李雪連, 鞠志成, 周宇豪, 周梓涵, 王隨原

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司, 北京 100011；4.湖北交通工程檢測(cè)中心有限公司, 湖北 武漢 430223)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層因其較好的承載力和板體性以及取材便利等優(yōu)勢(shì),在我國(guó)和非洲、歐洲的部分國(guó)家廣泛應(yīng)用[1]，然而,該類基層普遍存在易出現(xiàn)裂縫、強(qiáng)度與耐久性不足等問(wèn)題[2]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的研究主要集中在原材料的級(jí)配[3]、外加劑[4-5]及混合料的成型方法等方面[6-7],也有學(xué)者為改善攪拌效果,嘗試在傳統(tǒng)攪拌的過(guò)程中增加振動(dòng)功能。王博[8]、徐周聰?shù)萚9]發(fā)現(xiàn)混合料中的細(xì)料和水泥在振動(dòng)攪拌下會(huì)處于一定的振顫狀態(tài),可以解決細(xì)料和水泥之間的結(jié)團(tuán)問(wèn)題,同時(shí),粗顆粒之間的有效碰撞次數(shù)也隨振動(dòng)明顯增多,可提高水泥穩(wěn)定碎石的均勻性。余艷[10]發(fā)現(xiàn)振動(dòng)作用不僅使得混合料之間的內(nèi)摩擦力大大減小,而且增強(qiáng)了混合料之間的剪切作用及礦料間的對(duì)流作用,顯著提高攪拌效率。同時(shí),有學(xué)者發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度也提高了[11-12]。Dong等[13-14]發(fā)現(xiàn)拌和振動(dòng)強(qiáng)度越大,干縮性能越好,水泥穩(wěn)定碎石均勻性越好,試驗(yàn)路面裂縫數(shù)量也更少,但對(duì)強(qiáng)度、模量及耐久性等并未進(jìn)一步分析。張飛龍等[15]發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌能改善水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能,在一定程度上降低水泥穩(wěn)定碎石因溫度變化出現(xiàn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn),振動(dòng)攪拌可提高攪拌效率和效果,但目前的研究主要集中在水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度、干縮、溫縮等個(gè)別性能,還不夠系統(tǒng)。

因此,本文將系統(tǒng)地對(duì)比分析傳統(tǒng)和振動(dòng)2種攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、回彈模量、干縮、溫縮和疲勞性能,為振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試件制備

1.1 水泥

采用海螺牌P.C 32.5R緩凝型水泥,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范[16]要求,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

按照規(guī)范[17]對(duì)集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),粗集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范[16]要求,而細(xì)集料的含泥量略高,因此在使用前應(yīng)對(duì)細(xì)集料進(jìn)行清潔,具體見(jiàn)表2。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

1.3 級(jí)配

所使用的集料共四檔,分別為10～30 mm碎石、10～20 mm碎石、5～10 mm碎石和0～5 mm石屑。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[16]中C-B-3的推薦級(jí)配范圍確定級(jí)配,具體試驗(yàn)級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)級(jí)配

1.4 試件制備與養(yǎng)生

在振動(dòng)攪拌后,根據(jù)規(guī)范[18]中重型擊實(shí)試驗(yàn)中的丙試驗(yàn)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,分別采用振動(dòng)攪拌和普通靜力攪拌制備4.5%和5.0%水泥用量的各類試件。傳統(tǒng)和振動(dòng)攪拌均使用德通DT60ZBW型小型振動(dòng)攪拌機(jī),拌和時(shí)間為2 min,振動(dòng)攪拌時(shí)比傳統(tǒng)攪拌需多開(kāi)啟振動(dòng)裝置。攪拌時(shí),振幅A為1.0 mm；振動(dòng)圓頻率ω為201.1 rad/s；振動(dòng)強(qiáng)度D=Aω2/g,g為重力加速度；A取值為4.13。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度及抗壓回彈模量的圓柱形試件尺寸均為：直徑為150 mm，高度為150 mm；而干縮試驗(yàn)、溫縮試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的中梁試件尺寸均為：100 mm×100 mm×400 mm,壓實(shí)頻率為30 Hz。成型后,試件均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生。

2 路用性能試驗(yàn)

