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        基于CAVF法設(shè)計水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能研究

        2022-06-27 02:11:50金龍飛李傳海馮志鵬
        交通科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:溫縮骨架集料

        金龍飛 李傳海 馮志鵬 朱 穎

        (1.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 濟南 250014; 2.山東高速工程檢測有限公司 濟南 250002;3.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司 濟南 250014)

        半剛性基層瀝青路面是我國瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式,其占比超過95%[1]。半剛性基層廣泛應(yīng)用,但其不可避免地會因為干燥收縮和溫度收縮產(chǎn)生開裂;并且半剛性材料收縮性越大,裂縫開口越寬,數(shù)量越多,間距越小[2]?;鶎恿芽p能夠通過層間剪切力擴展到面層,最終擴展為路面結(jié)構(gòu)的反射裂縫[3]。反射裂縫破壞了路面結(jié)構(gòu)的防水性,使外界水分通過開裂處進(jìn)入路面結(jié)構(gòu),誘發(fā)水損害甚至結(jié)構(gòu)性損害,極大地縮短了道路使用壽命[4]。滁州公路管理局提出并改進(jìn)的填充式大粒徑水泥穩(wěn)定碎石(F-LSBC)基層對改善水穩(wěn)開裂現(xiàn)象效果良好[5]。F-LSBC基層以大粒徑碎石為骨架,集料和水泥為填充料,填充大粒徑碎石骨架中的空隙,結(jié)合柔性基層與半剛性基層各自優(yōu)點的同時又克服了兩者的缺點。F-LSBC填充料與粗集料的級配根據(jù)工程經(jīng)驗判斷,從而影響該材料的應(yīng)用效果。CAVF法(course aggregate void filling,CAVF)最早用于瀝青混合料設(shè)計[6],其設(shè)計思路是實測粗集料的空隙,使細(xì)集料的體積、瀝青體積、礦粉體積和設(shè)計空隙之和等于主骨架的空隙體積,后經(jīng)許多專家學(xué)者進(jìn)一步優(yōu)化總結(jié)得到[7],但該方法暫未應(yīng)用至水泥穩(wěn)定碎石混合料。區(qū)別于瀝青混合料的膠結(jié)料,水泥穩(wěn)定碎石材料所用的膠結(jié)料與水反應(yīng),水化生成凝膠黏結(jié)集料以提供強度。為此,本工作優(yōu)化CAVF法中設(shè)計空隙等參數(shù)設(shè)計水泥穩(wěn)定碎石混合料,并與骨架密實型混合料級配設(shè)計方法進(jìn)行對比,研究不同設(shè)計方法的水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

        1 試驗材料與方法

        1.1 試驗材料

        1.1.1水泥

        采用中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,根據(jù)試驗規(guī)程測得水泥各項技術(shù)指標(biāo)見表1。

        表1 水泥的物理參數(shù)

        1.1.2集料

        采用各檔粗、細(xì)集料的篩分符合JTG F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[8],各檔集料的性能指標(biāo)結(jié)果見表2。

        表2 集料性能指標(biāo)

        1.2 混合料CAVF法設(shè)計

        首先確定水泥用量為4.0%,根據(jù)貝雷法粗、細(xì)集料的定義原則第一控制篩孔為最大公稱粒徑的22%[9],因此選擇20~30 mm和0~5 mm 2檔集料,根據(jù)式(1)~(3),設(shè)定設(shè)計空隙分別為0、-5%、-10%,計算粗、細(xì)集料的比例,分別記作JP-0、JP-5、JP-10。骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料作為空白組,記作JP-A。4種混合料的級配曲線見圖1。

        圖1 合成級配曲線圖

        (1)

        qc+qf+qs=100

        (2)

        (3)

        式中:VCA為粗集料空隙率,%;ρc為粗集料的表觀密度,g/cm3;ρ(s)c為粗集料的緊裝密度,g/cm3;qc、qf、qs分別為粗集料、細(xì)集料、水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Vυ為混合料的設(shè)計空隙,%。

