張 靜，魏連雨，王 濤，馬士賓

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津市建筑科學(xué)研究院，天津 300193)

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水泥穩(wěn)定碎石早期損傷自愈合過程力學(xué)性能試驗研究

張 靜1，魏連雨1，王 濤2，馬士賓1

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津市建筑科學(xué)研究院，天津 300193)

微裂技術(shù)(Microcracking)是一種減輕半剛性基層早期開裂的新方法，指在水泥穩(wěn)定材料上引入微細(xì)裂縫網(wǎng)絡(luò)吸收自身收縮應(yīng)力，從而降低早期收縮應(yīng)力避免長、寬裂縫的形成，而水泥穩(wěn)定碎石材料微裂縫的愈合特性以及微裂程度與愈合程度之間的關(guān)系是微裂技術(shù)的關(guān)鍵。通過使用振動擊實儀制備微裂程度不同的試樣，在不同齡期測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量，研究微裂后水泥穩(wěn)定碎石材料早期損傷自愈合過程及力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律。研究得出：綜合考慮微裂作用對水泥穩(wěn)定碎石材料收縮應(yīng)力的釋放以及材料后期的強(qiáng)度恢復(fù)，微裂技術(shù)的實施時間宜選在養(yǎng)生2 d進(jìn)行，且微裂程度不超過40%；微裂后水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可恢復(fù)至80%以上，滿足規(guī)范要求，不影響施工工期；水泥穩(wěn)定碎石試樣微裂后，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量的下降百分率差異較大，劈裂強(qiáng)度下降百分率為抗壓強(qiáng)度的1.6～1.8倍，抗壓回彈模量下降百分率為抗壓強(qiáng)度的1.4～1.6倍。

道路工程； 水泥穩(wěn)定碎石； 自愈合特性； 微裂技術(shù)； 力學(xué)性能

1 引 言

水泥穩(wěn)定碎石基層因其強(qiáng)度高、整體性好、穩(wěn)定性強(qiáng)以及工程造價低等特點，廣泛應(yīng)用于我國路面工程，但其在使用過程中，也暴露出一定的缺陷，主要表現(xiàn)在其自身由溫度和濕度引起的縮裂病害，而基層開裂引起的路面反射裂縫更是我國高速公路的主要破壞形式[1]。微裂技術(shù)(Microcracking)是指在基層養(yǎng)護(hù)初期(一般為1～3 d)使用振動壓路機(jī)碾壓水泥穩(wěn)定碎石基層使之產(chǎn)生細(xì)微裂縫網(wǎng)絡(luò)，用于吸收材料自身收縮應(yīng)力，通過降低早期收縮應(yīng)力避免長、寬裂縫的形成，從而減輕半剛性基層的開裂[2]；同時，由于微裂在養(yǎng)護(hù)初期進(jìn)行，裂縫微細(xì)而分散，水泥穩(wěn)定材料的自愈能力使裂縫隨齡期的增加逐漸減少、水泥穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，不影響路面結(jié)構(gòu)整體承載力[3]。因此，水泥穩(wěn)定碎石材料微裂縫的愈合特性以及微裂程度與愈合程度之間的關(guān)系是微裂技術(shù)的關(guān)鍵。

目前，國外已將微裂技術(shù)進(jìn)行了工程應(yīng)用，取得了一定的效果。微裂技術(shù)于1995年由奧地利學(xué)者Litzka、Haslehne首次提出并應(yīng)用到實際工程中，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)微裂使基層材料成功避免了寬大裂縫的形成與發(fā)展，且瀝青面層未出現(xiàn)反射裂縫，同時基層微裂對路面結(jié)構(gòu)后期模量的影響并不顯著。此后，捷克斯洛伐克、科威特和美國等相繼對微裂技術(shù)進(jìn)行了研究。其中，美國德克薩斯交通研究所(Texas Transportation Institute)Stephen Sebesta和Scullion[4]在2000年開始研究微裂技術(shù)在美國公路中的應(yīng)用，對微裂技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗及施工工藝的研究，發(fā)現(xiàn)基層微裂技術(shù)可有效減少路面反射裂縫，并將微裂技術(shù)應(yīng)用至美國德克薩斯州的1/4水泥穩(wěn)定類基層中，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。我國學(xué)者劉敬輝[5]進(jìn)行了微裂技術(shù)的應(yīng)用及初步研究，采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗對碾壓時機(jī)進(jìn)行預(yù)判，認(rèn)為養(yǎng)生2 d后采取微裂措施比養(yǎng)生1 d后微裂效果好。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，還未對微裂后水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能變化以及微裂縫的自愈合能力進(jìn)行全方位研究。本文使用振動擊實儀制備微裂程度不同的試樣，通過進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等力學(xué)性能試驗，研究微裂后水泥穩(wěn)定碎石材料早期損傷自愈合過程及力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律[6]。

