董佳媛

（河北盛通公路建設(shè)有限公司，河北 承德 068150）

0 引言

新中國成立以來，我國設(shè)計建造的道路取得了非凡成就，現(xiàn)階段在我國已建設(shè)的道路中，主要是半剛性基層道路[1]，而半剛性基層材料中最主要的組成是水泥穩(wěn)定碎石材料，其通常由級配碎石、水和凝膠材料經(jīng)過攪拌、攤鋪和壓實(shí)后形成的骨架型基層，具有良好的承載力、水穩(wěn)性、板體性、原材料便宜簡單易得。相較于以往的基層材料，半剛性基層材料的性能雖然已經(jīng)有了很大提升，但仍然極易產(chǎn)生收縮裂縫，存在抗裂能力低等問題[2]。據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計研究，目前我國的主要交通道路上的路面基層材料使用效果不理想，道路存在嚴(yán)重?fù)p壞。為改善提高水泥基層碎石的性能，許多國內(nèi)外學(xué)者專家在混合料中加入如纖維、外加劑等特殊材料[3-8]，但由于施工工藝和造價成本過高的原因，并不適合大量推廣。此后，結(jié)合水穩(wěn)層礦料級配思路，一種具有抗沖刷、抗疲勞、抗裂縫性和較高強(qiáng)度的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石材料應(yīng)運(yùn)而生。為進(jìn)一步了解骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料的實(shí)際性能，需要進(jìn)行更深層次的試驗(yàn)研究。本文采用理論知識與相關(guān)擊實(shí)試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮與溫縮試驗(yàn)和抗沖刷試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥碎石混合料穩(wěn)定的路用性能進(jìn)行研究，希望能夠?qū)羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)水泥碎石混合料性能的相關(guān)研究提供一定的參考價值。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層材料配比設(shè)計

為得到最大干密度和最佳含水率之間的關(guān)系，按照不同比例的水泥用量對水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，分三組試驗(yàn)，不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)見表1。試驗(yàn)集料最大粒徑是26.5mm，應(yīng)采用第三種方法對水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以得到混合料的含水量-干密度關(guān)系。試樣的濕密度和干密度計算公式分別見式（1）和式（2）。

表1 不同試驗(yàn)方法參數(shù)表

式（1）～（2）中：ρω為材料的濕密度（g/cm3）；m1為試筒與濕試樣的總質(zhì)量（g）；m2為試筒的質(zhì)量（g）；V為試筒的容積（cm3）；ρd為試樣的干密度；ω為試樣的含水量（%）。

經(jīng)過擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)合公式計算，得到骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的試驗(yàn)結(jié)果，分別見表2和表3。

表2 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表2和表3可知，水泥用量相同的情況下，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的最佳含水量都在一定區(qū)間內(nèi)變化，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的最佳含水量略大于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，但懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的最大干密度略小于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)分析

2.1 抗壓回彈模量試驗(yàn)

一般采用材料的抗壓回彈模量反映路面結(jié)構(gòu)的模量，抗壓回彈模量能夠體現(xiàn)出路面材料在應(yīng)力狀態(tài)下的某些特性，即宏觀上的力學(xué)性能，材料的尺寸、受力狀態(tài)和變形程度之間存在一定的關(guān)系。只有合適的基層抗壓回彈模量才能將荷載有效地分散傳遞到土基，如果基層抗壓回彈模量過大，基層和面層之間的應(yīng)力相差變大，會縮短面層的壽命，同時，基層本身也容易因剛度過大而斷裂；如果基層抗壓回彈模量太小，荷載不能有效快速擴(kuò)散到土基，面層層底彎拉應(yīng)力和土基承受的應(yīng)力都將增加，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的剛度降低，進(jìn)而對路面結(jié)構(gòu)造成不良影響。

將不同水泥用量的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石試件，采用頂面法，將養(yǎng)生齡期為27d的試件浸水24h后取出，擦干水并修補(bǔ)試件表面的不平處，根據(jù)我國對抗壓回彈模量試驗(yàn)的規(guī)范進(jìn)行抗壓回彈模量測試，同時與懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。測試結(jié)果見表4。

表4 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)抗壓回彈模量測試結(jié)果

由表4可知，在相同水泥用量時，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的抗壓回彈模量低于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，隨著水泥用量從4%增加到6%這個過程，抗壓回彈模量有較明顯的增長；而懸浮結(jié)構(gòu)只有當(dāng)水泥用量大于5.5%時，抗壓回彈模量的增加值才有明顯的改變。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

路面結(jié)構(gòu)中承受交通荷載的主要是水泥穩(wěn)定碎石基層，根據(jù)相關(guān)人士的實(shí)地調(diào)查，早期道路的損壞通常是由于基層承重不達(dá)標(biāo)造成的，因此，基層強(qiáng)度高的路面更能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對交通道路的需求。根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[7]的規(guī)范要求，對骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行7d無側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表5 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

由表5可知，隨著水泥用量的增加，7d齡期的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)試件的強(qiáng)度也隨之增加，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度明顯低于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，雖然這兩種試件都呈現(xiàn)強(qiáng)度增加的趨勢，但抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而逐漸變小，最終試件損壞。

3 干縮試驗(yàn)

