■郭根才

（泉州市公路局，泉州 362000）

0 引言

自2005年，泉州市公路局開(kāi)始在對(duì)普通公路水泥混凝土路面進(jìn)行改造時(shí)采用了加鋪水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)形式（即“白加白”路面），但 “白加白”路面在經(jīng)過(guò)幾年使用后，出現(xiàn)了大面積的開(kāi)裂、斷板、唧泥、錯(cuò)臺(tái)和沉陷等不同程度的病害問(wèn)題。為進(jìn)一步改善交通條件，提升道路的服務(wù)性能，從2012年開(kāi)始，泉州市公路局開(kāi)始在原有的水泥混凝土路面進(jìn)行加鋪瀝青混凝土（即“白加黑”路面），極大提升了車輛行駛的舒適性和路面整體的穩(wěn)定性。目前越來(lái)越多的“白加黑”路面結(jié)構(gòu)采用了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石半剛性基層瀝青路面，一般的路面半剛性基層水泥摻量為4.5%～6.0%。水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石中的水泥摻量對(duì)其性能有較大的影響，一方面，混合料中的水泥摻量越高，其材料強(qiáng)度相對(duì)就越高；另一方面，由于路面結(jié)構(gòu)形式常常使其抗拉強(qiáng)度偏小，在車輛荷載作用下，混合料內(nèi)部容易產(chǎn)生損傷斷裂破壞，當(dāng)混合料內(nèi)部水分蒸發(fā)或外界溫度降低時(shí)，混合料就會(huì)產(chǎn)生干縮、溫縮現(xiàn)象，初始裂縫從下向上開(kāi)始傳遞，最終在加鋪瀝青面層形成反射裂縫。

低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石中水泥含量較少，混合料的收縮系數(shù)相對(duì)降低，由此增強(qiáng)了穩(wěn)定級(jí)配碎石的抗裂性能，因此研究低水泥劑量下水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫度收縮特性對(duì)于防止半剛性基層路面的開(kāi)裂現(xiàn)象具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石材料，采用1%、2%和3%三種水泥摻量和Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三種不同級(jí)配展開(kāi)材料溫度收縮特性研究，基于本研究找到低劑量水泥穩(wěn)定碎石的溫縮變化規(guī)律，同時(shí)提出能夠應(yīng)用于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的低劑量水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配，以期為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)與借鑒作用。

1 常規(guī)的溫度收縮測(cè)試方法

目前基于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料的溫縮測(cè)試方法一般要求試件全程應(yīng)處于高低溫交變環(huán)境下[1]。使用的測(cè)量設(shè)備除了常規(guī)的支架法、電阻應(yīng)變片法、振弦式法外，長(zhǎng)安大學(xué)還研發(fā)了路面材料收縮變形測(cè)試儀[2]，該儀器主要源于立式支架法的測(cè)試原理，利用位移傳感器進(jìn)行收縮測(cè)試。以上方法的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 不同溫度收縮測(cè)試方法對(duì)比

2 本文采用的溫度收縮測(cè)試方法

基于上述，本文決定采用外置振弦式法進(jìn)行溫縮測(cè)試研究。為保證測(cè)量精度，宜在試件制作過(guò)程中往里預(yù)埋熱電偶線，具體安裝方式見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 振弦式法測(cè)量溫度收縮

圖2 一組溫縮試驗(yàn)（Ⅰ型-2%）

具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）梁試件尺寸初步設(shè)計(jì)為 100mm×100mm×400mm。最佳含水量情況下，通過(guò)振動(dòng)成型控制，保證達(dá)到98%的最大干密度，最終獲得不同水泥劑量（1%、2%、3%）、不同級(jí)配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的試件，每組試件共3個(gè)，作為平行對(duì)比試件，注意在試件成型過(guò)程中預(yù)埋熱電偶線。

（2）對(duì)成型后的試件采取保溫措施，如用塑料薄膜覆蓋，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20±2℃，相對(duì)濕度≥95%）。

（3）試件養(yǎng)護(hù)14d后，將其取出，放置于烘箱中，控制溫度環(huán)境為105℃，持續(xù)烘燒至恒重，以排除前期材料收縮[1]效應(yīng)造成的影響。

（4）試件恢復(fù)常溫后，開(kāi)始安裝傳感器底座，注意兩個(gè)底座應(yīng)盡量保證在試件的中軸線上，最后用環(huán)氧樹(shù)脂固定。

（5）底座安裝完成后，開(kāi)始傳感器安裝。具體方法：將外置式傳感器通過(guò)螺絲錨固于底座。為使傳感器有較大測(cè)量范圍，可利用傳感器的同向螺絲調(diào)節(jié)鋼弦的初始頻率使其處于零點(diǎn)頻率附近。

（6）上述準(zhǔn)備就緒，將試件豎著放入高低溫交變箱中。保證試件先在45℃下恒溫2h，然后開(kāi)始正式進(jìn)入設(shè)定的變溫曲線，降溫幅度在45℃～-5℃之間，溫度間隔設(shè)定為10℃，降溫速率為1℃/min，當(dāng)室溫降至節(jié)點(diǎn)溫度值后接著保持恒溫2h，如圖3所示。同時(shí)如圖4與圖5所示，自動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀及自動(dòng)溫度數(shù)據(jù)采集儀的采樣集頻率為3min每次。

