于麗梅，陳志國

(吉林省交通科學研究所 長春市 130012)

半剛性基層材料以其整體性強、承載能力高等優(yōu)點，在公路路面工程中得以廣泛應(yīng)用。但已有的工程實踐表明，由于半剛性基層材料尤其是竣工后初期階段由于濕度變化而導致的干燥收縮是直接導致瀝青路面產(chǎn)生裂縫的原因之一。半剛性基層瀝青路面裂縫的存在，為雨水進入路面結(jié)構(gòu)提供了通道，使水順著基層裂縫繼續(xù)下滲，軟化土基，從而造成路基強度大大降低。同時，裂縫在車輛荷載的沖擊作用下，很容易擴展，嚴重的出現(xiàn)唧漿和坑槽，最終導致基層喪失支撐及與面層的聯(lián)結(jié)，從而使瀝青面層出現(xiàn)網(wǎng)裂等破壞，嚴重影響了道路的使用功能，縮短了路面的使用壽命。目前，干縮指標是半剛性基層材料配合比設(shè)計的控制指標之一，對于防止基層開裂導致的路面破壞，提高路面的綜合使用性能有重要意義。

1 目前干縮特性測試方法及存在的問題

綜合國內(nèi)外文獻，目前半剛性基層材料干縮特性的測試方法主要分為機械法、振弦傳感器測試法以及應(yīng)變片電測法。

(1)機械法

現(xiàn)行的《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTGE51-2009)測試方法的測試原理屬于機械法測試，試驗裝置見圖1所示。測試時將室內(nèi)成型的試件放在基座上，然后固定試件的一端，在另一端安裝千分表，當環(huán)境溫度發(fā)生變化或試件失水后，試件整體收縮或伸長會引起千分表觸頭移動并使千分表產(chǎn)生讀數(shù)，通過千分表數(shù)值的變化測得試件的變形值。

圖1 干縮試驗裝置

但是，機械測試法測試結(jié)果存在三點問題，一是由于基層材料的收縮變形很小，測試過程中周圍環(huán)境的細微震動會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，稍有不慎試驗就會前功盡棄；二是試件兩端與基座和千分表接觸點在測試過程中的滑動和剝落也會影響試驗結(jié)果；三是該方法只能讓試件在自然狀態(tài)下風干，試驗時間持續(xù)很長，且不易控制，試驗出現(xiàn)誤差的機會大。

(2)振弦傳感器測試法

該方法是用兩個鋼夾將傳感器固定在梁式試件的表面，然后將試件連同鋼夾、傳感器儀器放入環(huán)境箱中，試件在含水量發(fā)生變化時發(fā)生變形，帶動試件表面的鋼夾也產(chǎn)生相對位移，傳感器測定兩鋼夾之間的位移后，將此物理量轉(zhuǎn)化成頻率信號傳遞給測頻儀，測頻儀再將輸入信號變成相應(yīng)的應(yīng)變值并將其顯示出來。見圖2。

圖2 振弦式應(yīng)變儀測干縮系數(shù)示意圖

該方法進行干縮試驗時，夾子要夾在試件上，如果試件早期強度比較低，就容易在操作的過程中導致試件的損壞，測試數(shù)據(jù)不準確。

(3)應(yīng)變片電測法

應(yīng)變片電測法是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測試試件表面上，當試件受力變形時，金屬電阻絲承受拉伸或壓縮變形的同時電阻也將發(fā)生變化，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，電阻絲的電阻改變率與應(yīng)變成正比，從而可以換算出試件的應(yīng)變值。

該方法測量干縮系數(shù)時主要存在兩個問題，一是由于應(yīng)變片浸水，過快地從試件表面脫離，容易導致試驗不穩(wěn)定；二是路面基層材料不均勻，應(yīng)變片所貼片不同位置處，其測量結(jié)果相差較大，且不同粘貼應(yīng)變片操作方法對試驗結(jié)果的影響較大。

為了解決目前干縮測試方法在測試精度、可操作性及環(huán)境條件控制等方面的不足，有必要研制能模擬路面實際工作環(huán)境、自動化程度高、測試精度高的儀器設(shè)備，并建立可靠的試驗方法，以快速準確獲得路面半剛性材料的干縮特性參數(shù)。

2 干縮測試儀設(shè)計思路

干縮測試儀的設(shè)計需容納一組半剛性基層材料干縮試件，試件最大尺寸為150mm×150mm×550mm，可自行設(shè)定測試環(huán)境溫度、濕度、風速，全過程通過計算機進行控制，自動采集位移和試件質(zhì)量，通過軟件可以顯示并計算時間的失水量、失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)，且試驗數(shù)據(jù)可以通過常用文件格式導出功能。試驗儀還應(yīng)具備自動加濕和報警等功能。

