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        基于顆粒流理論的水泥穩(wěn)定碎石混合料新型拌合技術(shù)

        2022-08-03 09:57:50路來芬徐欽升閆翔鵬
        山東交通科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:齡期集料碎石

        路來芬,徐欽升,閆翔鵬

        (1.莒南縣交通運(yùn)輸局,山東 臨沂 276699;2.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250031)

        引言

        水穩(wěn)基層因板體性好、強(qiáng)度大、耐久性強(qiáng)等性能廣泛應(yīng)用于我國(guó)公路基層建設(shè)中[1-3],然而伴隨水穩(wěn)基層大量應(yīng)用,其自身短板也漸漸顯現(xiàn)。水泥穩(wěn)定碎石混合料是由粗集料、細(xì)集料、水泥和水按一定比例均勻拌和而成的一種混合料,組成材料自身性能是影響混合料性能的首要因素,研究發(fā)現(xiàn)[4-9],拌合工藝的改進(jìn)可較好地改善材料性能,基于顆粒流理論[10-14]的水泥穩(wěn)定碎石混合料新型拌合工藝,先將粗集料與水泥漿攪拌,待攪拌一定時(shí)間后再將細(xì)集料加入攪拌,該技術(shù)通過改變水穩(wěn)混和料拌合過程中各檔集料顆粒加入的拌合順序,實(shí)現(xiàn)水泥漿與集料的靶向結(jié)合,改善了拌合均勻性和集料裹附程度,充分發(fā)揮材料各組分優(yōu)勢(shì),提高混合料性能。

        1 試驗(yàn)方案及混合料設(shè)計(jì)

        1.1 試驗(yàn)方案

        相同試驗(yàn)環(huán)境下,主要通過無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓彈性模量及干縮試驗(yàn),對(duì)基于兩種攪拌方式(現(xiàn)行常規(guī)拌合技術(shù)/基于顆粒流理論的新型攪拌技術(shù))、不同水泥劑量和不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥穩(wěn)定碎石混合料性能對(duì)比分析,試驗(yàn)方案見表1。

        表1 試驗(yàn)方案

        1.2 混合料設(shè)計(jì)

        1.2.1 原材料

        (1)集 料。選用20 ~30 mm、10 ~20 mm、5~10 mm碎石和0~5 mm石屑四檔優(yōu)質(zhì)粗、細(xì)石料,所選集料指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF20—2015)要求,主要指標(biāo)見表2。(2)水泥。水泥選用P.O 32.5 普通硅酸鹽水泥,其主要技術(shù)指標(biāo)滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》(DB 37/T 3577—2019)要求。(3)水。試驗(yàn)用水選用可飲用地下水,各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》(DB 37/T 3577—2019)要求。

        表2 粗、細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)

        1.2.2 級(jí)配選擇

        選用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu),并按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF20—2015)所推薦級(jí)配范圍值進(jìn)行設(shè)計(jì),水泥穩(wěn)定碎石混合料合成級(jí)配見表3,級(jí)配曲線見圖1。

        表3 優(yōu)化后水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配

        圖1 優(yōu)化后水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配曲線

        2 性能試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

        2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

        參照試驗(yàn)規(guī)程[15],對(duì)兩種不同攪拌工藝成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

        圖2 不同水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

        由圖2 可知,兩種拌合技術(shù)水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著水泥劑量的增加不斷增大;同一水泥劑量下,基于顆粒流理論的新型拌合技術(shù)的水穩(wěn)混合料強(qiáng)度更大,約提升36.8%;且混合料變異系數(shù)更小,約降低39.2%;水泥劑量較低時(shí),新型拌合技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更大,表明在相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)要求下,新型拌合工藝可以實(shí)現(xiàn)降低水穩(wěn)混合料的水泥劑量。

        選用4.5%水泥劑量的水穩(wěn)混合料進(jìn)行不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),見圖3。