半剛性基層材料自身擁有一個無法避免的缺陷，即在受外界環(huán)境影響后會產(chǎn)生明顯的收縮性，在溫度和濕度反復(fù)變化及不同車載的作用下，收縮產(chǎn)生干溫縮裂縫，造成受力不均衡，從而導(dǎo)致路面的穩(wěn)定性下降，最終破壞路面結(jié)構(gòu)。

隨著時間及環(huán)境溫度的變化，水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部的含水量不斷蒸發(fā)而導(dǎo)致混合料的體積減小，發(fā)生干縮現(xiàn)象。根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[7]的規(guī)范要求進(jìn)行相應(yīng)的時間干縮試驗(yàn)，干縮試驗(yàn)中設(shè)置五個不同水泥用量的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)中梁試件，結(jié)果見表6。

表6 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)干縮試驗(yàn)結(jié)果單位：%

由表6可知，水泥穩(wěn)定碎石的總干縮系數(shù)與水泥用量成正相關(guān)，當(dāng)水泥用量在5%時，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)與懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的總干縮系數(shù)比較相似，在此次試驗(yàn)中，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的總干縮系數(shù)相對骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)增長較快，表明混合料的級配形成的骨架對水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)有著明顯的影響。

4 抗沖刷試驗(yàn)

基層和面層之間會存在一定的自由水，在反復(fù)荷載作用下，能夠抵抗由此產(chǎn)生的抗動水壓沖刷的能力即為水泥碎石混合料的抗沖刷性能。由于降雨等各種外界原因，水流入水泥混凝土或?yàn)r青路面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，而流入的水又不能及時有效地排出，長期擠壓在基層和面層之間，使基層長期浸泡在水中。在日復(fù)一日的車輛荷載的沖壓作用下，基層材料容易流失，日積月累，流失的材料積壓在裂縫中，逐漸形成泥漿，最終噴出路面。

雖然水泥穩(wěn)定碎石的評價標(biāo)準(zhǔn)主要是通過抗沖刷性能間接反映的，但國內(nèi)外測定水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的方法和器械不同，本試驗(yàn)中，主要用機(jī)架、電機(jī)、手輪、計數(shù)器、橡膠沖刷頭、沖刷桶等組成最大沖擊力為0.8MPa、加載頻率為10Hz的抗沖刷試驗(yàn)儀。用沖刷頭朝試件頂板中間向下沖壓的試驗(yàn)擠出試件頂面中間細(xì)粒漿的過程，來模擬車載作用力導(dǎo)致基層頂部和面層底部之間擠出產(chǎn)生細(xì)粒漿的現(xiàn)象；而沖刷頭快速向上縮回時，由于沖刷頭底部和試件頂面之間產(chǎn)生了負(fù)壓效應(yīng)，此時會把水迅速吸入到?jīng)_刷頭底部，同時將試件表面的細(xì)顆粒以及動力水壓導(dǎo)致的“沖刷細(xì)渣”帶出來，整個過程是一種泵吸作用，用來模擬路面面層回彈。試驗(yàn)用沖刷儀如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用沖刷儀

此次試驗(yàn)采用的沖刷儀是自行按照國家及行業(yè)相關(guān)規(guī)范要求研制的，試驗(yàn)性能強(qiáng)，可靠性高。試驗(yàn)中分別選取骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)不同齡期的試件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，這兩種不同結(jié)構(gòu)類型的水泥穩(wěn)定碎石在不同齡期和不同水泥含量下的沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果見表7和表8。具體的試驗(yàn)過程如下：

表7 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)不同水泥含量、不同齡期的沖刷試驗(yàn)結(jié)果

表8 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)不同水泥含量、不同齡期的沖刷試驗(yàn)結(jié)果

（1）用固定支架將15cm×15cm的圓柱形試件固定在底座，放入鋼桶，注入水，直至水的高度比試件高0.5cm。

（2）用旋轉(zhuǎn)手輪將放有沖刷桶的鋼板緩慢升到定位孔和定位桿相互接觸的位置。

（3）位置調(diào)整合適后，調(diào)整大帶輪的收緊程度，用手輕輕轉(zhuǎn)動儀器，直至能平穩(wěn)轉(zhuǎn)動大帶輪。

（4）插上電源，事先設(shè)置好試驗(yàn)次數(shù)，紅色按鈕為暫停鍵，綠色按鈕為開始鍵。

（5）沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，將沖刷桶內(nèi)的液體倒入金屬桶中，靜止安放12h。

（6）12h后，將金屬桶里的液體倒出，放在恒溫105℃的烘箱中，烘干后取出，記錄重量。

由表7和表8可知，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)沖刷量與水泥含量存在正相關(guān)關(guān)系，從貝雷法設(shè)計的角度出發(fā)，在相同齡期中，4.5%水泥含量對于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)是一個臨界點(diǎn)，當(dāng)水泥含量大于4.5%時，隨水泥含量的增加，沖刷量明顯降低，反之，沖刷量增加不明顯；而對于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，水泥含量的增加并沒有帶來明顯的沖刷量變化?？梢员砻?，在選用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)時可以通過適當(dāng)增加水泥含量提高水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷能力。

5 結(jié)語

為分析骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料的路用性能，本文采用理論知識結(jié)合相關(guān)擊實(shí)試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干溫縮試驗(yàn)和抗沖刷試驗(yàn)對骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥碎石混合料的穩(wěn)定的路用性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：級配設(shè)計合適的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度比骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)小得多；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的干縮系數(shù)比懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)??；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石沖刷量與沖刷時間具有同趨勢變化關(guān)系。