周志剛，劉智仁，張軍

(長沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點試驗室，湖南 長沙 410114)

1 前言

大量工程應(yīng)用實踐和理論研究表明：在瀝青面層與半剛性基層之間設(shè)置級配碎石層是一種相對廉價而又可有效延緩反射裂縫的措施。但在實際工程中，還存在以下問題：如巖石破碎篩分分檔不夠，難以調(diào)配出JTJ 034-2000、JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》推薦范圍內(nèi)的級配，混合料級配會超出規(guī)范范圍；又如清洗不干凈，含泥量較多，水穩(wěn)定性不足，造成級配碎石結(jié)構(gòu)層難以達(dá)到理想的強(qiáng)度和穩(wěn)定性狀態(tài)。為了解決工程應(yīng)用中級配碎石存在的不足，提出在級配碎石中摻加2%～3%的水泥，形成所謂的低劑量水泥改性級配碎石，以有效地增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，同時仍能保持碎石散粒材料的結(jié)構(gòu)特性，以減少半剛性基層瀝青路面反射開裂，并繼續(xù)發(fā)揮級配碎石結(jié)構(gòu)層的排水性能。

關(guān)于低劑量水泥改性級配碎石，除了研究人員研究以外，近年道路工程界也開展了一些有益的工作。于新等通過試驗論證了低劑量水泥改善水泥處治碎石抗收縮開裂性能的有效性；于保陽等研究指出水泥劑量的變化對水穩(wěn)碎石的干縮、溫縮系數(shù)的影響具有一定的規(guī)律性；馬驍堯等通過試驗指出CBR與摩爾-庫侖參數(shù)二者沒有明確的相關(guān)關(guān)系，基于三軸試驗的摩爾-庫侖準(zhǔn)則在評判級配碎石抗剪切破壞能力方面優(yōu)于CBR；王天亮等研究表明：水泥的摻加能有效地彌補(bǔ)粒徑缺失導(dǎo)致的強(qiáng)度降低現(xiàn)象；彭波、李龍剛等通過試驗分析，推薦水泥微黏結(jié)級配碎石水泥劑量的合理范圍為2%～4%。

在路面工程混合料配合比設(shè)計中，一般需要提出合適的強(qiáng)度性能控制指標(biāo)及其要求，以評價所設(shè)計的混合料是否符合路用要求。因此，該文主要針對多種級配加2%水泥劑量的改性級配碎石進(jìn)行試驗研究，探討低劑量水泥改性級配碎石相關(guān)力學(xué)指標(biāo)隨齡期的變化規(guī)律，對比分析加州承載比CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量指標(biāo)之間的關(guān)系，參照級配碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，提出低劑量水泥改性級配碎石設(shè)計的強(qiáng)度性能評價指標(biāo)及其控制標(biāo)準(zhǔn)、合適的養(yǎng)生齡期，為低劑量水泥改性級配碎石配合比設(shè)計方法的制定提供依據(jù)。

2 原材料基本性能

試驗所用的碎石及水泥均來源于廣西壯族自治區(qū)路網(wǎng)工程試驗路，石料壓碎值為15.6%。為了便于級配設(shè)計研究，將現(xiàn)場所生產(chǎn)的集料篩分為8檔，即0～0.075、0.075～0.6、0.6～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～26.5、26.5～31.5 mm。然后對4.75～9.5、9.5～19、19～26.5、26.5～31.5 mm共4檔粗集料檢驗其針片狀含量，分別為15.6%、17.3%、18.2%、12.9%。

對于細(xì)集料，分別測定每檔集料的砂當(dāng)量，然后按照組成比例計算合成的砂當(dāng)量。0～0.075、0.075～0.6、0.6～2.36、2.36～4.75 mm檔集料的砂當(dāng)量分別為66.3%、71.1%、74.7%、75.9%。