3 干縮測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的路面半剛性材料干縮測試儀由以下幾部分組成：

(1)制冷系統(tǒng)：為測試空間提供一定的冷量，保持穩(wěn)定的測試溫度，設(shè)計的干縮試驗的溫度一般為常溫條件，制冷級別要求不高，因此選擇單級制冷。

(2)加熱系統(tǒng)：為測試空間提供一定的熱量，保持穩(wěn)定的測試溫度，干縮試驗要求的升溫速率不大，因此試驗箱的加熱系統(tǒng)功率都比較小，所以設(shè)計采用固定在測量室底部框架上的U型空氣電加熱管。

(3)加濕系統(tǒng)：為測試空間提供穩(wěn)定的濕度環(huán)境，具備加濕和除濕功能，設(shè)計中加濕方式一般采用蒸汽加濕法，將低壓蒸汽直接注入試驗空間加濕，同時，還用機械制冷除濕方式，以保證測試濕度需求。

(4)送風循環(huán)系統(tǒng)：為測試空間箱體提供空氣循環(huán)。

(5)傳感系統(tǒng)：能感知被測量試件，并將測試的物理量通過特定的方法轉(zhuǎn)化為可被電子系統(tǒng)識別的電磁信號，設(shè)計中，溫度傳感器采用熱電偶傳感器，濕度傳感器采用固態(tài)傳感器，位移傳感器采用差動變壓器位移傳感器。

(6)控制系統(tǒng)：根據(jù)需要設(shè)定控制測量室的溫度、濕度和風速，并控制數(shù)據(jù)采集開始和結(jié)束。

(7)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對測量的數(shù)據(jù)進行自動采集，根據(jù)功能軟件進行統(tǒng)計分析計算、打印和輸出試驗結(jié)果。

測試儀的工作原理為：開始試驗時，將試件的兩端與位移傳感器的活動頭保持接觸，設(shè)定試驗溫度、濕度和風速參數(shù)，打開采集軟件，選擇電子天平接口以及數(shù)據(jù)記錄間隔。將天平、位移傳感器讀數(shù)清零，開始試驗，試驗完成后輸入標準試件的長度和標準試件烘干后的恒量，點擊計算按鈕就可計算出失水率、干縮量、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)等試驗結(jié)果。

4 路面材料干縮試驗方法

4.1 試驗參數(shù)確定

(1)試驗溫度

為了獲得合理的干縮試驗溫度，對東北三省5～8月日平均溫度進行了統(tǒng)計。從統(tǒng)計結(jié)果來看，5～8月三省日平均溫度為21.3℃。結(jié)合路面基層施工季節(jié)的實際平均溫度以及部頒規(guī)程的規(guī)定，提出干縮試驗溫度為20℃±1℃。

(2)試驗濕度

路面材料干縮試驗濕度參數(shù)取決于路面材料施工季節(jié)的空氣濕度，據(jù)統(tǒng)計，北方地區(qū)半剛性基層路面施工季節(jié)空氣相對濕度的平均值多集中分布在55%～65%之間，因此，提出路面材料干縮測試的濕度條件為60%±5%。

(3)風速條件

除環(huán)境的工作溫度和工作濕度外，風速也直接影響路面材料干縮速率以及開裂程度。由于實際路面材料所處的工作環(huán)境風速變化較大，規(guī)律性不好掌握，結(jié)合以往的經(jīng)驗，施工季節(jié)風的等級多為一級至五級之間。因此，控制風速范圍在0.3～5m/s之間。

4.2 測試步驟

4.2.1試件制備和養(yǎng)護

(1)根據(jù)混合料粒徑的大小，選擇不同尺寸的試件；小梁，50mm×50mm×200mm，適用于細粒土；中梁，100mm×100mm×400mm，適用于中粒土；大梁，150mm×150mm×550mm，適用于粗粒土。

(2)按《公路工程無機結(jié)合料試驗規(guī)程》相關(guān)試驗方法確定混合料的最佳含水量和最大干密度，制備平行試件并進行標準養(yǎng)生，養(yǎng)生齡期根據(jù)具體研究需要確定。

4.2.2試驗步驟

(1)試驗前，將飽水后的試件表面水分擦干，并采用游標卡尺測定初始長度，取重復(fù)測量3次的算數(shù)平均值作為基準長度，稱取試件初始質(zhì)量。

(2)在試件長軸兩端粘貼玻璃片后，待膠凝結(jié)后將試件放置在干縮儀的試件夾具上，固定好位移計。

(3)在路面材料干縮試驗采集程序中，按操作步驟進行設(shè)置并連接設(shè)備。

(4)將天平讀數(shù)歸零，待試件安裝完成后分別將位移計讀數(shù)置零，即可開始試驗，直至測試的位移讀數(shù)不變和質(zhì)量損失不變?yōu)橹菇Y(jié)束試驗。

