王麗麗,殷金海,陳小兵,張 淼,仲光昇,寧云峰,張夢茹

（1.蘇州三創(chuàng)路面工程有限公司,江蘇 蘇州 215124; 2.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096;3.蘇州交投建設(shè)管理有限公司,江蘇 蘇州 215007）

0 引言

伴隨著我國交通建設(shè)規(guī)模和水平的不斷提升，以水泥穩(wěn)定碎石為代表的半剛性基層技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。然而，在水泥穩(wěn)定碎石基層中，溫度和濕度的作用容易引起裂縫并迅速擴散到整個基層，繼而延伸到瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫，造成早期的道路損壞[1]，進而影響交通運行。因此，國內(nèi)外學者從材料組成、設(shè)計優(yōu)化、施工技術(shù)、反射裂縫治理等方面研究了提高水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂能力的措施[2-4]，但這些措施主要是延緩表面裂縫出現(xiàn)及控制裂縫寬度，后期裂縫發(fā)展情況仍不容樂觀，水泥穩(wěn)定碎石基層防裂問題仍沒有得到充分解決。

該文結(jié)合水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理，研究出一種防止裂縫產(chǎn)生的消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石級配，從級配組成設(shè)計優(yōu)化方面提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂縫能力，并根據(jù)該級配和擊實試驗結(jié)果，采用靜壓法成型試件，再通過7 d 無側(cè)限抗壓強度驗證該級配是否滿足施工質(zhì)量要求，最后根據(jù)90 d 劈裂強度，90 d 抗壓回彈模量和30 d干縮系數(shù)試驗，研究消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石的性能，為水泥穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)用提供借鑒。

1 消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理研究

1.1 水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理

水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理的來源主要分為三個方面，大粒徑顆粒的嵌擠作用，水泥水化產(chǎn)物的填充作用以及集料與水泥水化產(chǎn)物的相互作用。

1.1.1 大粒徑顆粒的嵌擠作用

已有研究資料表明，級配碎石的粗顆粒粒徑越大、含量越多，則其抗變形能力越強，CBR 值也越大。從嵌擠的方式看，材料組成設(shè)計方式有兩大類，一是大粒徑顆粒的嵌擠，二是多級嵌擠。多級嵌擠理論的基本思路是：最大一級粒徑顆粒嵌擠形成空間骨架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部仍存在較大空隙，這時可采用次一級粒徑顆粒來加以填充，其用量應(yīng)小于顆粒間空隙，然后用更小粒徑顆粒進一步填充二級顆粒間的空隙，最終形成多級嵌擠的狀態(tài)。

1.1.2 水泥水化產(chǎn)物的填充作用

水泥在穩(wěn)定碎石的過程中，其主要作用是通過其水化反應(yīng)，生成具有黏結(jié)性的水化產(chǎn)物，這是水泥穩(wěn)定材料強度的關(guān)鍵。這些水化產(chǎn)物相互交錯并包裹顆粒，隨著水化產(chǎn)物的增多，混合物也逐步變得堅硬。此外，水泥的水化產(chǎn)物與粗顆粒形成了一種立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅確保了混合物的早期強度，還提高了混合物成型后的緊密度。隨著水泥水化反應(yīng)的持續(xù)進行，生成的水化物填補了水泥混合物內(nèi)部的微小空隙，形成了均勻且緊密的整體。

1.1.3 集料與水泥水化產(chǎn)物的相互作用

粒徑偏粗時，單位體積內(nèi)集料的比表面積減小，水泥水化產(chǎn)物更多地聚合在一起，因此，水泥水化產(chǎn)物與較粗顆粒間的黏結(jié)作用較小。在水泥穩(wěn)定碎石因溫度、濕度條件變化產(chǎn)生收縮時，也必然將從大粒徑顆粒與水泥水化產(chǎn)物的界面上產(chǎn)生初始裂紋。當大粒徑粗顆粒數(shù)量較多時，有可能將收縮變形在這些裂紋處分散吸收，同時松弛應(yīng)力。

1.2 消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理

結(jié)合水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石采用間斷級配，粗集料碎石占比較大并且將細料作為膠結(jié)料，既兼顧半剛性基層強度的優(yōu)點，又近似于級配碎石的柔性材料。同時，由于粗集料顆粒的大量存在，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石的板體性減弱，為粗顆粒與水泥水化產(chǎn)物間的開裂提供了條件，從而使得其可以獲得類似級配碎石的材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在其施工成型之后處于一種“裂而不碎”的狀態(tài)，內(nèi)部會產(chǎn)生多而密的細裂紋，在溫縮和干縮等收縮開裂時，其微小的收縮變形被消散到各處的細裂紋中，松弛應(yīng)力，從而避免出現(xiàn)長而寬的裂縫，這就是消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石材料避免反射裂縫的關(guān)鍵原因。

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試驗材料

2.1.1 水泥

試驗中采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，其檢測結(jié)果見表1。

表1 水泥試驗結(jié)果

2.1.2 石灰?guī)r

試驗中所采用的石灰?guī)r來自蘇州三創(chuàng)路面工程有限公司，分為石灰?guī)r1#、2#、3#、4#料四檔，其天然級配見表2。

表2 集料篩分結(jié)果

2.1.3 設(shè)計級配

結(jié)合規(guī)范中推薦的間斷級配以及水泥穩(wěn)定碎石抗裂機理，通過級配合成確定每一檔石料的具體摻量，最終消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石級配見表3。

