮系數(shù)見表5；不同結合料穩(wěn)定砂礫一天內平均干縮系數(shù)(即一天內的失水量占總失水量的70%左右)、總的平均干縮系數(shù)見表6；摻加纖維及規(guī)范級配三灰砂礫的7天內干縮系數(shù)(即一周內的失水量占總失水量的70%左右)、總的平均干縮系數(shù)見表7所示。

表5 不同細集料級配三灰砂礫的平均干縮系數(shù)

表6 不同結合料穩(wěn)定砂礫平均干燥收縮系數(shù)

表7 復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫平均干燥收縮系數(shù)

由表5可知，二灰砂礫的干縮性能并不是細集料越細越差，而是存在一個較佳細集料級配，在此級配下的干縮性能較好。如從W-1到W-6，其級配逐漸變粗，即2.36 mm篩孔通過率從30%(W-1)一直到2.36 mm通過率為0%(W-6)，但并不是W-6的干縮系數(shù)最小，而是W-2～W-4的干縮系數(shù)較小。

由材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)評定不同細集料級配三灰砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：W-4>W-2>W-6>W-3>W-1>W-5；若以總的平均干縮系數(shù)來評定不同細集料級配三灰砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：W-2>W-5>W-3>W-6>W-1>W-4。兩個不同干縮性能優(yōu)劣順序結果表明，用何段時間內干縮系數(shù)來評定半剛性基層材料抗干縮性能優(yōu)劣，顯得非常關鍵，否則可能得到相反的結果，如用總的平均干縮系數(shù)評定，W-4的抗干縮性能最差，而若以材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)評定，W-4的抗干縮性能最佳，結合工程實際，評定半剛性基層材料的抗干縮性能必須以材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)來衡量，得到W-2～W-4的抗干縮性能較佳。

由表6可知，相同的水泥或石灰用量條件下二灰砂礫的干縮性能(J-1)優(yōu)于水泥穩(wěn)定砂礫(J-5)，這是因為水泥穩(wěn)定類化學反應較快，大量水分消耗于該化學反應中，同時其應變除了由于水分減少而發(fā)生干燥收縮外，還包括水泥的化學收縮；其次，水泥用量越大，抗干縮性能越差，如J-5的水泥用量為6%，J-6的水泥用量為5%，J-5的干縮系數(shù)比J-6大得多；再者，合理配比的三灰砂礫抗干縮性能最佳，如J-2,但是三灰砂礫的配比對干縮性能影響很大，如J-4的干縮系數(shù)最大。

由材料失水量占總失水量70%左右的干縮系數(shù)評定不同結合料穩(wěn)定砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2>J-6>J-3>J-1>J-5>J-4。由此得到J-2的抗干縮性能最佳，即水泥∶石灰∶粉煤灰∶砂礫=1.5∶4.5∶14∶80(質量比)配比的抗干縮性能最佳。

由表7可知，用材料失水量占總失水量70%左右的平均干縮系數(shù)評定摻加纖維三灰砂礫的干縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2-Ⅲ>J-2>J-2-3>GF。說明設計的最佳級配三灰砂礫的干縮性能優(yōu)于規(guī)范中三灰砂礫，添加纖維帶三灰砂礫(J-2-Ⅲ)的干縮性能優(yōu)于不加纖維三灰砂礫，添加纖維絲三灰砂礫(J-2-3)的干縮性能卻不如不加纖維的三灰砂礫。

3 溫度收縮性能試驗

3.1 不同細集料級配三灰砂礫溫度收縮試驗結果及分析

在干縮試驗的基礎上，取干縮性能較好的W-2級配、W-3級配和W-4級配進行溫度收縮試驗，試驗結果見圖8所示。

圖8 不同細集料級配三灰砂礫溫縮結果

從圖8可知，不同細集料二灰砂礫的溫度收縮系數(shù)曲線在試驗溫度區(qū)間(-20℃～30℃)內表現(xiàn)出隨溫度升高而變緩，而且它們的變化趨勢基本相同。在0℃～10℃之間溫縮系數(shù)達到最小，在0℃～-10℃最大，說明半剛性基層在寒冷的冬天易發(fā)生溫度收縮裂縫；以0℃～-10℃之間的溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：W-2>W-3>W-4，這與用低溫段平均溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能相同。

