鄒桂蓮，吳欣，劉新海

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東華路交通科技有限公司)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的承載能力，是無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料配合比設(shè)計(jì)的決定性指標(biāo)。已有研究表明：試件尺寸與成型條件是影響土木工程材料強(qiáng)度的主要因素。受室內(nèi)試驗(yàn)條件與現(xiàn)場設(shè)備條件的限制，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件，但目前現(xiàn)行規(guī)范中：① 對非標(biāo)準(zhǔn)試件與標(biāo)準(zhǔn)試件之間的強(qiáng)度換算關(guān)系未給出明確說明；② 規(guī)范中推薦的成型方法為靜壓成型，規(guī)范要求路面基層、底基層壓實(shí)度達(dá)97%或98%以上，但室內(nèi)靜壓成型試件壓實(shí)度往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。隨著路面基層施工現(xiàn)場壓實(shí)機(jī)械與工藝的改進(jìn)，壓實(shí)功增大，壓實(shí)度提高，甚至超過100%，現(xiàn)場無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的強(qiáng)度高于室內(nèi)試驗(yàn)的強(qiáng)度值，導(dǎo)致試驗(yàn)室設(shè)計(jì)與路面基層實(shí)際施工脫節(jié)，室內(nèi)設(shè)計(jì)對現(xiàn)場的指導(dǎo)性變差；③ 目前已有的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的研究成果針對的是天然集料，隨著再生集料在路面基層中的推廣應(yīng)用，研究結(jié)論是否也適用于再生集料值得探討。為此，研究采用天然集料與再生集料，探討試件尺寸、成型工藝、壓實(shí)度對水泥穩(wěn)定材料(CSM)與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料(CFSM)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，提出非標(biāo)準(zhǔn)試件與標(biāo)準(zhǔn)試件之間的強(qiáng)度換算關(guān)系，推薦無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的成型方法，分析尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理。

1 原材料與礦料級配

為使研究更具代表性，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料采用半剛性基層中應(yīng)用最廣泛的水泥穩(wěn)定材料與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料，研究采用的主要原材料的性能指標(biāo)與礦料級配如下。

1.1 水泥

試驗(yàn)采用海螺牌42.5號普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 粉煤灰

采用的粉煤灰成分檢測結(jié)果如表2所示，滿足現(xiàn)行規(guī)范對粉煤灰的要求。

1.3 集料

天然集料選用花崗巖集料，再生集料選用建筑垃圾再生的再生集料。天然集料與再生集料的壓碎值分別為12.5%、27.1%。集料的吸水率和表觀密度如表3所示。

表1 水泥性能指標(biāo)要求及試驗(yàn)結(jié)果

表2 粉煤灰成分檢測結(jié)果

表3 集料的吸水率與表觀密度

1.4 級配

與懸浮密實(shí)型級配相比，骨架密實(shí)型級配的混合料形成了骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度高，抗裂性能好，因此越來越多地獲得推廣應(yīng)用，該文采用的礦料級配如表4所示。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 尺寸效應(yīng)

尺寸效應(yīng)是指準(zhǔn)脆性材料的強(qiáng)度受材料自身性質(zhì)以及試件或構(gòu)件尺寸大小的影響而發(fā)生改變的性質(zhì)。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料與水泥混凝土等準(zhǔn)脆性材料在不同試件尺寸下測得的強(qiáng)度存在一定的偏差。采用天然集料與再生集料，靜壓法成型φ100 mm×100 mm和φ150 mm×150 mm兩種圓柱形試件，研究水泥穩(wěn)定材料和水泥粉煤灰穩(wěn)定材料尺寸效應(yīng)對7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，水泥穩(wěn)定材料中的水泥摻量為最普遍采用的5%，水泥粉煤灰中無機(jī)結(jié)合料(水泥與粉煤灰)的比例與用量為前期研究確定的，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5所示。

