寇夢婕,張 曄

(1.陜西華山路橋工程有限公司,陜西西安710016;2.陜西建工集團 機械施工有限公司,陜西西安710032)

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層具有整體強度高、穩(wěn)定性好、整體性好且經(jīng)濟等特點,被廣泛用于修建高等級公路瀝青路面的基層或底基層,是我國瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要型式[1-3]?；◢弾r風(fēng)化料是花崗巖經(jīng)物理、化學(xué)風(fēng)化作用形成的殘留在原地的巖石碎屑物,其工程力學(xué)性質(zhì)與風(fēng)化料的粒度成分有關(guān),而風(fēng)化料的粒度成分與母巖成分及風(fēng)化程度有關(guān)?；◢弾r經(jīng)風(fēng)化后,其顆粒大小不一,具有砂粒和粘土的性質(zhì),有較大的孔隙比、較大的內(nèi)摩擦角并具有一定的粘聚力,但遇水后宜軟化,是一類特殊的巖土類型。目前我國高等級公路的半剛性基層主要采用水泥穩(wěn)定碎石材料和水泥穩(wěn)定礫石材料,將風(fēng)化破碎類花崗巖作為半剛性基層、底基層填料的應(yīng)用研究十分缺乏。本文依托鄭石高速公路路面基層工程,對水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖的工程性能進行了無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度試驗及干縮應(yīng)變等試驗研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 花崗巖風(fēng)化料顆粒特征

現(xiàn)場采集的原狀風(fēng)化花崗巖顆粒較粗且不均勻,為分析原狀土顆粒分布特征,進行了室內(nèi)篩分試驗,結(jié)果表明:原狀土顆粒主要由砂、礫粒組成,以礫粒為主,占 60%～70%,其余為砂粒,占 30%～40%。不均勻系數(shù)為 5.5～9,曲率系數(shù)0.88～0.912,原狀風(fēng)化花崗巖為級配不良的土。由擊實試驗可知,兩組擊實試驗結(jié)果分別為:最優(yōu)含水率7.5%,最大干密度2.12 g/cm3和最優(yōu)含水率7.5%,最大干密度2.14 g/cm3,平均最優(yōu)含水率7.5%,平均最大干密度2.13 g/cm3。

1.2 試驗方法及試件成形

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ057-94)[4]采用靜壓法成形試件尺寸15 cm×15 cm圓柱體試件,試件要求在最優(yōu)含水率和設(shè)計要求壓實度(98%)條件下成形,成形的試件脫模后稱量質(zhì)量,立即用塑料包裹,送至相對濕度90%以上,恒溫(25℃±2℃)養(yǎng)生室養(yǎng)生至規(guī)定齡期。養(yǎng)生期最后一天浸水24 h。采用NYL-300型壓力試驗機,進行無側(cè)限抗壓強度試驗,采用MTS機進行劈裂強度試驗。

1.3 水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖配合比設(shè)計試驗

試驗用原材料采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥和河南平頂山魯山地區(qū)風(fēng)化花崗巖。通過對所選用的集料篩分試驗,完成試驗用集料的級配組成設(shè)計[5-6],并結(jié)合水泥選定了3個試驗配比方案,對這3種試驗配比方案進行了重型擊實試驗、7 d無側(cè)限抗壓強度試驗、90 d無側(cè)限抗壓強度試驗、90 d劈裂試驗及90 d抗壓回彈模量試驗,其試驗結(jié)果見表1。在此基礎(chǔ)上,進行了這3種方案的干縮試驗。

表1 水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖各項試驗結(jié)果

1.4 干縮試件的制作、養(yǎng)生、測試

干縮試驗每一個方案各為2組試件,每一組3個平行試件,其中一組試件用于測干縮變形,另一組備用試件測失水量。試件采用壓力機靜壓成形,制成100mm×100mm×400mm的中梁試件,成形的最大干密度和最佳含水率同無側(cè)限強度試驗。試件脫模后置于溫度為(25℃±2℃)的標準養(yǎng)護室保濕養(yǎng)生,養(yǎng)生齡期7 d。將養(yǎng)生7 d后取出試件,放在試驗室玻璃板上自然干燥,通過平臥式裝置上的千分表讀取不同時間試件的干縮量。在讀取干縮量的同時,測定備用試件在相同自然環(huán)境下的平均水分蒸發(fā)損失量,以此作為干縮試件的平均水分蒸發(fā)損失量。測定過程直到試件含水率不再減少,千分表的讀數(shù)變化到0.010 mm為止。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

內(nèi)摻不同比例水泥的花崗巖風(fēng)化料試件的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖1。7 d試件的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加而增大,其變化趨勢從3%～4%區(qū)間內(nèi)試件無側(cè)限抗壓強度增加較顯著,從4%～6%試件無側(cè)限抗壓強度增加緩慢趨于穩(wěn)定值2.89 MPa。90 d試件無側(cè)限抗壓強度值隨水泥摻量增大而顯著增大,其數(shù)值及增幅均比7 d試件無側(cè)限抗壓強度值大,90 d強度值是7 d強度值的3.0～4.2倍,水泥系風(fēng)化料的后期強度有較大幅度增長。水泥穩(wěn)定花崗巖風(fēng)化料7 d無側(cè)限強度值滿足底基層材料強度的要求,但水泥摻量增大會造成底基層開裂,因此,水泥摻量控制在4%～5%之間為宜,以水泥摻量為5%時最優(yōu)。

