林百岑
(廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司)
路基路面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性跟水的關(guān)系緊密相連,路面內(nèi)部的水能造成或加速路面的損害。排水路面中,透水基層用的材料有排水式瀝青穩(wěn)定碎石、級配碎石、大粒徑透水性瀝青混合料、骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石和透水水泥混合料,其中骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石混合料,礦料由粗集料和細(xì)集料兩部分組成,粗集料部分充當(dāng)骨架強(qiáng)度結(jié)構(gòu)作用,細(xì)集料和無機(jī)料化合后的反應(yīng)物可以填充骨架空隙。排水瀝青路面結(jié)構(gòu)中的水透過透水基層,滲到骨架密實(shí)型的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的下基層,然后從側(cè)向排到路面邊沿,從而改善路面材料的作用環(huán)境,減輕水損害,延長使用壽命。通過對骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石級配組成和室內(nèi)試驗(yàn)的研究,總結(jié)出配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。
透水基層的水泥穩(wěn)定材料采用水泥、粗集料、少量的細(xì)集料及水分按設(shè)計(jì)空隙率和水灰比結(jié)合穩(wěn)定形成骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石。
集料選用清遠(yuǎn)佛岡飛龍石場的石灰?guī)r,規(guī)格分別有10~25mm、10~20mm、5~10mm、0~5mm;水泥選用英德海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥;拌合水采用飲用水。
對所用的粗集料分別進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)、針片狀顆粒含量試驗(yàn)(游標(biāo)卡尺法)、0.075mm以下粉塵含量、軟石含量、顆粒分析等試驗(yàn),對細(xì)集料進(jìn)行顆粒分析和<0.075mm的粉塵含量試驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見表1。表1的技術(shù)要求參照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》。
表1 集料技術(shù)指標(biāo)及檢驗(yàn)結(jié)果
各檔集料的篩分結(jié)果見表2。表2中的技術(shù)要求參照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》。
表2 集料顆粒分析結(jié)果
進(jìn)行水泥的凝結(jié)時(shí)間測試,試驗(yàn)結(jié)果見表3。技術(shù)要求參照GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。
表3 水泥凝結(jié)時(shí)間結(jié)果
根據(jù)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T 190-2012,在透水基層混合料的配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求中,骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的要求為:水泥采用32.5或42.5級的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥;水泥用量宜為8%~12%;水灰比宜為0.39~0.43;材料的空隙率為15%~23%;7d抗壓強(qiáng)度為3.5~6.5MPa。
作為透水基層的混合料,骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石必須具有足夠的透水能力。透水能力用透水系數(shù)、連通空隙率指標(biāo)來衡量。連通空隙率是保證排水層發(fā)揮作用的關(guān)鍵,骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的連通空隙率是通過減少細(xì)集料的含量來實(shí)現(xiàn),而細(xì)集料含量少必然導(dǎo)致結(jié)合料的強(qiáng)度變低。因此要控制好水泥的用量,否則強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
為了實(shí)現(xiàn)骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石排水層性能要求,同時(shí)又不影響結(jié)合穩(wěn)定材料的路用性能,確定7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為≥3.5MPa。
骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石透水性材料為多孔混合料,它的級配類型為開級配,要求空隙率大并且各集料間嵌不密實(shí)和連通,透水性能強(qiáng),故礦料的級配設(shè)計(jì)很重要。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD33-2012對透水性排水基層集料的要求,集料應(yīng)選用潔凈、堅(jiān)硬的碎石,其壓碎值不得大于30%,最大粒徑為20mm或25mm,并不得超過層厚的2/3。