(5)試驗完成后輸入標準試件的長度和標準試件烘干后的恒量，點擊計算按鈕就可計算出試驗規(guī)程中的相關(guān)試驗結(jié)果。

(6)重復(fù)(1)～(5)的步驟可進行下一組試件的測量。

5 干縮測試儀穩(wěn)定性測試

5.1 儀器標定

為了確保儀器原件的精度，對傳感器的測量范圍、量程、線性度以及測試精度等進行標定，測試結(jié)果表明，溫濕度以及位移傳感器的性能指標參數(shù)可滿足路面材料干縮性能測試。在恒溫恒濕并且有吹風的環(huán)境條件下，將固定質(zhì)量的砝碼放入測量室內(nèi)進行量測，測試結(jié)果顯示正常。

5.2 測試方案

為了驗證研制的干縮測試儀測試結(jié)果的穩(wěn)定性，進行了二灰碎石干縮特性的測試，二灰碎石配合比為石灰∶粉煤灰∶集料=8∶17∶75，二灰碎石級配組成如表1所示。

表1 二灰碎石級配組成

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中有關(guān)規(guī)定，采用重型擊實標準確定混合料的最大干密度和最佳含水量。

圖3 標準擊實曲線

半剛性材料類型最大干密度(g/cm3)最佳含水量(%)二灰碎石2.3675.8

5.3 測試結(jié)果

試件編號分別為G-1、G-2、G-3，養(yǎng)生期為0d、7d、14d、21d和28d，不同齡期的水泥穩(wěn)定碎石試件干縮系數(shù)測試指標結(jié)果見圖4。由數(shù)據(jù)的變化趨勢可知，無論哪一個養(yǎng)生齡期，干縮系數(shù)隨時間的變化趨勢基本相同，即表現(xiàn)為先快速增加后平緩增長。只是養(yǎng)生齡期越長，干縮系數(shù)曲線越趨于平緩。

以G-1試件為例分析不同齡期干縮性能變化規(guī)律，其0d、7d和28d的干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)見圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，對于同一試件來說，不同齡期干縮應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律相似，基本呈線性增長。隨著齡期的增長，干縮系數(shù)增長為先增加后趨勢變緩。主要是當試件剛成型后養(yǎng)生前，試件的強度和剛度還很小，在試件蒸發(fā)失水以及試件內(nèi)部材料反應(yīng)消耗自由水的共同作用下產(chǎn)生的干縮應(yīng)力較大，材料內(nèi)部收縮明顯。隨著齡期的增長，試件內(nèi)部各組分的反應(yīng)更加充分，材料的剛度和強度也逐漸在增高。與此同時，試件材料的失水以及反應(yīng)消耗的自由水都會引起材料的干縮，從而引起干縮應(yīng)力，但反應(yīng)產(chǎn)生的強度與剛度會阻止材料的干縮，也就是表現(xiàn)為材料的宏觀收縮不明顯。對于7d的養(yǎng)生期，材料的力學性能尚不足，抵抗干縮應(yīng)力的能力不高，特別是養(yǎng)生前期，此階段嚴格控制失水率非常重要。

圖4 二灰碎石不同齡期干縮系數(shù)與時間關(guān)系圖

圖5 G-1干縮應(yīng)變與時間的關(guān)系圖

圖6 G-1平均干縮系數(shù)與時間的關(guān)系圖

從圖4～圖6中分析得出的結(jié)論符合半剛性基層材料的干縮機理，且與以往研究中采用傳統(tǒng)的千分表測試得出規(guī)律性一致，驗證了自研的干縮測試儀測試半剛性基層材料干縮性能的可行性和測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

研制了路面半剛性基層材料干縮測試儀，實現(xiàn)了模擬路面材料野外工作環(huán)境條件和數(shù)據(jù)的實時自動采集，有效降低了傳統(tǒng)試驗方法中人為操作和讀數(shù)帶來的誤差，具有使用方便、操作簡單、測試精度高、準確性好等特點。根據(jù)路面實際工作環(huán)境確定了試驗參數(shù)，提出了干縮測試試驗方法，并進行了干縮測試儀的穩(wěn)定性驗證，為路面半剛性基層材料配合比設(shè)計干縮性能參數(shù)的確定和干縮特性的分析奠定了基礎(chǔ)。