王 勇

（湖北非金屬地質(zhì)公司，湖北 武漢 430000）

目前，我國(guó)道路多為半剛性基層路面［1］，半剛性基層材料主要采用水泥穩(wěn)定碎石。不同國(guó)家的國(guó)情和施工理念不同，對(duì)半剛性基層材料的研究中有一定差異，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)半剛性基層研究主要集中在強(qiáng)度性能上；我國(guó)對(duì)半剛性基層材料的研究更加廣泛［2～3］，主要集中在配級(jí)類(lèi)型和試件成型方面，能夠從水泥摻量等多個(gè)因素評(píng)估其整體性能。

在實(shí)際施工中，由于水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度低，在施工完成后容易出現(xiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象，影響后期的道路使用壽命。針對(duì)這一問(wèn)題，本文基于正交分析方法［4］對(duì)水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)和預(yù)估模型，分析不同配比下其抗壓強(qiáng)度的變化情況，確定劈裂等級(jí)與強(qiáng)度的變化關(guān)系，選擇適宜的基層，為公路建設(shè)提出科學(xué)的支持理論，提高道路的使用壽命。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

粗集料的粒徑為4.82～14.23 mm；細(xì)集料的粒徑為2.84～5.26 mm，最小直徑不得低于2.84 mm；硅酸鹽為32.6 等級(jí)普通材料；石料選擇石灰?guī)r。水泥性能見(jiàn)表1。

表1 水泥基本生產(chǎn)性能指標(biāo)

1.2 方法

1.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是通過(guò)正交表安排多種因素，將選定的原材料按照整齊的設(shè)定方式，進(jìn)行均勻分散布置。在正交試驗(yàn)過(guò)程中，僅需要進(jìn)行少數(shù)試驗(yàn)，即可完成試驗(yàn)要求，根據(jù)不同分析方式處理試驗(yàn)結(jié)果，從而得到多個(gè)類(lèi)型的結(jié)論，將其應(yīng)用在水泥穩(wěn)定碎石測(cè)試中有較高的效率。為明確此次正交試驗(yàn)的目的和因素，將選定的材料按照摻加水泥穩(wěn)定碎石后的配比進(jìn)行混合。

在制作試件過(guò)程中去除人為因素導(dǎo)致的誤差，采用靜壓和振動(dòng)壓制兩種方式完成試件成型，主要是為了后期施工不被現(xiàn)場(chǎng)的條件局限，在任何路段內(nèi)均能夠完成材料的有效混合。原始材料的碎石級(jí)配已經(jīng)確定，在敲擊制作過(guò)程，確定含水量并且采用不同含水量來(lái)配制出多個(gè)測(cè)試試件，按照水泥摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配制。以正交試驗(yàn)的分析模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)試件的水泥摻量和碎石摻量及試件長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)定。由于水泥摻量對(duì)穩(wěn)定碎石的影響較大，在選取混合材料中需要確定水泥和碎石質(zhì)量的百分比，主要是防止摻量過(guò)大或者過(guò)小對(duì)穩(wěn)定性的影響，造成試驗(yàn)中途失敗。見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)下試件因素標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 選擇力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

水泥穩(wěn)定碎石的試驗(yàn)測(cè)試主要為后期路用做基礎(chǔ)，在對(duì)不同影響因素測(cè)定下，分析力學(xué)性能，為提高后期施工的質(zhì)量提供數(shù)據(jù)依據(jù)。整個(gè)正交試驗(yàn)過(guò)程以力學(xué)性能測(cè)試為主，在對(duì)其路用性能分析過(guò)程中選擇多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此分析不同情況下水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能結(jié)果。在實(shí)際施工過(guò)程中，水泥穩(wěn)定碎石的基層施工會(huì)受到多種因素影響，在長(zhǎng)期作業(yè)階段會(huì)難以保障耐久性，需要對(duì)水泥摻量和制作溫度以及齡期進(jìn)行分類(lèi)，將其作為碎石穩(wěn)定的變量影響指標(biāo)，對(duì)水泥后期的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以此保證完整性和耐用度。

由于半剛性基層材料的定量?jī)H有無(wú)限側(cè)壓強(qiáng)度的單一指標(biāo)；因此，在力學(xué)性能測(cè)試過(guò)程中，需要確定抗壓強(qiáng)度符合規(guī)范要求。在滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度的規(guī)范下，劈裂強(qiáng)度越大，基層材料路用性能越高，該情況主要是由于水泥穩(wěn)定碎石中受失水影響，在早期應(yīng)用中產(chǎn)生干裂趨勢(shì)，導(dǎo)致路面在基層施工中產(chǎn)生裂縫。在對(duì)力學(xué)性能分析中根據(jù)不同因素影響，對(duì)配制試件按照抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行指標(biāo)設(shè)定。

1.2.3 水泥穩(wěn)定碎石性能預(yù)估模型

水泥穩(wěn)定碎石在制備成型初期受物理作用影響，形成一個(gè)初始強(qiáng)度q，根據(jù)水泥水化的凝結(jié)速度，不斷推進(jìn)物理變化使得水泥石不斷生成，逐漸增加其強(qiáng)度。以測(cè)試的力學(xué)性能指標(biāo)建立預(yù)估模型，使其能夠判斷不同周期狀態(tài)下的強(qiáng)度增長(zhǎng)情況，以水泥的穩(wěn)定碎石變化邊界為模型條件，在養(yǎng)生齡期w中設(shè)定初始強(qiáng)度，通過(guò)時(shí)間的變化用線(xiàn)性回歸系數(shù)計(jì)算變化后的強(qiáng)度qi