圖3 降溫曲線

圖4 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 三種級(jí)配的選取

本文選用三種不同級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，分別命名為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型級(jí)配碎石，其具體的級(jí)配組成詳見(jiàn)表2。本文研究揭示低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫度收縮特性，因此水泥劑量取1%、2%、3%。

表2 各試驗(yàn)方案級(jí)配組成

4 低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石材料溫縮特性及其評(píng)價(jià)

式中：αt——平均干縮系數(shù)，10-6；εi——第i個(gè)溫度下的溫縮應(yīng)變，10-6；ti——變溫曲線中第i個(gè)溫度區(qū)間，℃。

4.1 溫縮應(yīng)變的變化規(guī)律

本節(jié)采用高低溫交變箱來(lái)模擬試件所受的外界溫度變化環(huán)境，通過(guò)控制不同的高低溫變化環(huán)境，試件內(nèi)部的溫度也會(huì)隨著環(huán)境中溫度的變化而變化，圖6、圖7、圖8和圖9是表示不同水泥劑量、不同級(jí)配的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮應(yīng)變與試件溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律曲線圖。由圖6、圖7、圖8和圖9可知：

（1）隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，可以發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部的溫變規(guī)律基本與外界溫變環(huán)境變化情況相吻合，但基本會(huì)延遲一

根據(jù) 《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[4]的相關(guān)規(guī)定，對(duì)低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮特性的評(píng)價(jià)可采用溫縮應(yīng)變?chǔ)舤與平均溫縮系數(shù)αt兩個(gè)指標(biāo)，其中利用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以獲得溫縮應(yīng)變，同時(shí)進(jìn)行溫度修正，基于平均溫縮系數(shù)αt的計(jì)算方法如式1所示：

圖6 試件溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律（平均值）

圖7 溫縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律（水泥劑量1%）

圖8 溫縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律（水泥劑量2%）

圖9 溫縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律（水泥劑量3%）

（2）隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，可以看出在不同劑量和不同級(jí)配工況下，試件的溫縮應(yīng)變變化趨勢(shì)大體相同，均隨時(shí)間呈遞增趨勢(shì)。同時(shí)每一降溫時(shí)段與試件溫縮應(yīng)變的增大時(shí)段相對(duì)應(yīng)，而在恒溫時(shí)段內(nèi)則無(wú)較大變化。

（3）試件中不同的水泥劑量和級(jí)配會(huì)造成混合料的密實(shí)度、空隙率的差異，因此其熱傳導(dǎo)效率也不同，在相同的溫變環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生不同的溫變差異。

（4）當(dāng)外界環(huán)境溫度從45℃降到-5℃時(shí)，不同水泥劑量、不同級(jí)配的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石產(chǎn)生的總溫縮應(yīng)變相差不大，基本在390～450×10-6με的范圍內(nèi)。

綜上可知，試件的溫縮應(yīng)變基本與其內(nèi)部本身的溫度變化規(guī)律一致，同時(shí)當(dāng)外界環(huán)境溫度從45℃降到-5℃時(shí)，不同水泥劑量、不同級(jí)配的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石產(chǎn)生的總溫縮應(yīng)變相差不大。

基于以上，在施工中應(yīng)注意急劇溫變環(huán)境對(duì)路面材料的影響，尤其對(duì)于南方濕熱地區(qū)，夏季時(shí)常會(huì)發(fā)生突發(fā)性暴雨天氣，容易使路面基層的收縮應(yīng)變急劇產(chǎn)生，當(dāng)收縮應(yīng)變來(lái)不及松弛時(shí)將導(dǎo)致基層開(kāi)裂，故建議采用覆蓋土工布的養(yǎng)護(hù)方法來(lái)減小基層的溫變幅度。

4.2 溫縮系數(shù)的變化規(guī)律

基于上述溫縮應(yīng)變時(shí)程曲線，分降溫區(qū)間計(jì)算平均溫縮系數(shù)（共有五個(gè)），在恒溫區(qū)段內(nèi)選取穩(wěn)定的溫縮應(yīng)變以及溫度跳動(dòng)點(diǎn)作為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)圖10顯示了不同級(jí)配的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮系數(shù)與降溫區(qū)間的關(guān)系。由圖10可知：

（1）不同降溫區(qū)段對(duì)低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的平均溫縮系數(shù)值影響較大。

（2）同一級(jí)配下，除個(gè)別情況外大部分試件都表現(xiàn)為隨著水泥劑量的增加，其溫縮系數(shù)也相應(yīng)增加。說(shuō)明水泥劑量對(duì)試件溫縮效應(yīng)的影響較大。

（3）不同級(jí)配與水泥摻量的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮系數(shù)的最大值大部分都出現(xiàn)在45℃～35℃區(qū)間內(nèi)。說(shuō)明低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石材料可能在45℃～35℃高溫區(qū)間內(nèi)溫縮特性最為顯著。