隨溫度的下降，二灰砂礫的毛細管中彎曲液面內外壓力差和彎曲液面表面張力增大，當這種作用力超過毛細管壁顆粒內部的連接力時，使溫縮系數(shù)增大。在高溫區(qū)彎曲液面內外壓力差和液面表面張力較小，所以隨溫度下降，溫縮系數(shù)變小，在0℃～10℃之間部分重力水和自由水(自由水冰點一般在4℃左右)開始結冰膨脹，抵消了部分收縮變形，但由于這部分水含量極少，所以冰凍作用不明顯，表現(xiàn)在圖上為溫縮系數(shù)變小，并達到最小值；但溫度低于0℃后，毛細管張力有可能大于顆粒的連接力，使溫縮系數(shù)變大。溫度低于-10℃后，溫縮系數(shù)變化不大，甚至有減小的趨勢，這可能是因為毛細管中水的冰點一般在-10℃～-20℃左右，當溫度達到該區(qū)間時，大部分空隙水積聚凍結，使整體體積發(fā)生膨脹，從而表現(xiàn)為溫縮系數(shù)在該區(qū)間內變小。

3.2不同結合料穩(wěn)定砂礫的溫度收縮試驗結果及分析

不同結合料穩(wěn)定砂礫的溫度收縮試驗結果見圖9所示。

圖9 不同結合料穩(wěn)定砂礫的溫縮試驗結果

從圖9可知，不同結合料穩(wěn)定砂礫的溫縮系數(shù)在試驗溫度區(qū)間(40℃-～20℃)內，隨溫度降低而出現(xiàn)峰值，而且它們的變化趨勢也基本相同。在0℃～10℃之間溫縮系數(shù)達到最小，0℃～-10℃的最大，說明半剛性基層在寒冷的冬天易發(fā)生溫度收縮裂縫；用0℃～-10℃之間的溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2>J-3>J-1>J-4>J-5>J-6，這與用低溫段平均溫縮系數(shù)評定結果基本相同。

低溫段三灰砂礫(如J-2、J-3、J-4)的溫縮性能優(yōu)于水泥粉煤灰砂礫(J-5、J-6)，同時，水泥用量合理的三灰砂礫(如J-2)的溫縮性能最佳，但隨著三灰砂礫中水泥用量的增加，其溫縮系數(shù)逐漸增大。其中水泥用量合理的三灰砂礫(J-2)在0℃～-10℃的溫縮系數(shù)只有水泥穩(wěn)定砂礫(J-6)的61.5%。

圖10 復合材料和規(guī)范級配的溫縮試驗結果

3.3 復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的溫度收縮試驗結果及分析

從不同結合料穩(wěn)定砂礫的溫度收縮試驗結果可知，低溫段的溫度收縮系數(shù)較大。為了更準確地判斷溫度收縮系數(shù)最大的溫度區(qū)間，在復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的溫度收縮試驗中進行溫度調整，具體調整及試驗結果見圖10。

從圖10可知，復合材料和規(guī)范級配三灰砂礫的溫縮系數(shù)在試驗溫度區(qū)間(25℃～-25℃)內，也隨溫度降低而出現(xiàn)峰值，而且它們的變化趨勢也基本相同。在15℃～5℃之間溫縮系數(shù)達到最小，5℃～-5℃的最大，說明半剛性基層在寒冷的冬天易發(fā)生溫度收縮裂縫，用5℃～-5℃或低溫段的平均溫縮系數(shù)評價材料溫縮性能，從優(yōu)到劣的順序是：J-2-Ⅲ>J-2-3>W-1>GF。

試驗結果表明，添加纖維可使三灰砂礫抗溫度收縮性能得到很大的提高，添加纖維絲三灰砂礫(J-2-3)的低溫段平均溫縮系數(shù)只有不加纖維(W-1)的56.6%，添加纖維帶三灰砂礫(J-2-Ⅲ)的低溫段平均溫縮系數(shù)只有不加纖維(W-1)的51.1%。

結合上面的溫度收縮試驗結果，可以判斷在0～-10℃之間溫度收縮系數(shù)最大，即在0～-10℃之間半剛性基層材料最易產(chǎn)生溫度收縮裂縫；材料抗溫縮性能的優(yōu)劣應該用低溫段的平均溫縮系數(shù)或0～-10℃之間的溫縮系數(shù)來評價。

4 結 論

(1) 細集料級配對二灰砂礫的抗裂性能有顯著影響。二灰砂礫的抗干縮、溫縮性能并不是細集料越細而越差，而是存在一個較佳細集料級配，在此級配下的抗干縮、溫縮性能較好。

(2)二灰砂礫的抗干縮性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定砂礫，合理配比三灰砂礫的抗干縮性能最優(yōu)。

(3) 半剛性基層材料的抗干縮性能應以在夏季溫度較高、濕度較小的最不利條件下基層成型后一天內的平均干縮系數(shù)來評價。

(4) 半剛性基層材料的溫度收縮系數(shù)在試驗溫度區(qū)間(40℃～-20℃)內，隨溫度降低而出現(xiàn)峰值，而且它們的變化趨勢基本相同。在0℃～10℃之間溫縮系數(shù)達到最小，在0℃～-10℃最大；材料抗溫縮性能的優(yōu)劣應該用低溫段的平均溫縮系數(shù)或0～-10℃之間的溫縮系數(shù)來評價。

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