在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004中,用于排水基層的開級配瀝青穩(wěn)定碎石混合料ATPB-25的礦料級配范圍見表4。
表4 ATPB-25級配范圍
在《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 335 0-03-2020中,對于排水瀝青混合料PA-20的級配范圍見表5。
表5 PA-20級配范圍
在《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T190-2012的技術(shù)指標(biāo)中,明確用于透水基層的級配碎石的空隙率宜大于10%,級配碎石的級配范圍見表6;用于透水基層混合料的大粒徑透水瀝青混合料LSPM的公稱粒徑不宜小于26.5mm,選用的級配范圍見表7。
表6 級配碎石的級配范圍
參考表4~表7數(shù)據(jù),遵循空隙率為15%~23%、水灰比為0.39~0.43的設(shè)計(jì)原則,通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn),利用密度與空隙率的關(guān)系,采用體積法驗(yàn)證改善,確定最終的級配范圍,見表8。
表7 大粒徑透水性瀝青混合料LSPM-25推薦級配范圍
根據(jù)表2各集料的篩分結(jié)果,計(jì)算各集料的用量比例,使得合成的礦料級配在表8的上下限范圍內(nèi)且接近S線。骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)級配曲線見圖1。
圖1 合成礦料級配曲線圖
表8 骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的級配范圍
根據(jù)CJJ/T 190-2012設(shè)計(jì)規(guī)范中水泥用量宜為8%~12%的要求,骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石采用規(guī)范范圍內(nèi)的5個(gè)水泥用量與設(shè)計(jì)的礦料級配進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),擊實(shí)方法采用丙法擊實(shí),得到的擊實(shí)結(jié)果和水灰比結(jié)果如表9所示。
表9 不同水泥劑量的結(jié)合料的擊實(shí)和水灰比結(jié)果
按不同的水泥劑量,根據(jù)各自穩(wěn)定材料的最大干密度和最佳含水量,采用設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行配料,按照靜壓法成型試件用于測試穩(wěn)定材料的連通空隙率,其中成型試件的壓實(shí)度取值81%。壓實(shí)度是參照CJJ/T 190-2012規(guī)范中空隙率為15%~23%的設(shè)計(jì)要求取中值,即系數(shù)0.77~0.85的中值為0.81。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7天后按不同的水泥劑量為標(biāo)的分別測定連通空隙率、透水系數(shù)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
3.1.1 連通空隙率
骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的連通空隙率主要試驗(yàn)步驟如下:
⑴骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在5個(gè)不同水泥劑量按各自的擊實(shí)結(jié)果,采用設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行配料,按100×100的標(biāo)準(zhǔn)樣品規(guī)格計(jì)算每份材料的加水量、水泥的質(zhì)量、粗細(xì)集料顆粒的質(zhì)量,每份由人工充分?jǐn)嚢瑁?/p>
⑵按最佳含水量的一半水量添加至礦料中分別充分拌和均勻,然后悶料浸潤30min;
⑶在把試樣裝入模前,加入準(zhǔn)備好的水泥并拌和均勻,把預(yù)留的水量噴灑至混合料后中充分拌勻,直到混合料達(dá)到最佳含水量的狀態(tài)。
⑷攪拌均勻后的混合料裝入試模,用力壓平試模兩端的壓板,試件靜置8~12小時(shí)后再脫模,脫模時(shí)間不能太早,因?yàn)樵嚰募?xì)集料含量比較小,不能完全包裹住粗集料,早脫模容易導(dǎo)致試件脫落松散導(dǎo)致費(fèi)件。
⑸把脫模后的試件放在專用的塑料袋中密封并進(jìn)行編號,然后放到養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7天。
⑹每組試驗(yàn)至少三個(gè)試件,把養(yǎng)生后的試件用卡尺測取直徑和厚度(精確至0.1mm),測直徑時(shí)選取兩個(gè)位置,測厚度時(shí)取4個(gè)(交互90°),用各自的平均值計(jì)算試件的體積(V)。
⑺將試件在室溫干燥空氣中風(fēng)干至質(zhì)量不再發(fā)生變化后,測定常溫、干燥狀態(tài)下的試件質(zhì)量(A)。
⑻將試件置于常溫下的水中約1min后,測定其水中重量(C)。測定時(shí),用木槌輕輕敲打試件,將空隙中殘存的空氣排出。
連通空隙率應(yīng)按公式⑴、⑵進(jìn)行計(jì)算:
式中,
VV'——通空隙率(%);
V'——混合料和封閉空隙的體積(mm3);
V——試件的體積(mm3);
A——試件常溫、干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(g);
C——試件在水中的質(zhì)量(g);
ρw——常溫水的密度(1.0g/cm3)。