        1.3 試驗方法

        試驗主要測試上述4個級配曲線制備的水泥穩(wěn)定碎石的物理參數(shù)(最大干密度和最佳含水率)和收縮性能參數(shù)(干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)),所有試驗方法均按照J(rèn)TG E51-2009 《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[10]執(zhí)行。

        1.3.1擊實試驗

        在4.0%的固定水泥含量下,通過擊實試驗分析不同級配制備的水泥穩(wěn)定碎石混合物。根據(jù)實踐經(jīng)驗,采用3.0%、3.5%、4%、4.5%、5%的含水率。繪制水穩(wěn)混合料的含水率-干密度關(guān)系曲線,從而確定其最佳含水率和最大干密度。

        1.3.2干縮試驗

        采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件。將試件在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d并浸泡在水中1 d,取出試件測量其初始長度L0,稱取初始質(zhì)量m0;將試件放在干縮室內(nèi),開始1周內(nèi)每天測量長度與質(zhì)量,1周后每2 d測量長度和質(zhì)量,試驗周期為1個月。在干縮試驗結(jié)束時,將試驗試件放入烘箱加熱直至恒重,為mp。根據(jù)式(4)~(8)計算試驗結(jié)果。

        失水率:wi=(mi-mi+1)/mp

        (4)

        (5)

        干縮應(yīng)變:εi=δi/L0

        (6)

        干縮系數(shù):αdi=εi/wi

        (7)

        (8)

        1.3.3溫縮試驗

        采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石試件,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d并浸泡在水中1 d,養(yǎng)生結(jié)束時,將試件放入烘箱10 h,溫度設(shè)置為105 ℃,待試件完全干燥至恒重,然后放置在通風(fēng)的地方冷卻到室溫,測量試件原始長度L0,然后放入試驗箱中進(jìn)行試驗。本次試驗的溫度為0~50 ℃,每間隔10 ℃為1個梯度,試驗過程中,先將溫度控制在50 ℃,保溫3 h,接著開始按照0.5 ℃/min的速率降溫,待下降到下一溫度后,再保溫3 h,在保溫的最后5 min讀取數(shù)據(jù),以此類推,直到溫度降至0 ℃。

        根據(jù)下列公式計算溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)。

        (9)

        (10)

        式中:ti為第i個溫度區(qū)間的千分表讀數(shù)和的平均值,mm;ti為溫度控制程序設(shè)定的第i個溫度區(qū)間,℃;εi為第i個溫度區(qū)間的溫縮應(yīng)變;αi為第i個溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)。

        2 試驗結(jié)果分析

        2.1 擊實結(jié)果分析

        {HJ最大干密度和最佳含水率的匯總結(jié)果見圖2。圖2結(jié)果顯示,骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率均高于CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料。骨架密實結(jié)構(gòu)能夠逐級填充骨架中的空隙,使混合料結(jié)構(gòu)更加密實;而CAVF法設(shè)計的水穩(wěn)混合料的骨架采用20~30 mm粗集料,僅用細(xì)集料(0~5 mm)填充,無法達(dá)到完全填充狀態(tài),造成體系中空隙較多,使得混合料的最大干密度和最佳含水率減小。

        圖2 不同級配的最佳含水率和最大干密度

        同樣的,按照CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石,混合料的最大干密度和最佳含水率與設(shè)計空隙絕對值成正相關(guān)關(guān)系。相較于JP-0,JP-10的最大干密度從2.384 g/cm3增加至2.429 g/cm3,提高了1.89%,最佳含水率從3.7%增加至3.9%,提高了5.40%。從級配JP-0到JP-10,體系中的細(xì)集料占比增加,密實度增加,使混合料的最佳含水率和最大干密度逐步提高。

        2.2 干縮結(jié)果分析

        水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮試驗結(jié)果見表3,干縮應(yīng)變、總干縮系數(shù)與級配的相關(guān)結(jié)果分別見圖3、圖4。

