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        抗裂型水泥穩(wěn)定碎石單軸壓縮模量和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析

        2019-11-02 01:35:18韋洪峰
        北方交通 2019年10期
        關(guān)鍵詞:單軸模量碎石

        韋洪峰

        (遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006)

        抗裂型水泥穩(wěn)定碎石通過(guò)減少細(xì)集料及膠結(jié)料,采用骨料嵌擠級(jí)配,降低含水量,減少無(wú)機(jī)結(jié)合料混合料干縮和溫縮,以減緩橫向裂縫病害,水泥劑量為2.5%~3.0%。相較于常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石,因其細(xì)集料和膠結(jié)料的減少,需有效評(píng)價(jià)和測(cè)定抗裂型水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和抗疲勞性能,采用振動(dòng)拌和和常規(guī)拌和兩種拌和方式,對(duì)2.5%水泥劑量和3.0%水泥劑量的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石與4.5%水泥劑量的常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和疲勞性能進(jìn)行對(duì)比。

        1 原料及配合比

        選用項(xiàng)目為撫順通武線改造工程,二級(jí)公路,路面寬度為12m,本路段建設(shè)方案為:銑刨現(xiàn)有面層后,加鋪3cm細(xì)粒式瀝青混凝土+4cm中粒式瀝青混凝土+35cm抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層。基層用碎石均采自撫順市周邊石場(chǎng),材料指標(biāo)及篩分如表1和表2。

        表1 粗細(xì)集料指標(biāo)表

        根據(jù)前期科研成果,抗裂型水泥穩(wěn)定碎石采用表3設(shè)計(jì)級(jí)配范圍,與《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中C-B-3級(jí)配相比較,抗裂型水穩(wěn)碎石級(jí)配要求最大粒徑提高至37.5mm;提高了9.5~31.5mm礦料比例,19~31.5mm通過(guò)率明顯降低,降低幅度平均為12.3%和6%;為保證骨架空隙被足夠的細(xì)料填筑,該級(jí)配適當(dāng)提高了4.75mm以下細(xì)集料通過(guò)率。級(jí)配對(duì)比圖見(jiàn)圖1。

        表2 集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

        表3 抗裂型級(jí)配與規(guī)范級(jí)配對(duì)比表

        圖1 抗裂型級(jí)配與規(guī)范級(jí)配對(duì)比

        采用振動(dòng)擊實(shí)成型法對(duì)抗裂型水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行配合比試驗(yàn),2.5%水泥劑量最佳含水量為4.27%,最大干密度2.532g/cm3,7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度7.6MPa,7d劈裂強(qiáng)度0.53MPa。

        3.0%水泥劑量最佳含水量為4.39%,最大干密度為2.554g/cm3,7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度7.7MPa,7d劈裂強(qiáng)度0.61MPa。

        2 單軸壓縮模量

        與頂面法抗壓回彈模量相比,單軸壓縮模量能夠更好地反應(yīng)水穩(wěn)材料的力學(xué)特性,而且操作相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中的要求,無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彈性模量采用單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定。

        彈性模量計(jì)算按下式計(jì)算:

        式中:Ec—抗壓彈性模量,MPa;

        Et—抗拉彈性模量,MPa;

        Fr—最大荷載,N;

        D—試件直徑,mm;

        ε3—試件縱向應(yīng)變(荷載F=0.3Fr)。

        水穩(wěn)碎石材料單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、圖2。

        表4 通武線單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果

        圖2 單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,抗裂型水穩(wěn)碎石材料的單軸壓縮模量平均值隨水泥劑量的增加而提高。2.5%水泥劑量的混合料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大,說(shuō)明2.5%水泥劑量時(shí)混合料試件的均勻性相對(duì)較差。

        在相同拌和方式條件下抗裂型水穩(wěn)碎石的單軸壓縮模量低于常規(guī)級(jí)配水穩(wěn)碎石材料,材料剛度有所降低。在相同級(jí)配條件下,混合料經(jīng)過(guò)振動(dòng)拌和后,單軸壓縮模量平均值均有所提高。

        與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(shù)(14000~28000MPa)相比,本項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果處于規(guī)范推薦范圍的下限及以下,其中2.5%水泥劑量時(shí)模量降低幅度最大。

        (1)級(jí)配類型對(duì)單軸壓縮模量的影響

        圖3 單軸壓縮模量(級(jí)配類型)

        由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在相同的拌和方式下抗裂型級(jí)配的水穩(wěn)碎石材料的單軸壓縮模量平均值差異不明顯,常規(guī)級(jí)配總體上高于抗裂型級(jí)配混合料;在常規(guī)拌和和振動(dòng)拌和條件下常規(guī)級(jí)配的模量提高幅度分別為7%和9%。說(shuō)明不同級(jí)配類型的混合料的剛度總體上無(wú)明顯差異,在振動(dòng)拌和條件下單軸壓縮模量提升效果相對(duì)明顯。