2 試 驗

2.1 試驗原材料與集料配合比

水泥采用天津市水泥實業(yè)公司生產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表1。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.1 Test results of cement parameters

集料取自河北省滄州市吳橋公路站料場，集料粒徑分0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm四擋，巖性為石灰?guī)r，主要指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

表2 集料主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.2 Test results of aggregate parameters

根據(jù)目前我國高速公路路面結(jié)構(gòu)及半剛性基層的應(yīng)用狀況，水泥穩(wěn)定碎石基層在滿足設(shè)計強(qiáng)度的前提下，一般取水泥摻量為5%左右，級配多采用懸浮密實型[7]。因此，本研究水泥穩(wěn)定碎石級配選用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D50-2006中推薦的懸浮密實型級配(表3)，水泥用量5%。

表3 水泥穩(wěn)定碎石集料級配Tab.3 Aggregate gradation of cement stabilized macadam

2.2 試驗方法

依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)，首先使用振動壓實儀成型直徑×高為150 mm×150 mm圓柱形試件，脫模后放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室；在不同養(yǎng)生期取出，放入定制的直徑151 mm厚10 mm的圓形套筒中使用振動壓實儀進(jìn)行微裂，并測定微裂前后水泥穩(wěn)定碎石材料各力學(xué)性能指標(biāo)的變化；最后在不同養(yǎng)護(hù)齡期測定材料力學(xué)強(qiáng)度，研究微裂后水泥穩(wěn)定碎石材料早期損傷自愈合過程及力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律。

首先，需要對微裂程度進(jìn)行確定。微裂程度指微裂后水泥穩(wěn)定碎石材料受到的損傷，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低百分率表示。在材料級配不變、水泥用量一定的情況下，影響水泥穩(wěn)定碎石微裂程度的主要因素有兩個：微裂實施時間、微裂作用。微裂實施時間是指在水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)生第幾天實施微裂，微裂作用指水泥穩(wěn)定碎石材料在微裂過程中受到的不同程度的外力作用。研究采用DZY-09型振動壓實儀進(jìn)行微裂，主要振動參數(shù)為：振動頻率28 Hz、靜壓力1900 N、振幅為25 mm。因此，室內(nèi)試驗中不同微裂作用的控制通過改變振動壓實儀振動時間來實現(xiàn)。由于養(yǎng)生1 d時試樣強(qiáng)度較養(yǎng)生2 d、3 d時要小，預(yù)定在養(yǎng)生1 d時微裂的振動時間選0 s、15 s、30 s、45 s、60 s、75 s、90 s，養(yǎng)生2 d、3 d時微裂的試樣振動時間選為0 s、30 s、60 s、90 s 、120 s、150 s、180 s和210 s。微裂前后分別測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到微裂程度與振動時間的關(guān)系如表4所示。同一工況平行試件6個，結(jié)果取平均值。