將篩分后的8檔集料按粒徑從小到大分別測得表觀密度為2.651、2.663、2.683、2.702、2.720、2.672、2.705、2.688 g/cm3。

以下試驗中各種混合料中均摻入2%水泥，水泥取自現(xiàn)場袋裝P.C.32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果符合施工技術(shù)規(guī)范要求。

3 級配選擇及擊實試驗

由于該文的試驗級配碎石中摻入的水泥劑量低，不適合簡單套用目前水泥穩(wěn)定碎石或級配碎石相關(guān)規(guī)范。為了結(jié)合級配碎石和水泥穩(wěn)定碎石兩者的優(yōu)點，因此可選用JTJ 034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》和JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中的級配碎石與水泥穩(wěn)定碎石的級配上下限，共4種級配，再結(jié)合兩條試驗路按SAC法設(shè)計的級配，最終確定試驗級配共6種，如表1所示。

采用JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的T0804-1994方法中的丙法，對上述6種級配碎石在摻加2%水泥后的混合料進(jìn)行擊實試驗，得到各級配的最佳含水量與最大干密度，如表2所示。

表1 試驗級配

表2 6種低劑量水泥改性級配碎石重型擊實試驗結(jié)果

4 強(qiáng)度差異性分析

水泥作為此次試驗混合料的黏結(jié)劑，有利于提高集料的黏聚力，同時其強(qiáng)度和模量會隨著齡期的增長而不斷增加。試驗中或許存在以下3種情形：同種材料使用不同試驗方法；不同材料使用同一種試驗方法；相同材料及試驗方法下進(jìn)行不同齡期的試驗；使得試驗結(jié)果存在著差異?，F(xiàn)行的相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，加州承載比CBR與7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別被用于評價級配碎石和水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度，故該文擬采用CBR與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為強(qiáng)度指標(biāo)。為保證試驗結(jié)果的可靠性，下面將對不同級配混合料在不同齡期時的不同強(qiáng)度指標(biāo)開展差異性分析，藉此確定低劑量水泥改性級配碎石強(qiáng)度試驗所需養(yǎng)生齡期及合適的級配設(shè)計強(qiáng)度控制指標(biāo)。

此節(jié)試驗中的兩種混合料級配分別為水泥穩(wěn)定碎石的級配上限(SS)和級配下限(SX)。按照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的要求，7、14 d齡期的每組平行試驗數(shù)量為13個。因為級配下限混合料粗集料多、細(xì)集料少，而且改性級配碎石水泥劑量少，容易使得試件前期無法形成足夠的強(qiáng)度而導(dǎo)致脫模松垮，因此統(tǒng)一在試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h之后脫模，然后再進(jìn)行包裹浸水養(yǎng)生。相關(guān)試驗結(jié)果如表3所示。

表3 低劑量水泥改性級配碎石強(qiáng)度試驗結(jié)果

分析表3中試驗數(shù)據(jù)以及試驗過程，總結(jié)如下：

(1) 試驗數(shù)據(jù)的有效性。試驗結(jié)果不存在異常點，同時抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)小于15%，CBR的變異系數(shù)小于12%，滿足規(guī)范要求。

(2) 強(qiáng)度評價指標(biāo)。表中數(shù)據(jù)表明，CBR值的變異系數(shù)遠(yuǎn)小于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)，并且與級配無關(guān)。同時由于試驗過程中存在部分級配下限混合料的7 d齡期抗壓強(qiáng)度試件脫模松垮的問題，因此采用CBR值作為評價低劑量水泥改性級配碎石的強(qiáng)度指標(biāo)更有優(yōu)勢。另外，可考慮將14 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為輔助指標(biāo)，以便于驗證CBR指標(biāo)控制下設(shè)計結(jié)果的合理性。

(3)CBR指標(biāo)試件的齡期。雖然7 d齡期的CBR值的變異系數(shù)大于14 d齡期的變異系數(shù)，但是7 d齡期CBR值的變異系數(shù)本身就較小，且試件所用養(yǎng)生時間縮短了一半，有利于縮短試驗進(jìn)度。因此采用7 d齡期試件進(jìn)行CBR試驗更為合適。