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2種攪拌方式及不同齡期下的水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知,在相同水泥劑量和齡期條件下,振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石具備更高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及更小的強(qiáng)度變異系數(shù)Cv。振動(dòng)攪拌可使水泥水化更充分且水化產(chǎn)物分布更均勻。規(guī)范中給定水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為4.0 MPa[18],以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制,振動(dòng)攪拌僅需4.5%水泥,比傳統(tǒng)攪拌節(jié)省0.5%。可見(jiàn),振動(dòng)攪拌技術(shù)的應(yīng)用能夠有效節(jié)約基層成本。當(dāng)水泥劑量為4.5%時(shí),振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的作為效果尤其突出,此結(jié)論與文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)論一致。當(dāng)水泥劑量增加到5%時(shí),振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的提高幅度略有降低。另外,采用振動(dòng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度更高,可以在更短的齡期內(nèi)達(dá)到規(guī)范要求，因此,采用振動(dòng)攪拌技術(shù)能夠減少水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護(hù)時(shí)間,對(duì)于提高水泥穩(wěn)定碎石基層施工進(jìn)度及施工效率具有重要意義[20]。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和Cv值

2.2 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

不同齡期及2種攪拌方式下的水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 間接拉伸強(qiáng)度和Cv值

在圖2中,在相同水泥劑量和齡期條件下,與傳統(tǒng)攪拌相比,振動(dòng)攪拌具備更高的間接抗拉強(qiáng)度,說(shuō)明振動(dòng)攪拌技術(shù)可明顯提高間接抗拉強(qiáng)度。另外,振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石在早期就能具備較高的間接拉伸強(qiáng)度，但與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比,振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強(qiáng)度提升效果略差。當(dāng)水泥劑量為4.5%時(shí),與傳統(tǒng)攪拌相比,振動(dòng)攪拌的90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升了22.4%,但間接抗拉強(qiáng)度僅為16%。這主要是由于水泥穩(wěn)定碎石的抗拉強(qiáng)度主要來(lái)源于水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用,而抗壓強(qiáng)度不僅取決于水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用,同時(shí)還受到粗集料之間嵌鎖作用的影響[21]。

2.3 抗壓回彈模量試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量對(duì)路面的承載力和路面整體強(qiáng)度有著重要的影響。分別對(duì)齡期為28、90、180 d的2種攪拌方式水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),荷載等級(jí)設(shè)定為5級(jí),每級(jí)荷載作用次數(shù)200次；試驗(yàn)前對(duì)試件施加0.3P荷載,預(yù)壓30 s，其中P為測(cè)試得到的水泥穩(wěn)定碎石破壞強(qiáng)度；荷載由低到高逐級(jí)加載,記錄試件的最大和最小變形,結(jié)果如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)抗壓回彈模量

從圖3可知,在相同齡期及水泥劑量時(shí)振動(dòng)攪拌的動(dòng)態(tài)抗壓回彈模量均比傳統(tǒng)攪拌高,且隨著齡期和水泥劑量的增加,振動(dòng)攪拌可更大幅度地提高水泥穩(wěn)定碎石的動(dòng)態(tài)抗壓回彈模量。這主要因?yàn)檎駝?dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)凝聚成團(tuán)的水泥顆粒被打散,水泥分布更均勻且水化更充分,使水泥與集料間的黏結(jié)力大幅增加。另外,在28 d后,振動(dòng)攪拌抗壓回彈模量的增長(zhǎng)率比傳統(tǒng)攪拌小。說(shuō)明振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石在早期即可形成較高的抗壓回彈模量,利于施工。

2.4 干縮試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定碎石基層在濕度變化時(shí)易產(chǎn)生干縮裂縫,進(jìn)而形成瀝青面層反射裂縫。文中對(duì)4.5%水泥劑量的2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行干縮試驗(yàn)。試驗(yàn)前將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d,測(cè)其初始長(zhǎng)度和初始質(zhì)量,在收縮儀上安裝好后放入干縮室內(nèi)(20±1)℃,相對(duì)濕度為(60±5)%。試驗(yàn)開(kāi)始的前7 d內(nèi)每天記錄一次數(shù)據(jù)(精確至0.001 mm),并稱重；7 d后每2 d記錄一次數(shù)據(jù),連續(xù)記錄23 d；從第二個(gè)月開(kāi)始,每7 d記錄一次數(shù)據(jù),直至數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)束后,將標(biāo)準(zhǔn)試件放入烘箱內(nèi)烘干至恒量并稱其質(zhì)量。計(jì)算得到干縮應(yīng)變和系數(shù)如圖4、5所示。