通過微裂程度控制試驗發(fā)現(xiàn)，試樣微裂程度隨振動時間呈先增大后減小趨勢；當(dāng)振動時間較長時，試件上部粗料被振碎，試件表面遭到破壞。由于微裂技術(shù)指在水泥穩(wěn)定碎石材料不發(fā)生明顯破壞情況下通過振動產(chǎn)生微裂縫，因此，微裂過程中材料存在一個最大微裂程度。從表4可以看出，養(yǎng)生1 d后微裂，試樣微裂程度最大達(dá)到21.05%，對應(yīng)振動時間45 s左右，此后試樣抗壓強(qiáng)度隨振動時間而增大。這主要是由于水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)生1 d時強(qiáng)度較低，主要靠成型過程中集料間的嵌擠、擠壓等物理作用提供，水泥水化產(chǎn)物在強(qiáng)度增長中的貢獻(xiàn)相對較少[8]，振動壓實儀的微裂作用使混合料遭到破壞，強(qiáng)度有一定下降，而養(yǎng)生1 d時混合料仍具有一定可塑性，隨振動時間的增長混合料不斷被振動擠實，強(qiáng)度下降值減少。養(yǎng)生2 d和3 d時，試樣強(qiáng)度隨水泥水化作用的進(jìn)行迅速提高，微裂程度雖然也會隨振動時間先增大后有所降低，但最大微裂程度可達(dá)到40%以上。通過微裂程度控制試驗，確定不同微裂程度所對應(yīng)的微裂實施時間以及振動時間如表5所示。表6為具體力學(xué)性能試驗方案。

表4 微裂程度與振動時間對照表Tab.4 Form of microcracking degree and vibration time

表5 微裂程度的控制Tab.5 Control of microcracking degree

表6 微裂后水穩(wěn)碎石力學(xué)性能試驗方案Tab.6 Scheme of cement stabilized macadam mechanical test after microcracking

3 結(jié)果與討論

3.1 微裂前后力學(xué)性能試驗結(jié)果及分析

根據(jù)表5確定的7種微裂程度工況，分別進(jìn)行微裂作用前后抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等力學(xué)性能試驗，研究每種微裂程度對應(yīng)的力學(xué)性能變化規(guī)律。表7所示為微裂作用前后水泥穩(wěn)定碎石試樣各力學(xué)性能試驗結(jié)果。

表7 微裂前后力學(xué)性能試驗結(jié)果Tab.7 Result of mechanical test before and after microcracking

由表7看出，對水泥穩(wěn)定碎石試樣進(jìn)行微裂后，在微裂程度相同的情況下，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量的下降百分率差異較大，其中，劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量下降百分率均大于抗壓強(qiáng)度，同時劈裂強(qiáng)度下降百分率略大于抗壓回彈模量。通過對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析得，劈裂強(qiáng)度下降百分率為抗壓強(qiáng)度的1.6～1.8倍，抗壓回彈模量下降百分率為抗壓強(qiáng)度的1.4～1.6倍。

3.2 水泥穩(wěn)定碎石自愈合力學(xué)性能演化過程

按照表6試驗方案對7種微損傷程度的水泥穩(wěn)定碎石試樣，分別在養(yǎng)生1 d、2 d、3 d、7 d、14 d、28 d測定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及抗壓回彈模量，研究微裂后水泥穩(wěn)定碎石材料損傷自愈合過程及力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律[9]。圖1～3所示為不同齡期下材料力學(xué)強(qiáng)度試驗結(jié)果，表9為微裂后水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度愈合百分率統(tǒng)計表。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能演化過程(養(yǎng)生1 d后微裂)Fig.1 Mechanical properties evolution of cement stabilized macadam when microcracking is done after 1 d curing

圖2 水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能演化過程(養(yǎng)生2 d后微裂)Fig.2 Mechanical properties evolution of cement stabilized macadam when microcracking is done after 2 d curing

表9 微裂后力學(xué)強(qiáng)度愈合百分率Tab.9 Healing percentage of cement stabilized macadam mechanical strength after microcracking