5 加州承載比CBR分析

通常進(jìn)行加州承載比(CBR)試驗時需要先測量其膨脹量。膨脹量試驗采用14 d齡期的試件。結(jié)果如表4所示。

表4 不同級配混合料膨脹量

由表4可以看出：細(xì)集料較多的級配上限混合料的膨脹量大于細(xì)集料較少的級配下限混合料的膨脹量，但對于所測試的6種級配混合料，其膨脹量均已很小，在實際中可不考慮其影響。因此在后續(xù)的CBR值試驗中不再進(jìn)行試件的膨脹量測定。

對6種級配混合料進(jìn)行不同齡期的加州承載比試驗。試驗結(jié)果如表5、圖1所示。

國內(nèi)外并沒有關(guān)于CBR值與齡期的擬合關(guān)系，分析試驗數(shù)據(jù)，可用CBR=a(1-T-b)進(jìn)行CBR值與齡期T關(guān)系的擬合。此關(guān)系式參數(shù)的擬合結(jié)果如表5、圖2所示，數(shù)據(jù)表明擬合精度較高，同時關(guān)系式中的a值可認(rèn)為是CBR最終的穩(wěn)定值。

表5 不同級配混合料不同齡期的CBR值

圖1 不同級配混合料CBR值隨齡期的變化

圖2 不同級配混合料CBR值和齡期的擬合曲線

分析表5及圖1、2可以得出以下結(jié)論：

(1) 各級配混合料的CBR值隨著齡期的增長而增加，7 d到14 d齡期的CBR值增加最快；14 d到28 d齡期的CBR值的增加速度逐漸變?。?8 d到60 d齡期的CBR值的增加率已經(jīng)很小，基本維持在5%左右；60 d以后混合料的CBR值變化更小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(2) 7 d齡期的CBR值和14 d齡期的CBR值分別占最終穩(wěn)定值的65%和75%，說明7 d齡期或14 d齡期的混合料已具備水泥水化反應(yīng)完全后的大部分強(qiáng)度。結(jié)合第3節(jié)的結(jié)論，可以推斷出，用7 d齡期或14 d齡期的CBR強(qiáng)度作為檢驗低劑量水泥改性級配碎石級配設(shè)計的力學(xué)指標(biāo)具備可行性。

(3) 級配對混合料的CBR值影響顯著。齡期相同時級配上限混合料的CBR值均大于級配下限混合料的CBR值，說明對CBR值的影響顯著的是級配中細(xì)集料的含量。

(4)CBR指標(biāo)大小的確定。表6為現(xiàn)行的JTJ/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》和JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》關(guān)于級配碎石的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合表5可知：試驗結(jié)果中CBR最小值為級配JX的169.9%，除重交通時的高速公路和一級公路的基層，其他情況均滿足規(guī)范要求。另外，14 d齡期的CBR最小值為188.4%，也超過了重交通時高速公路和一級公路基層的CBR值要求的180%。故可以預(yù)測，隨著齡期的延長，低劑量水泥改性級配碎石的CBR最終穩(wěn)定值足以保證其用作任何交通條件下任意等級公路的級配碎石基層。所以，采用7 d齡期的CBR值作為低劑量水泥改性級配碎石設(shè)計的評價指標(biāo)是可行的。并且，建議將160%作為 7 d齡期CBR值的最低標(biāo)準(zhǔn)，將180%作為14 d齡期CBR值的最低標(biāo)準(zhǔn)。

6 抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量分析

表3中試驗結(jié)果表明：對于低劑量水泥改性級配碎石，7 d齡期的抗壓強(qiáng)度比14 d齡期抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)大，并且部分7 d齡期的抗壓強(qiáng)度試件因其粗集料多、細(xì)集料少，試件成型時容易損壞。因此，對6種級配混合料進(jìn)行14 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗以及抗壓回彈模量的測定，不再測定其他齡期的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量。