試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)以平行試驗(yàn)的連通空隙率的平均值表示。連通空隙率的試驗(yàn)裝置如圖2所示。
圖2
骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在不同的水泥劑量下,在7d的齡期進(jìn)行混合料的連通空隙率試驗(yàn),結(jié)果見表10。
表10 連通空隙率試驗(yàn)的結(jié)果
3.1.2 透水系數(shù)
骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的透水系數(shù)試驗(yàn)主要步驟如下:
⑴把養(yǎng)生后的試件用卡尺測取直徑和厚度(精確至0.1mm),測直徑時(shí)選取兩個(gè)位置,測厚度時(shí)取4個(gè)(交互90o),用各自的平均值計(jì)算試件的橫截面面積(A)。
⑵將試件放進(jìn)套筒,與套筒的周邊接觸處用密封材料密封,使其不會在套筒的內(nèi)側(cè)壁漏水,水僅僅從試件的上下表面進(jìn)行滲透。
⑶裝有試件的套筒上接透水圓筒后放入溢流水槽,打開外部水源向套筒內(nèi)供水,調(diào)節(jié)水閥大小,直至溢流孔保持常水位。
⑷進(jìn)水在常水壓條件下向下滲透,滲透通過試件的水用量筒收集,測定5s左右的透水量。
透水系數(shù)按式⑶、⑷計(jì)算:
式中,
Crw——透水系數(shù)(㎝/s);
Q——滲透經(jīng)過試件的水量(㎝3);
t——滲透經(jīng)過試件的時(shí)間(s);
L——試件的高度(㎝);
H——水頭高度(㎝);
A——試件的橫截面面積(㎝2);
K20——標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)時(shí)試件的透水系數(shù);
ηT——T℃時(shí)水的動力黏滯系數(shù);
η20——20℃時(shí)水的動力黏滯系數(shù)。
以3個(gè)試件的測定結(jié)果的平均值作為最終的透水系數(shù)結(jié)果,透水系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖3所示。
圖3
骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石在不同的水泥劑量下,在7d的齡期進(jìn)行混合料的透水系數(shù)試驗(yàn),結(jié)果見表11。
表11 透水系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果
3.1.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法按JTG E51-2009 T0805來執(zhí)行,檢驗(yàn)結(jié)果如表12所示。
表12 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果
綜合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果描繪相關(guān)的關(guān)系曲線。連通空隙率與水泥劑量的關(guān)系曲線見圖4。
圖4 連通空隙率與水泥劑量的關(guān)系圖
透水系數(shù)與水泥劑量的關(guān)系曲線見圖5。
圖5 透水系數(shù)與水泥劑量的關(guān)系圖
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥劑量的關(guān)系曲線見圖6。
圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥劑量的關(guān)系圖
由三個(gè)關(guān)系曲線圖可以看出,隨著水泥劑量的增加,連通空隙率和透水系數(shù)逐漸減少,而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸遞升。根據(jù)規(guī)范[5]的設(shè)計(jì)要求,強(qiáng)度要求≥3.5MPa,水灰比為0.39~0.43,因此確定骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石中水泥的最佳劑量為10%。
通過對骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石所用原材料進(jìn)行優(yōu)選,然后優(yōu)化骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石的級配組成設(shè)計(jì),參照多種透水路面材料的級配要求綜合估算出合適的級配范圍,按擊實(shí)結(jié)果的大小作為強(qiáng)度相關(guān)性的依據(jù),通過力學(xué)性能綜合分析、合適的水灰比以及路用性能、施工難易程度分析,選擇19%的空隙率即壓實(shí)系數(shù)為0.81,水泥劑量為10%的骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石。
根據(jù)骨架空隙型水泥穩(wěn)定碎石透水性材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水對材料的影響,總結(jié)規(guī)律如下:
⑴無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)值并不很高,擊實(shí)結(jié)果最大干密度和水泥劑量呈正相關(guān),要平衡好強(qiáng)度和水泥劑量的關(guān)系,盡量選擇高密度的材料以對沖整體穩(wěn)定材料的強(qiáng)度的不足。
⑵隨著水泥劑量的增加,連通空隙率和透水系數(shù)逐漸減少,而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸遞升。
⑶水灰比與擊實(shí)結(jié)果成正比,在水泥劑量一定下,控制好最佳含水率等于控制好水灰比。