綜上可知，低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的平均溫縮系數(shù)值有較大差異，其中在45℃～35℃高溫區(qū)間內(nèi)溫縮特性表現(xiàn)最為顯著。同時(shí)位于相同降溫區(qū)段時(shí)，水泥劑量對(duì)試件溫縮效應(yīng)的影響起主導(dǎo)作用。

4.3 水泥劑量與級(jí)配對(duì)溫縮特性的影響

圖11顯示了混合料的最大溫縮系數(shù)、平均溫縮系數(shù)與水泥劑量、級(jí)配的關(guān)系。由圖11可知，對(duì)于低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石：

圖10 溫縮系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

（1）最大溫縮系數(shù)隨水泥劑量的增大而增大，且其級(jí)配也會(huì)影響其增長(zhǎng)幅值，當(dāng)水泥劑量由1%增加至3%時(shí)，不同級(jí)配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的最大溫縮系數(shù)分別增長(zhǎng)7.3%、4.6%以及7.9%。

（2）平均溫縮系數(shù)的變化規(guī)律和增長(zhǎng)幅值與水泥劑量以及級(jí)配的關(guān)系基本與上同，當(dāng)水泥劑量由1%增加至3%時(shí)，不同級(jí)配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的平均溫縮系數(shù)分別增長(zhǎng)9.4%、8.5%以及4.7%。以上分析表明級(jí)配對(duì)低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮特性的影響不能忽略。

（3）水泥劑量一致時(shí)，不同級(jí)配下混合料的最大與平均溫縮系數(shù)整體表現(xiàn)為：Ⅲ型級(jí)配最大，Ⅱ型級(jí)配次之，Ⅰ型級(jí)配最小。

（4）Ⅲ型-3%混合料的最大溫縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)均在所有混合料中最大，分別為9.81×10-6和8.823×10-6，而最小的均為Ⅰ型-1%混合料，其值分別為8.68×10-6和7.672×10-6。

圖11 溫縮特性與水泥劑量、級(jí)配的關(guān)系

綜上可知，低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石最大溫縮系數(shù)與平均溫縮系數(shù)會(huì)受到混合料級(jí)配和水泥劑量的影響，其差值在15%的范圍內(nèi)。

基于上述有關(guān)分析，施工時(shí)推薦在進(jìn)行低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)可考慮選用本次提到的Ⅰ型級(jí)配，其次選用Ⅱ型級(jí)配，非特殊要求不采用Ⅲ型級(jí)配。

5 與水泥穩(wěn)定碎石溫縮特性對(duì)比

本節(jié)所指的水泥穩(wěn)定碎石是指水泥劑量為4%或5%的半剛性基層。考慮到4%水泥穩(wěn)定碎石研究文獻(xiàn)偏少，做統(tǒng)計(jì)分析意義不大，因此選用兩篇代表性文獻(xiàn)[5，6]，如圖12所示。

圖12 4%水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

通過(guò)文獻(xiàn)[5-13]調(diào)研得到5%水泥穩(wěn)定碎石材料平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)圖13、圖14。

基于以上調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果繪制圖15。由圖15可以看出，低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石與水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)值差別不大。而水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)會(huì)小些，這可能是由于不同的溫縮測(cè)試方法導(dǎo)致。本文使用較高精度的振弦式法對(duì)試件進(jìn)行溫縮測(cè)試，而文獻(xiàn)中基本未涉及實(shí)測(cè)試件的真實(shí)溫度，使用的是與溫變環(huán)境相同的降溫幅度，導(dǎo)致平均溫縮系數(shù)的計(jì)算結(jié)果偏低。

圖13 水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖（5%Ⅱ型級(jí)配）

圖14 水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖（5%Ⅲ型級(jí)配）

圖15 低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮特性與水泥穩(wěn)定碎石對(duì)比圖

由上分析可知，低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石與水泥穩(wěn)定碎石基本具有相同的平均溫縮系數(shù)，這表明研究低劑量水泥對(duì)該材料的溫縮特性影響存在一定意義。

6 結(jié)論

（1）低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮應(yīng)變總體保持與試件溫度變化一致，溫度突變會(huì)使路面基層在較短時(shí)間內(nèi)形成較大收縮應(yīng)變，當(dāng)來(lái)不及釋放時(shí)基層就會(huì)開(kāi)裂。故在實(shí)際施工中，應(yīng)特別注意急劇溫變環(huán)境，推薦使用土工布覆蓋養(yǎng)護(hù)以期減小基層受外界溫變環(huán)境的影響。

（2）低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石最大溫縮系數(shù)與平均溫縮系數(shù)會(huì)受到混合料級(jí)配和水泥劑量的影響，但差值在15%的范圍內(nèi)。推薦低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石級(jí)配可考慮選用本文的Ⅰ型級(jí)配，當(dāng)各檔料現(xiàn)場(chǎng)配合比達(dá)不到Ⅰ型級(jí)配要求時(shí)，其次選擇Ⅱ型級(jí)配，非特殊情況不用Ⅲ型級(jí)配。

（3）低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石與水泥穩(wěn)定碎石基本具有相同的平均溫縮系數(shù)。

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