2.2 劈裂強度試驗

內(nèi)摻不同比例水泥的花崗巖風(fēng)化料試件的劈裂強度試驗結(jié)果見圖2。90 d齡期試件劈裂強度值隨水泥摻量增加而增大,水泥摻量在5%以下時劈裂強度增量較大,而在5%以上時增量明顯減小,水泥摻量為5%時的劈裂強度值是一個明顯的拐點?？紤]輪胎接地壓力為0.7 MPa時,為滿足設(shè)計年限內(nèi)累計標準軸次達到3 000～5 000萬次/車道的要求,底基層材料的劈裂強度一般要達到0.4 MPa?？紤]底基層材料的變異性,各配比劈裂強度試驗曲線,取變異系數(shù)0.8,則底基層劈裂強度一般要達到0.5 MPa,規(guī)范要求水泥穩(wěn)定碎石的基層材料90 d的齡期的劈裂強度為0.4～0.6 MPa符合當(dāng)前路用要求。水泥穩(wěn)定花崗巖風(fēng)化料的劈裂強度在水泥摻量為5%和6%時,均滿足路用要求,并以水泥摻量為5%時為優(yōu)。

圖1 不同水泥含量試件無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖2 不同水泥含量試件劈裂強度試驗曲線

2.3 時間對干縮應(yīng)變的影響

干縮應(yīng)變隨著時間增長而逐漸增大,前10 d內(nèi),干縮應(yīng)變增長較快,隨后干縮應(yīng)變的增長幅度變小。試件在10 d以內(nèi)干縮性狀顯著;在10 d以上干縮應(yīng)變的變化率基本不變,反映出干縮趨于穩(wěn)定。試驗表明干縮應(yīng)變先隨時間增大,后達到穩(wěn)定狀態(tài),干縮歷時較長,試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖干縮應(yīng)變隨時間變化規(guī)律

2.4 時間對失水量的影響

失水量在試驗初期(基本為第一天內(nèi))變化速度最快,主要是由于試件在標準養(yǎng)生室中養(yǎng)生,其含水率大,而試驗是在室內(nèi)自然條件下進行,水分喪失較多導(dǎo)致試驗開始第一天失水量大?？傮w上分析,前10 d失水量變化較大,而后相對要小一些,表明失水量受時間影響,先大后小,最終將達到一個很小的變化值,試驗如圖4所示。

圖4 水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖失水量隨時間變化規(guī)律

2.5 失水率對平均干縮系數(shù)的影響

總體分析三種方案各試件,如圖5所示,隨著失水率的增大,平均干縮系數(shù)逐漸增大,開始時平均干縮系數(shù)增長較快,到失水率達到2.7%以后,增長變得緩慢,直至最大值。并且方案Ⅱ的平均干縮系數(shù)隨失水量的變化基本趨于直線,變化穩(wěn)定,能有效的減少半剛性基層的開裂,防止路面開裂。方案Ⅰ和方案Ⅲ中,平均干縮系數(shù)變化落差大,即在同樣的單位失水率情況下,試件的干縮應(yīng)變顯著,易引起半剛性基層的開裂。

圖5 水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖平均干縮系數(shù)隨失水率變化規(guī)律

3 結(jié) 語

(1)原狀花崗巖風(fēng)化料顆粒主要由砂、礫粒組成,不均勻,為級配不良的土。將該風(fēng)化料摻入水泥后其力學(xué)性能有較大幅度提高,7 d齡期無側(cè)限抗壓強度值滿足底基層材料強度的要求,90 d齡期比7 d齡期的無側(cè)限抗壓強度高3.0～4.2倍。水泥穩(wěn)定花崗巖風(fēng)化料的劈裂強度滿足路用要求。試驗得出水泥摻量控制在4%～5%之間為宜,以水泥摻量為5%時最優(yōu)。

(2)從不同水泥劑量的水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖混合料室內(nèi)干縮試驗結(jié)果來看,干縮系數(shù)是一個較為穩(wěn)定的材料參數(shù),可用于評價材料干縮性能。并且水泥用量為5%的水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖混合料單位失水率的干縮系數(shù)變化較小,整體變化趨勢穩(wěn)定,沒有大的突變,具有較好的干縮性能,施工時推薦使用。應(yīng)用水泥穩(wěn)定風(fēng)化巖作為半剛性基層材料時,在施工初期的10 d左右養(yǎng)生至關(guān)重要,施工后一周內(nèi)必須進行濕法養(yǎng)生,以防止基層開裂。

[1] 梅傳江,牛 朋.水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能研究[J].公路交通科技,2002,19(3):35-37.

[2] 宋少華,楊曉勇,許志鴻,等.水泥穩(wěn)定碎石基層合理強度的探討[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2006,(4):51-54.

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[4] JTGD-50-2006.公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[5] JTJ057-94.公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,1994.

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