表6 級配碎石材料的CBR強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

試驗采用φ150 mm×150 mm的大試件，壓實度控制為98%。根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，采用頂面法測定14 d齡期2%劑量水泥改性級配碎石的抗壓回彈模量。

14 d齡期的抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度的測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量關(guān)系

由圖3可以看出：級配對于14 d齡期的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的影響非常顯著。同類型級配，細(xì)集料含量越大，其混合料的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量越大。因此，在施工時對低劑量水泥改性級配碎石基層級配的選擇和優(yōu)化非常重要。同時14 d齡期的抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量具有很高的正相關(guān)性，可分別用線性擬合和冪函數(shù)擬合，兩種擬合精度都很高。

7 CBR值與抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量的關(guān)系

抗壓回彈模量與CBR試驗的力學(xué)原理不同。室內(nèi)抗壓回彈模量主要反映了材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，不包括塑性變形，而CBR則反映了材料主要抵抗塑性變形的能力，在貫入過程中有時也會含有極少量的回彈變形，但與總變形2.5 mm或5 mm相比完全可以忽略。

各國道路研究者一直比較關(guān)注抗壓回彈模量與CBR值之間的關(guān)系。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析時，通常采用回彈模量作為材料的計算參數(shù)，但其檢測較為麻煩，而CBR的測試比回彈模量方便，故實際工作中人們經(jīng)常建立回彈模量與CBR值的換算公式，通過CBR測試得到回彈模量。但目前關(guān)于CBR與抗壓回彈模量之間關(guān)系的研究主要集中在土基及級配碎石基層，而對低劑量水泥改性級配碎石材料則研究甚少。

下面采用國內(nèi)外對于土基CBR與抗壓回彈模量關(guān)系常用的冪函數(shù)E=a·(CBR)b，對該文的低劑量水泥改性級配碎石的7、14 d齡期的CBR值與14 d齡期的抗壓回彈模量、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到圖4～7所示結(jié)果。

圖4 7 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓回彈模量關(guān)系

圖5 14 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓回彈模量關(guān)系

圖6 7 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖7 14 d齡期CBR值與14 d齡期抗壓強(qiáng)度關(guān)系

擬合結(jié)果表明：無論是7 d齡期還是14 d齡期的CBR值與14 d齡期的抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度均具有良好的擬合度，其中抗壓強(qiáng)度與CBR值的相關(guān)性更高。因為前述研究得到7 d齡期CBR值最小值為160%，14 d齡期CBR值最小值為180%，通過14 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量與7、14 d兩類齡期CBR值的擬合公式，可知14 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低標(biāo)準(zhǔn)為1.3 MPa，14 d齡期的抗壓回彈模量最低值為260 MPa。

8 結(jié)論

針對低劑量水泥改性級配碎石，通過加州承載比CBR試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和抗壓回彈模量試驗，探討了相關(guān)力學(xué)指標(biāo)隨齡期和級配的變化規(guī)律，對比分析了低劑量水泥改性級配碎石3個力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1) 通過強(qiáng)度差異性分析，指出將CBR值作為評價改性級配碎石的強(qiáng)度評價指標(biāo)比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更有優(yōu)勢。并建議采用7、14 d齡期的CBR值，其最低標(biāo)準(zhǔn)分別為160%和180%。

(2) 通過分析不同級配混合料CBR值與齡期之間的關(guān)系，推薦采用CBR=a(1-T-b)來擬合CBR值與齡期的關(guān)系，并得到了不同級配混合料的擬合關(guān)系參數(shù)。

(3) 建立了7 d齡期和14 d齡期的CBR值、14 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和14 d齡期的抗壓回彈模量三者之間的回歸關(guān)系公式。根據(jù)7、14 d齡期的CBR最低標(biāo)準(zhǔn)要求，14 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低限度為1.3 MPa，抗壓回彈模量最低值為260 MPa。

(4) 按照現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范關(guān)于級配碎石的CBR強(qiáng)度要求，低劑量水泥改性級配碎石可用作任何交通等級下的任意等級公路的級配碎石基層和底基層。