式中：e為水泥熟料不斷消耗過(guò)程中回歸系數(shù)，選值范圍在2.5%～5.8%，變化強(qiáng)度的數(shù)值根據(jù)每種試件的成型強(qiáng)度偏差次數(shù)確定，將初始周期的力學(xué)指標(biāo)，分別設(shè)置為偏差矩陣和理想矩陣

式中：qiv為待評(píng)價(jià)的指標(biāo)集合；qib為每組評(píng)價(jià)后的因素集合，以此衡量指標(biāo)對(duì)應(yīng)的因素，通過(guò)該方法能夠?qū)Σ煌渲玫脑u(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估。

將每次評(píng)定后的正指標(biāo)設(shè)置為理想因素，負(fù)指標(biāo)設(shè)置為非理想因素，每個(gè)因素中均包含最大值qimax和最小值qimin，利用相對(duì)模糊法建立對(duì)應(yīng)矩陣，計(jì)算理想因素的權(quán)重值完成性能預(yù)估模型設(shè)計(jì)

式中：Rqi為各參數(shù)配制試件的理想指標(biāo)。

在被評(píng)測(cè)的試件中預(yù)估能力越強(qiáng)的指標(biāo)，能夠分配的權(quán)重值系數(shù)越高，根據(jù)權(quán)重分配的結(jié)構(gòu)分析不同力學(xué)性能的預(yù)估值。

對(duì)制備的水泥穩(wěn)定碎石試件進(jìn)行測(cè)試，分析現(xiàn)場(chǎng)施工中的性能變化，對(duì)配制后的樣本試件進(jìn)行分類(lèi)，測(cè)試抗壓強(qiáng)度和抗裂性能。

2 結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

為更好地了解正交法對(duì)水泥穩(wěn)定性的作用，在試件成型過(guò)程選擇靜壓和振動(dòng)兩種方式，由于周期較長(zhǎng)，測(cè)試中將強(qiáng)度比較分成多個(gè)階段，以MATLAB 測(cè)試平臺(tái)為主，模擬半年內(nèi)的齡期變化，水泥摻量分別為3.5%、4.5%、5.5%。3 組試件均隨著齡期的變化強(qiáng)度增加，水泥穩(wěn)定碎石在早期的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度迅速，在達(dá)到一定齡期后，增長(zhǎng)變得平緩。見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)限側(cè)壓強(qiáng)度對(duì)齡期變化曲線(xiàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同比例下成型試件的抗壓強(qiáng)度，以線(xiàn)性回歸線(xiàn)分配方式驗(yàn)證抗壓強(qiáng)度，選擇齡期較為平緩的后期階段進(jìn)行測(cè)試，在強(qiáng)度增長(zhǎng)預(yù)估模型下對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行多輪測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

不同水泥和碎石配比狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不同結(jié)果。以選擇的齡期階段來(lái)看，在后期較為平緩的周期下靜壓成型的試件強(qiáng)度會(huì)低于振動(dòng)制成試件，但兩種成型方式的強(qiáng)度變化值均符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 抗裂性能

以5.5%水泥摻量為例，外部環(huán)境的溫差變化在10～12 ℃，分別對(duì)干燥系數(shù)和溫度收縮系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。整個(gè)測(cè)試階段將結(jié)構(gòu)分成懸浮、均勻、孔隙和骨架4 個(gè)密實(shí)結(jié)構(gòu)，每組試件尺寸為50 mm×50 mm×30 mm，室內(nèi)溫度保持在24 ℃左右。干燥系數(shù)主要指試件成型早期的水量蒸發(fā)占比，隨著含水量的不斷縮減在中期階段其含水量會(huì)趨于穩(wěn)定，變成溫度收縮為主，即溫度收縮系數(shù)。各結(jié)構(gòu)類(lèi)型產(chǎn)生的干縮系數(shù)不同，其中骨架密實(shí)的水泥穩(wěn)定系數(shù)最高，懸浮密實(shí)的穩(wěn)定系數(shù)最低，說(shuō)明骨架結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石的干燥性能更加優(yōu)秀。見(jiàn)表4。

表4 水泥穩(wěn)定碎石試件干燥收縮結(jié)果

在完成干燥性能測(cè)定后，對(duì)溫度收縮系數(shù)進(jìn)行比較，每個(gè)試件表面圈定2個(gè)定位圈，利用手持應(yīng)變儀器記錄測(cè)試結(jié)果，采用恒溫、恒濕箱對(duì)性能更加優(yōu)秀的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定，分別按照每隔3 ℃的間隔進(jìn)行測(cè)試。初始測(cè)量溫度仍以干燥系數(shù)的室內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)，在增加和減少室溫變化下，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的溫度收縮系數(shù)變化情況不同。以水泥的初始性能指標(biāo)要求來(lái)看，在溫度為27 ℃時(shí)能夠滿(mǎn)足抗裂要求，其所在的溫度收縮系數(shù)最小。見(jiàn)表5。

表5 水泥穩(wěn)定碎石試件溫度收縮結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文方法能夠準(zhǔn)確分析設(shè)定的試件，確定不同摻量下水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度范圍并得出成品的抗裂性能范圍，該方法具備實(shí)際應(yīng)用效果，可以廣泛推廣。

由于研究時(shí)間的限制，對(duì)水泥制樣的含量設(shè)定分類(lèi)過(guò)少，導(dǎo)致該方法仍然存在不足，后續(xù)探究過(guò)程會(huì)分析不同條件下水泥穩(wěn)定碎石試件的性能差別，以此得出更加科學(xué)的配比范圍，為高等級(jí)公路的建設(shè)提供理論支持。