根據(jù)圖1～3并結(jié)合表9強(qiáng)度愈合百分率數(shù)據(jù)可以看出，水泥穩(wěn)定碎石愈合百分率隨微裂實施時間的推后越來越低，說明養(yǎng)生1 d后進(jìn)行微裂材料愈合程度最高，養(yǎng)生2、3 d依次降低；而強(qiáng)度愈合百分率的增長率隨養(yǎng)生齡期的增長逐漸下降，還可以看到微裂對材料的作用在養(yǎng)生7 d可以恢復(fù)一半以上，其中7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均可恢復(fù)至未微裂的80%以上，滿足規(guī)范要求，不影響施工工期；根據(jù)養(yǎng)生28 d的強(qiáng)度恢復(fù)數(shù)據(jù)，L-4、L-7愈合程度明顯低于其他工況，說明對應(yīng)微裂程度過大，導(dǎo)致材料自愈合能力下降，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)裂縫無法實現(xiàn)愈合或?qū)挾葴p小，導(dǎo)致強(qiáng)度在后期得不到完全恢復(fù)。因此，綜合考慮微裂作用對水泥穩(wěn)定碎石材料收縮應(yīng)力的釋放以及材料后期的強(qiáng)度恢復(fù)，微裂技術(shù)的實施時間宜選在養(yǎng)生2 d進(jìn)行，且微裂程度不超過40%。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能演化過程(養(yǎng)生3 d后微裂)Fig.3 Mechanical properties evolution of cement stabilized macadam when microcracking is done after 3 d curing

4 結(jié) 論

(1)綜合考慮微裂作用對水泥穩(wěn)定碎石材料收縮應(yīng)力的釋放以及材料后期的強(qiáng)度恢復(fù)，微裂技術(shù)的實施時間宜選在養(yǎng)生2 d進(jìn)行，且微裂程度不超過40%；

(2)微裂后水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均可恢復(fù)至80%以上，滿足規(guī)范要求，不影響下一道施工工序；

(3)水泥穩(wěn)定碎石試樣微裂后，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量的下降百分率差異較大，劈裂強(qiáng)度下降百分率為抗壓強(qiáng)度的1.6～1.8倍，抗壓回彈模量下降百分率為抗壓強(qiáng)度的1.4～1.6倍。

[1] 田宇翔,馬 骉,王大龍,等.高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石彎拉特性研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(9):2569-2573.

[2] 姜慧輝.國外防止半剛性基層反射裂縫微裂技術(shù)分析[J].交通科技,2010,S2:85-88.

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Experimental Study on Mechanical Properties of Early Damage Cement Stabilized Macadam in the Process of Self-healing

ZHANGJing1,WEILian-yu1,WANGTao2,MAShi-bin1

(1.School of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of technology,Tianjin 300401,China;2.Tianjin Research Institute of Building Science,Tianjin 300193,China)

Microcracking is a new method to reduce the early cracking of semi-rigid base course. It refers to the technology for releasing the early shrinkage stress by the introduction of micro-cracks network in cement stabilized material, which can avoid the formation of long and wide cracks. Furthermore, the self-healing property of cement stabilized macadam micro-cracks and the relationship between the degree of microcracking and self-healing is the key to the microcracking technology. Firstly, produced specimens with different microcracking degree by vibrating compactor, and then unconfined compressive strength, splitting strength and compression rebound modulus were measured in different ages, finally studied on the self-healing process and mechanical strength variation of early damage cement stabilized macadam according to the test results. The result shows: considering the release of cement stabilized macadam shrinkage stress and the recovery of strength, the suitable time to carry out microcracking is in the second day of the curing period and the microcracking degree is less than 40%; 7 d unconfined compressive strength of cement stabilized macadam can restore more than 80%, which meets the regulatory requirements and doesn't affect the construction period; the decrease percentage of unconfined compressive strength, splitting strength and compression rebound modulus after microcracking is quite different, the decrease percentage of splitting strength is 1.6-1.8 times that of compressive strength, and the decrease percentage of compression rebound modulus is 1.4-1.6 times that of compressive strength.

road engineering;cement stabilized macadam;self-healing property;microcracking;mechanical property

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(ZD2014099)；河北省教育廳青年基金項目(QN2015036)；河北工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新基金(2013002)

張 靜(1988-)，女，博士研究生.主要從事道路建筑材料及路基路面工程方面的研究.

魏連雨，教授，博導(dǎo).

TQ172

A

1001-1625(2016)10-3404-06