        圖3 干縮應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

        圖4 干縮應(yīng)變變化速率

        表3 水泥穩(wěn)定碎石干縮試驗結(jié)果

        由表3可知,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,各級配試件的累計干縮量和累計失水率逐漸增加,表現(xiàn)出一致的規(guī)律。其中CAVF法設(shè)計的混合料試件的干縮量在第15 d后遞增速率減緩,失水率在第5 d后趨于平穩(wěn);而對比組混合料試件的干縮量約在第25 d后趨于平緩,第11 d后的失水率結(jié)果波動較小。CAVF法設(shè)計的混合料隨著設(shè)計空隙絕對值的增加,試件的總干縮量和累計失水率呈現(xiàn)遞增趨勢,JP-10比JP-0混合料試件的累計干縮量增加了17.7%,比JP-5的累計干縮量增加了5.8%。對比2種水穩(wěn)混合料級配設(shè)計方法,CAVF法設(shè)計的混合料試件的干縮量與失水率均低于骨架密實型的水穩(wěn)混合料,其抵抗收縮變形能力較強,表現(xiàn)出較好的抗裂性能。由圖3可見,干縮應(yīng)變結(jié)果表現(xiàn)出與干縮量相同的試驗結(jié)果,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,干縮應(yīng)變值不斷增加。養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的干縮應(yīng)變值達(dá)到了312×10-6,而按照CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的最大干縮應(yīng)變值為182.5×10-6,僅為骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的58.5%。

        由圖4可見,數(shù)值越大,說明干縮應(yīng)變變化越快。骨架密實型混合料試件在養(yǎng)護(hù)齡期至21 d時,干縮應(yīng)變速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CAVF法混合料試件,養(yǎng)護(hù)齡期21 d后,干縮應(yīng)變速率趨于平穩(wěn),應(yīng)變速率變化值在2.5×10-6/d波動。CAVF法混合料試件在養(yǎng)護(hù)齡期至15 d后,干縮應(yīng)變速率趨于平緩,應(yīng)變速率變化值在1.25×10-6/d波動,為傳統(tǒng)骨架密實型混合料試件應(yīng)變速率的50%。

        2.3 溫縮結(jié)果分析

        溫縮試驗結(jié)果見圖5。

        圖5 不同級配水泥穩(wěn)定碎石的溫縮變化規(guī)律

        由圖5可見,不同級配設(shè)計方法成型的混合料試件,其溫縮系數(shù)呈現(xiàn)以下的變化:在溫度下降的過程中,溫縮系數(shù)逐漸減小,并且其數(shù)值變化較大的時期為降溫初期,在后期變化逐漸變小,均在10~0 ℃的時候降低到最低點。水泥穩(wěn)定碎石材料試件在溫度較高時,材料發(fā)生了熱膨脹,體積相比常溫時有所增加,這為后續(xù)降溫過程提供了收縮的空間,溫度剛開始下降時,試件迅速產(chǎn)生反應(yīng),體積收縮較大。在收縮過程中,集料和結(jié)合料貼合越來越緊密,強度慢慢增加。隨著溫度的降低,試件內(nèi)部材料接觸越來越緊,體積變小,因為集料與集料、結(jié)合料接觸點變多,形成了較高的強度,可接受的收縮空間變小,因此溫度越低,收縮量越小。這說明混合料的收縮性能會隨著溫度的降低而有所提高。

        對比不同級配設(shè)計方法,可以看出,采用CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的溫縮系數(shù)均小于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件。骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的平均溫縮系數(shù)值為7.249×10-6℃-1,而采用CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料JP-0試件的平均溫縮系數(shù)僅為前者的61.6%,表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗溫縮變形的能力。

        3 結(jié)論

        1) 干縮試驗結(jié)果表明,采用改進(jìn)的CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料,其失水率、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)均小于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料。前者的最大干縮應(yīng)變值僅為后者的58.5%,總干縮系數(shù)為后者的70.3%,具有良好的抵抗干縮變形能力。

        2) 溫縮試驗結(jié)果表明,采用改進(jìn)的CAVF法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)均小于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料,前者的平均溫縮系數(shù)為后者的61.6%,表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗溫縮變形能力。

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