表4 水泥穩(wěn)定材料與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料的礦料級配

表5 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)與編號

注：表格中的百分比均為質(zhì)量百分比，水泥摻量、粉煤灰摻量為水泥、粉煤灰與干燥集料總質(zhì)量的百分比。

2.2 成型工藝

壓實(shí)方法影響混合料成型后的集料分布狀態(tài)和密實(shí)度。研究采用靜壓成型和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型兩種工藝，對比研究成型工藝對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表6所示。具體成型方法：靜壓法采用量程400～2 000 kN的壓力試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變控制加載模式，以1 mm/min的加載速率，直到上下壓柱壓入試模為止；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法設(shè)置旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀參數(shù)為基座旋轉(zhuǎn)角度1.250、旋轉(zhuǎn)速度30 r/min、壓力600 kPa，按操作要求成型壓實(shí)并記錄各旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)對應(yīng)的試件高度。

表6 靜壓和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型對比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 尺寸效應(yīng)對強(qiáng)度的影響

為研究尺寸效應(yīng)對CSM和CFSM 強(qiáng)度的影響，按表5的試驗(yàn)設(shè)計(jì)成型試件，試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。為了更直觀地分析試驗(yàn)結(jié)果，φ150 mm×150 mm尺寸試件(B組)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值與φ100 mm×100 mm尺寸試件(A組)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值的比值以B/A表示。

表7 不同尺寸試件的強(qiáng)度代表值

由表7可知：無論采用天然集料還是再生集料，隨試件尺寸增大，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大，尺寸效應(yīng)明顯。再生粗集料摻量達(dá)到80%時，兩種混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值達(dá)到最大值，100%使用再生粗集料的CSM和CFSM 強(qiáng)度也高于天然集料，這是因?yàn)樵偕系谋砻婀擦素S富的水泥砂漿，有利于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的強(qiáng)度發(fā)展。水泥穩(wěn)定材料與水泥粉煤灰穩(wěn)定材料φ150 mm×150 mm試件的強(qiáng)度代表值是φ100 mm×100 mm的1.29～1.37倍，隨著再生集料用量提高，尺寸效應(yīng)略有放大。施工單位有尺寸效應(yīng)統(tǒng)計(jì)資料的按統(tǒng)計(jì)結(jié)果取值，沒有統(tǒng)計(jì)資料的，推薦取試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果的中間值，即7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rφ150 mm/Rφ100 mm=1.35。

3.2 尺寸效應(yīng)機(jī)理分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸的增大而增大，這與水泥混凝土試件的尺寸效應(yīng)相反，且尺寸效應(yīng)的影響也更顯著，產(chǎn)生這一相反結(jié)論的根本原因在于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料和混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的主要來源不同。水泥混凝土強(qiáng)度的來源主要是水泥膠結(jié)料的黏結(jié)作用，抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)主要是環(huán)箍效應(yīng)造成的，同時也受試件徑高比、強(qiáng)度、缺陷等影響。

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度主要來源于集料之間的嵌擠力和摩檫力，膠結(jié)料的黏結(jié)作用有限。φ150 mm×150 mm試件與φ100 mm×100 mm試件的唯一區(qū)別是大小兩種試件橫截面受到的橫向約束作用力不同(圖1)。試件外部松散區(qū)對核心受壓區(qū)的橫向膨脹起著約束作用，集料之間產(chǎn)生指向圓心的摩擦力徑向分力，使得核心區(qū)材料近似于三向受壓狀態(tài)，從而提高了核心區(qū)材料的荷載承受能力。尺寸試件越大核心區(qū)材料面積占比越大，荷載承受能力也越大，這又反過來提高徑向摩擦力的約束作用(核心受壓區(qū)箭頭更密集)，使得試件整體的抗壓強(qiáng)度得以提高。

圖1 試件尺寸對橫截面約束力(骨料嵌擠力

3.3 成型工藝與壓實(shí)度對強(qiáng)度的影響

為研究成型工藝對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料強(qiáng)度的影響，室內(nèi)采用靜壓法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型直徑為φ150 mm的圓柱形試件，采用全天然集料無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料以及100%再生粗集料無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料對比研究，多組試驗(yàn)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8、圖2所示。

表8 靜壓法成型試件的強(qiáng)度代表值

圖2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)對壓實(shí)度、抗壓強(qiáng)度的影響

由表8可知：① 無論采用水泥還是水泥粉煤灰作為結(jié)合料，無機(jī)結(jié)合料類穩(wěn)定材料的抗壓強(qiáng)度都隨壓實(shí)度的提高顯著增長；② 靜壓成型法的壓實(shí)度較低，為96%～97%，不能滿足高等級路面基層98%壓實(shí)度的設(shè)計(jì)要求，更低于目前路面基層施工現(xiàn)場的壓實(shí)度。