        圖3 不同齡期水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

        由圖3 可知,基于兩種拌合技術(shù)的水泥混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期增加不斷增大;相同養(yǎng)護(hù)齡期下,基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料強(qiáng)度更大,表明新型拌合工藝可以提高其早期強(qiáng)度,在更短養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)滿足下一階段施工強(qiáng)度指標(biāo),實(shí)現(xiàn)縮短水穩(wěn)混合料的養(yǎng)護(hù)齡期。

        2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

        按照試驗(yàn)規(guī)程[15]進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)(間接拉伸試驗(yàn)),對(duì)基于不同拌合工藝的不同齡期(4.5%水泥劑量)、不同水泥劑量(7 d 養(yǎng)護(hù)齡期)水穩(wěn)混合料的彎拉性能分析評(píng)價(jià),試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

        圖4 不同拌合工藝水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強(qiáng)度

        由圖4可知,水穩(wěn)混合料劈裂強(qiáng)度與齡期正相關(guān),與常規(guī)拌合工藝相比,基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料抗裂性能更佳,強(qiáng)度提升更快,劈裂強(qiáng)度提高約18.53%;新型拌合技術(shù)在低水泥劑量下,混合料劈裂強(qiáng)度可達(dá)到較高水準(zhǔn),其3.0%、3.5%、4.0%、4.5%水泥劑量下的劈裂強(qiáng)度分別達(dá)到常規(guī)拌合3.5%、4.0%、4.5%、5.0%水泥劑量的強(qiáng)度水平。

        2.3 抗壓回彈模量

        對(duì)基于兩種拌合工藝成型的12 個(gè)水穩(wěn)混合料試件進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn),對(duì)不同水泥劑量的水穩(wěn)混合料模量分析,試驗(yàn)結(jié)果(模量均值)見圖5。

        圖5 不同拌合工藝水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量

        由圖5 可知,兩種拌合工藝的水穩(wěn)混合料彈性模量均隨著水泥劑量增加不斷增大,與常規(guī)拌合技術(shù)相比,基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料彈性模量更大,當(dāng)水泥劑量<4.5%時(shí),模量約提升35%;當(dāng)水泥劑量>4.5%時(shí),模量約提升10%,相同水泥劑量下呈現(xiàn)高強(qiáng)度高模量現(xiàn)象,表明基于顆粒流理論的新型拌合技術(shù)能夠在考慮材料抗裂性能方面獲得相對(duì)較大的強(qiáng)度要求。

        2.4 干縮性能

        成型梁式試件,對(duì)兩種拌合技術(shù)的水穩(wěn)混合料進(jìn)行干縮試驗(yàn),對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下混合料的干縮性能分析,試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

        圖6 不同拌合工藝水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮對(duì)比

        由圖6 可知,水泥穩(wěn)定碎石混合料隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,其干縮量、失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)均增長(zhǎng);14 d 養(yǎng)護(hù)齡期下,基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料干縮相對(duì)較小,其干縮性能更佳,且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),混合料干縮對(duì)比更佳明顯,累積干縮量約減小18.1%,累積失水率減小約4.6%,累積干縮系數(shù)減小約18.6%,表明基于顆粒流理論的新型拌合技術(shù)可以有效改善混合料的拌合均勻性及集料間的有機(jī)組合,降低了材料的干縮參數(shù),明顯改善提高了水穩(wěn)混合料的抗開裂性能。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)相同室內(nèi)試驗(yàn)條件下,與現(xiàn)行常規(guī)拌合技術(shù)相比,基于顆粒流理論拌合技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度和模量更大。(2)基于顆粒流理論拌合技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料拌合均勻性更好,混合料偏差/變異系數(shù)、累積干縮量、干縮系數(shù)及累積失水率更低,混合料耐久抗裂性能變現(xiàn)更佳。(3)在相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)下,基于新型拌合技術(shù)的水穩(wěn)混合料可以降低水泥劑量及縮短養(yǎng)護(hù)齡期。

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