圖4 2種水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變

從圖4可知,2種攪拌的干縮應(yīng)變均為先增大再逐漸趨于平緩,且干縮均主要發(fā)生在早期。振動(dòng)攪拌的干縮應(yīng)變?cè)?0 d基本穩(wěn)定,但傳統(tǒng)攪拌在40 d才穩(wěn)定。這主要因?yàn)檎駝?dòng)攪拌的水化反應(yīng)主要集中在早期,隨著齡期增長(zhǎng)內(nèi)部的水泥水化反應(yīng)速率降低,混合料的失水收縮和水泥水化時(shí)的碳化收縮均減小,故其干縮更早趨于穩(wěn)定，因此,振動(dòng)攪拌可縮短養(yǎng)護(hù)周期和提高施工效率。振動(dòng)攪拌干縮應(yīng)變曲線一直處于傳統(tǒng)攪拌下方,說(shuō)明在相同齡期時(shí)振動(dòng)攪拌的干縮應(yīng)變均明顯比傳統(tǒng)攪拌的小,即干縮性能比傳統(tǒng)攪拌好。振動(dòng)攪拌可有效降低水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

從圖5可知,在相同齡期時(shí),振動(dòng)攪拌的干縮系數(shù)基本比傳統(tǒng)攪拌小,即干縮性能優(yōu)于傳統(tǒng)攪拌,這與干縮應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果一致。水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮主要由內(nèi)部的毛細(xì)管張力作用和吸附水的分子間力導(dǎo)致的[22]。在振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石中,水泥水化更加充分,細(xì)料分散更加均勻,且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。隨著齡期增長(zhǎng),當(dāng)混合料失水時(shí),由于振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石中的大孔徑毛細(xì)管減少,大孔徑毛細(xì)管失水所產(chǎn)生的壓力差就較小,其內(nèi)部的收縮應(yīng)力也較小,故振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石的干縮性會(huì)更好。振動(dòng)攪拌的干縮系數(shù)變異性比傳統(tǒng)攪拌的低，說(shuō)明振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能更加穩(wěn)定[23]，其主要原因是振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石更加均勻,壓實(shí)后水均勻地分布在水泥穩(wěn)定碎石基層內(nèi)部。失水收縮時(shí),基層中各部位散失的水分也是均勻的,故收縮變形較為均勻且干縮性能更加穩(wěn)定。

圖5 2種水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)

2.5 溫縮試驗(yàn)

當(dāng)溫度驟降或低溫時(shí),半剛性基層容易產(chǎn)生溫縮裂縫。分別對(duì)4.5%水泥劑量的2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行溫縮試驗(yàn)。試驗(yàn)前將梁式試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d,然后試件安裝在收縮儀上,并放入高低溫交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi),溫度范圍為-25 ℃～60 ℃。試驗(yàn)時(shí),溫度從60 ℃以0.5 ℃/min的速率下降至-25 ℃,并分別記錄60、40、20、10、0、-10 ℃、-25 ℃時(shí)收縮儀的讀數(shù),結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)

從圖6可知,振動(dòng)攪拌的溫縮系數(shù)在各個(gè)溫度區(qū)間均比傳統(tǒng)攪拌小,即溫縮性能更好。主要是因?yàn)樗喾€(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)與粗骨料表面水泥漿體厚度成正比[24],在振動(dòng)攪拌時(shí)粗骨料表面的掛漿厚度均勻,而在傳統(tǒng)攪拌時(shí)粗骨料表面水泥漿體厚度分布不均勻,在未完全水化的地方往往較薄。此外,在-25～-10 ℃時(shí),振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)比傳統(tǒng)攪拌下降了22.4%；而在40～60 ℃時(shí),僅下降了13.5%。可見(jiàn),在低溫時(shí)振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石溫縮性能的改善效果更明顯。

2.6 疲勞試驗(yàn)

當(dāng)各種荷載的重復(fù)作用達(dá)到一定次數(shù)后,水泥穩(wěn)定碎石基層會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。分別對(duì)4.5%水泥劑量的2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石在伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(UTM)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)前,先測(cè)試件的彎拉強(qiáng)度,確定0.6、0.7、0.8和0.9共4個(gè)應(yīng)力比,加載頻率為10 Hz,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 疲勞結(jié)果

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[18]中推薦的單對(duì)數(shù)疲勞方程lgN=a+bσ/S(其中a、b為回歸系數(shù),N為荷載作用次數(shù)),對(duì)其分別進(jìn)行線性回歸求疲勞方程,并對(duì)方程的顯著性進(jìn)行分析,相關(guān)參數(shù)系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 統(tǒng)計(jì)參數(shù)與回歸參數(shù)表