        (2)拌和方式對(duì)單軸壓縮模量的影響

        圖4 單軸壓縮模量(拌和方式)

        由圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,相同的級(jí)配類型條件下,振動(dòng)拌和工藝對(duì)各種類型混合料的剛度均有不同程度提升作用,采用振動(dòng)拌和的水穩(wěn)碎石材料的單軸壓縮模量總體上高于常規(guī)拌和水穩(wěn)碎石材料??沽研秃统R?guī)級(jí)配水穩(wěn)碎石的單軸壓縮模量振動(dòng)拌和后材料模量提升幅度分別為2%和5%。這主要是因?yàn)檎駝?dòng)拌和工藝能夠提高水穩(wěn)碎石混合料的均勻性,使細(xì)集料和結(jié)合料充分填充骨架空隙,能夠形成結(jié)構(gòu)性更加合理的骨架嵌擠-密實(shí)結(jié)構(gòu)。

        3 彎拉強(qiáng)度

        彎拉強(qiáng)度是水穩(wěn)基層材料的重要性能指標(biāo),是影響無(wú)機(jī)結(jié)合料疲勞的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)路面基層結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力具有重要影響。彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)中T0851-2009開(kāi)展試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中上下壓板平整并有足夠的剛度,可以均勻地連續(xù)加載卸載,可以保持固定荷載。加載速率為50mm/min,采用三分點(diǎn)加載方式。

        彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

        由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,彎拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度基本一致,在相同3%水泥用量前提下,抗裂級(jí)配振動(dòng)拌和彎拉強(qiáng)度最大,常規(guī)級(jí)配常規(guī)拌和強(qiáng)度最低,前者強(qiáng)度提高幅度達(dá)45%以上。與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(shù)(1.5~2.0MPa)相比,2.5%水泥劑量的水穩(wěn)碎石材料彎拉強(qiáng)度不足,其余各組混合料的彎拉強(qiáng)度均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦范圍,且3.0%水泥劑量的抗裂型水穩(wěn)碎石試驗(yàn)結(jié)果大于規(guī)范推薦上限。

        表5 通武線彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        圖5 不同級(jí)配和成型方式彎拉強(qiáng)度對(duì)比

        (1)拌和方式對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響(圖6)

        在相同的級(jí)配類型條件下,振動(dòng)拌和工藝對(duì)混合料的彎拉強(qiáng)度具有顯著的提升作用:經(jīng)過(guò)振動(dòng)拌和后,抗裂型和常規(guī)級(jí)配混合料彎拉強(qiáng)度分別提高30%和19%。與抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度類似,抗裂型級(jí)配混合料受拌和工藝的影響更為顯著。

        圖6 拌和方式對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響

        圖7 級(jí)配類型對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響

        (2)級(jí)配類型對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響(圖7)

        在相同的拌和條件下,抗裂型級(jí)配混合料的彎拉強(qiáng)度整體優(yōu)于常規(guī)級(jí)配混合料:在振動(dòng)拌和和常規(guī)拌和條件下,抗裂型級(jí)配混合料彎拉強(qiáng)度分別提高約20%和10%以上。

        4 結(jié)論

        綜合上述研究成果,抗裂型水泥穩(wěn)定碎石降低了含水量、水泥劑量,減少了細(xì)集料含量,在材料組成上達(dá)到了對(duì)溫縮及干縮開(kāi)裂因素的減緩效果,在承載能力和疲勞性能未見(jiàn)到顯著的降低,主要結(jié)論如下:

        (1)抗裂型級(jí)配與常規(guī)級(jí)配的單軸壓縮模量差異較小,常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石單軸壓縮模量略高于抗裂型水泥穩(wěn)定碎石,與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦材料參數(shù)(14000~28000MPa)相比,本項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果處于規(guī)范推薦范圍的下限范圍。

        (2)總體上,抗裂級(jí)配的彎拉強(qiáng)度2.5%水泥劑量大于1MPa,3.0%水泥劑量大于2.3MPa,超出《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)水泥穩(wěn)定碎石彎拉強(qiáng)度上限。常規(guī)級(jí)配的彎拉強(qiáng)度在規(guī)范范圍上限范圍。

        (3)振動(dòng)拌和條件下,抗裂型級(jí)配較常規(guī)級(jí)配的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度均提高30%以上;在常規(guī)拌和條件下,抗壓強(qiáng)度平均提升約為10%,彎拉強(qiáng)度提高19%以上。抗裂型級(jí)配有利于提高水穩(wěn)碎石材料的彎拉強(qiáng)度,且振動(dòng)拌和工藝對(duì)于不同級(jí)配類型混合料均具有提高強(qiáng)度的作用,其中抗裂型級(jí)配受振動(dòng)拌和工藝的影響更為明顯。

        (4)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和回歸方程確定了遼寧省抗裂型水泥穩(wěn)定碎石材料的設(shè)計(jì)參數(shù)取值范圍,彎拉強(qiáng)度1.7~3.0MPa,單軸壓縮模量13000~20000MPa。

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