由圖2可知：① 隨著旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的增長，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的壓實(shí)度持續(xù)提高，隨之而來的，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度快速提高，壓實(shí)度從96%提高至99%，抗壓強(qiáng)度提高1倍以上；② 水泥粉煤灰穩(wěn)定材料的壓實(shí)度一直在水泥穩(wěn)定材料的下方，說明水泥粉煤灰穩(wěn)定材料組更難壓實(shí)，從表4可以看出，水泥粉煤灰組的礦料級配較粗，因此需要的壓實(shí)功較大。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為90次時，水泥穩(wěn)定材料能滿足98%壓實(shí)度要求；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為105次，水泥粉煤灰穩(wěn)定材料能滿足98%壓實(shí)度的要求。

比較靜壓和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)兩種成型工藝條件下試件的壓實(shí)度和抗壓強(qiáng)度，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為70次時，水泥穩(wěn)定材料的壓實(shí)度與靜壓法相當(dāng)，此時混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為采用靜壓成型的1.08倍；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為67次時，水泥粉煤灰穩(wěn)定材料試件的壓實(shí)度與靜壓法相當(dāng)，此時混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為采用靜壓成型的1.05倍，表明在相同壓實(shí)度條件下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的抗壓強(qiáng)度略高于靜壓成型試件的強(qiáng)度。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)壓實(shí)過程有助于集料的取向分布，使集料位于更穩(wěn)定的狀態(tài)，也更有利于密實(shí)狀態(tài)的形成；靜壓成型只有垂直力，不能重新分布集料及集料取向，如果追求更大的壓實(shí)度，可能造成較軟弱集料的破碎，特別是使用再生集料時，再生集料強(qiáng)度低、壓碎值大，更易被壓碎。與靜壓法相比，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的揉搓擠壓作用對再生集料的破壞較小，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際道路施工攤鋪后的壓實(shí)情況?？紤]到靜壓法成型試件的壓實(shí)度與集料分布狀態(tài)與實(shí)際工況相差較大，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法通過改變壓實(shí)次數(shù)達(dá)到實(shí)際工況狀態(tài)，且集料分布與取向跟實(shí)際壓實(shí)狀態(tài)更接近，考慮到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備也逐漸普及，建議CSM和CFSM室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)階段采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，壓實(shí)次數(shù)由壓實(shí)曲線確定。

4 結(jié)論

通過研究試件尺寸效應(yīng)和成型工藝對CSM和CFSM 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1) CSM和CFSM 存在顯著的尺寸效應(yīng)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸的增加而增大。因此，建議當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)試件時，施工單位有尺寸效應(yīng)統(tǒng)計(jì)資料的按統(tǒng)計(jì)結(jié)果取值，沒有統(tǒng)計(jì)資料的，推薦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rφ150 mm/Rφ100 mm=1.35。研究同時表明：此換算關(guān)系基本不受集料是否為再生集料的影響。

(2) CSM和CFSM 試件的抗壓強(qiáng)度受壓實(shí)度影響顯著，壓實(shí)度提高，強(qiáng)度迅速增長，建議加強(qiáng)施工現(xiàn)場的壓實(shí)。相同壓實(shí)度條件下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的強(qiáng)度略高于靜壓成型試件強(qiáng)度。

(3) 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法通過改變壓實(shí)次數(shù)達(dá)到實(shí)際工況狀態(tài)，且集料分布與取向跟實(shí)際壓實(shí)狀態(tài)更接近，考慮到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備也逐漸普及，建議CSM和CFSM室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)階段采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件。

(4) 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的壓實(shí)度受礦料級配、設(shè)備等因素的影響，因此建議壓實(shí)次數(shù)由實(shí)測的壓實(shí)曲線確定。

(5) 再生集料的CSM和CFSM 強(qiáng)度高于天然集料。再生集料的表面裹覆了豐富的水泥砂漿，且表面更為粗糙，有利于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的強(qiáng)度發(fā)展。