根據(jù)表5中的回歸參數(shù)可得50%保證率時(shí)振動(dòng)攪拌和傳統(tǒng)攪拌的疲勞方程分別為式(1)、(2)。

lgN=11.891-10.090σ/S，

(1)

lgN=11.583-11.959σ/S。

(2)

根據(jù)線性回歸結(jié)果,對(duì)50%保證率時(shí)的線性回歸效果進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 回歸效果檢驗(yàn)

由表6可知,2個(gè)疲勞方程的回歸結(jié)果顯著,2種攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石50%保證率時(shí)的疲勞方程可靠。根據(jù)50%保證率的疲勞方程,分別計(jì)算2種攪拌水泥穩(wěn)定碎石在保證率為95%時(shí)的疲勞方程。對(duì)于Fα(1,n-2),查t分布表,可得2種攪拌的疲勞方程在保證率為95%時(shí)的偏差值Δ=0.960。對(duì)于疲勞試驗(yàn),置信區(qū)間取下限時(shí)為最不利情況,故2種攪拌的水泥穩(wěn)定碎石在95%保證率時(shí)的疲勞方程分別為式(3)、(4)。

振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程：

lgN=11.891-10.090σ/S-0.96=10.931-10.090σ/S

；

(3)

傳統(tǒng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程：

lgN=11.583-11.959σ/S-0.96=10.623-11.959σ/S。

(4)

從圖7可知,2種攪拌的疲勞方程都是顯著的。振動(dòng)攪拌的標(biāo)準(zhǔn)偏差S=1.052,而傳統(tǒng)攪拌的標(biāo)準(zhǔn)偏差S=1.180,說(shuō)明振動(dòng)攪拌疲勞方程的離散性更小。

圖7 95%保證率時(shí)的疲勞曲線

在單對(duì)數(shù)疲勞方程中,截距a值越大,表明高應(yīng)力水平下材料抗疲勞性能越好；疲勞曲線的斜率|b|值越大,意味著疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平越敏感[25-26]。從疲勞方程可知,振動(dòng)攪拌的|b|值比傳統(tǒng)攪拌小,但a值比傳統(tǒng)攪拌大，因此,振動(dòng)攪拌的疲勞壽命受應(yīng)力影響較小,在高應(yīng)力水平下的抗疲勞性能更好,疲勞壽命更長(zhǎng)。從能量和損傷的角度來(lái)看,荷載作用在基層時(shí),水泥穩(wěn)定碎石通過(guò)內(nèi)部的彈性變形和塑性變形消耗荷載作用產(chǎn)生能量,在卸載后,彈性變形部分的能量可被釋放出來(lái),基層本身不產(chǎn)生損傷，但基層的塑性變形是不可恢復(fù),這部分能量的消耗則會(huì)對(duì)半剛性基層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞。在荷載重復(fù)作用下,半剛性基層內(nèi)部的損傷逐漸累積,結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度降低，剩余壽命不斷縮短,直至發(fā)生疲勞破壞[26]。而在振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石中,水泥水化充分且分布均勻,集料與水化產(chǎn)物黏結(jié)更加緊密,抗塑性變形能力更強(qiáng),內(nèi)部不易產(chǎn)生損傷,故抗疲勞性能更好。

3 結(jié)語(yǔ)

① 振動(dòng)攪拌技術(shù)可提高水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)抗壓回彈模量,并減小變異系數(shù)即提高均勻性。振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)低劑量水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的改善效果更明顯,且對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響比間接抗拉強(qiáng)度大。

② 振動(dòng)攪拌技術(shù)可減小干縮應(yīng)變、失水率、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù),使干縮與溫縮性能更好且更早趨于穩(wěn)定,特別是對(duì)低溫時(shí)溫縮性能的改善作用更明顯。

③ 振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程的截距a值較大,斜率|b|值較小,故疲勞性能更好,使用壽命更長(zhǎng)且變異性更小、更穩(wěn)定。

雖然系統(tǒng)地開(kāi)展了大量的振動(dòng)水泥穩(wěn)定碎石性能的研究,但是水穩(wěn)基層易遭受沖刷導(dǎo)致路面承載力下降,今后還應(yīng)考慮對(duì)振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷、抗凍融及抗侵蝕性能方面進(jìn)行研究。