表3 集料級配

2.2 試驗方法

2.2.1 擊實試驗

擊實試驗參照JTGE51—2009 中T 0804—1994[5]進行，水泥用量為石灰?guī)r用量的4.5%。擊實試驗預定5 個含水量并測得各含水量下的混合料干密度，繪制含水量—干密度曲線，取兩個平行試驗的平均值作為試驗的最終結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 擊實曲線

2.2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果，按照規(guī)范JTG E51—2009 中T 0805—1994 方法進行7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗。該研究消散型無裂縫水泥穩(wěn)定材料7 d 無側(cè)限抗壓強度設(shè)計要求不小于4 MPa，變異系數(shù)小于15%[6]，如表4 所示。

表4 7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

2.2.3 劈裂強度試驗

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果，按照規(guī)范JTG E51—2009 中T 0806—1994 方法進行90 d 劈裂強度試驗。該研究消散型無裂縫水泥穩(wěn)定材料90 d 劈裂強度設(shè)計要求不小于0.55 MPa，變異系數(shù)小于15%[7]，如表5 所示。

表5 90 d 劈裂強度試驗結(jié)果

2.2.4 抗壓回彈模量試驗

基于擊實試驗以及無側(cè)限抗壓強度試驗的結(jié)果，根據(jù)規(guī)范JTG E51—2009 中T0808—1994 進行抗壓回彈模量試驗。該研究消散型無裂縫水泥穩(wěn)定材料90 d 抗壓回彈模量設(shè)計要求介于1 300～1 600 MPa，變異系數(shù)小于15%，如表6 所示。

表6 90 d 室內(nèi)抗壓回彈模量試驗結(jié)果

2.2.5 干縮系數(shù)試驗

由于設(shè)備和模具的限制，采用成型直徑和高度均為150 mm 的圓柱形試件來替代梁形試件測試干縮形變，再按照規(guī)范JTG E51—2009 中T 0854—2009 方法進行干縮系數(shù)試驗，6 個試件為一組，編號為ε1、ε2、ε3的試件用來測定材料的收縮變形，編號為ω1、ω2、ω3的試件用于測量材料的總失水率，如圖2～4 所示。

圖2 總失水率與齡期關(guān)系圖

3 消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石性能研究

3.1 擊實試驗結(jié)果

根據(jù)圖1 擊實曲線可知，混合料最佳含水率為5.0%，最大干密度2.45 g/cm3。

3.2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

根據(jù)表4 所示結(jié)果，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果為4.23 MPa，變異系數(shù)10.8%，滿足7 d 無側(cè)限抗壓強度大于4 MPa 的設(shè)計要求以及變異系數(shù)小于15%的規(guī)范要求。

3.3 劈裂強度試驗結(jié)果

根據(jù)表5 所示數(shù)據(jù)，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石90 d 劈裂強度為1.04 MPa，變異系數(shù)為12.18%，滿足90 d 劈裂強度大于0.55 MPa 的設(shè)計要求以及變異系數(shù)小于15%的規(guī)范要求。

3.4 抗壓回彈模量試驗結(jié)果

根據(jù)表6 所示數(shù)據(jù)，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石90 d 抗壓回彈模量為1 341 MPa，變異系數(shù)為12.91%，滿足90 d 抗壓回彈模量介于1 300～1 600 MPa 的設(shè)計要求以及變異系數(shù)小于15%的規(guī)范要求。

3.5 干縮系數(shù)試驗結(jié)果

根據(jù)干縮系數(shù)試驗結(jié)果，繪制總失水率、總干縮應(yīng)變與齡期關(guān)系圖，如圖2～3 所示。

由圖2 和圖3 可以得出總干縮應(yīng)變與總失水率呈正相關(guān)的關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制總干縮系數(shù)與齡期關(guān)系圖，如圖4 所示。

圖3 總干縮應(yīng)變與齡期關(guān)系圖

圖4 總干縮系數(shù)與齡期關(guān)系圖

4%水泥劑量的一般規(guī)范級配水泥穩(wěn)定碎石30 d，干縮系數(shù)一般在120 以上[8]，采用更大的水泥劑量，則會產(chǎn)生更大的干縮形變，干縮系數(shù)也會更大，如5%水泥劑量的骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的30 d 總干縮系數(shù)會在140 以上，由圖4 可知，水泥劑量為4.5%的消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石30 d 齡期的干縮系數(shù)平均值為115（小于120），說明論文研究的消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石擁有更好的干縮性能，較普通水泥穩(wěn)定碎石而言，能在施工、養(yǎng)生的過程中產(chǎn)生較少的干縮裂縫。

4 結(jié)語

論文通過試驗得到以下結(jié)論：

（1）消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石最佳含水率為5.0%，最大干密度2.45 g/cm3。

（2）通過力學性能試驗，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石7 d 抗壓強度達到了4.23 MPa，90 d 劈裂強度達到了1.04 MPa，90 d 抗壓回彈模量為1 341 MPa，滿足設(shè)計要求，可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計時的指標選擇依據(jù)。

（3）30 d 的干縮試驗結(jié)果表明，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石較同水泥劑量的普通骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石在30 d 之內(nèi)擁有更小的干縮系數(shù)。

（4）通過試驗，消散型無裂縫水泥穩(wěn)定碎石在滿足基本的力學性能前提下，可以表現(xiàn)出更好的干縮性能，干縮量更小，同時因其可以將微小的收縮變形消散到各處的細裂紋中，松弛應(yīng)力，更不易表現(xiàn)出宏觀裂縫。