骨架密实型水泥稳定碎石路用性能

胡龙泉; 蒋应军; 陈忠达; 戴经梁

骨架密实型水泥稳定碎石路用性能

1.
东南大学交通学院, 江苏南京 210096
2.
长安大学公路学院, 陕西西安 710064

详细信息

作者简介:
胡龙泉(1950-), 男, 江西吉安人, 东南大学讲师, 从事道路工程研究

中图分类号: U416.03
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出版历程
- 收稿日期: 2001-06-28
- 刊出日期: 2001-12-25

Road Performance of Cement Stabilized Aggregate of Dense Framework Structure

1.
School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China
2.
School of Highway, Chang′an University, Xi′an 710064, China

Article Text (Baidu Translation)

摘要

摘要: 在总结国内外研究的基础上, 提出骨架密实型水泥稳定碎石, 以减少基层收缩裂缝要求, 从而提高水泥稳定碎石基层使用性能。与此同时, 与国内规范推荐级配的水泥稳定碎石作比较, 结果表明, 骨架密实型水泥稳定碎石具有优良的路用性能
- 水泥稳定碎石 /
- 骨架密实 /
- 路用性能
Abstract: This paper, on the basis of summarizing the present research at home and abroad, puts forward that cement stabilized aggregate of dense framework type can decrease the shrinkage crack and raise the road performance of cement stabilized aggregate base course. Compared with the commonly used cement stabilized aggregate, the cement stabilized aggregate of dense framework type possesses better road performance.
- cement stabilized aggregate /
- dense framework /
- road performance

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随着水泥稳定碎石基层的使用, 发现在早期出现了比柔性基层上沥青路面多而频繁的裂缝。裂缝的出现, 特别是沥青面层反射裂缝的出现, 会使水危及整个路基路面结构, 还易引起沥青面层较快地出现龟裂等, 对以水泥稳定碎石材料基层的公路建设造成了潜在的危险。在某种程度上也限制了水泥稳定类半刚性基层的应用。水泥稳定碎石基层在温、湿变化时, 较大的收缩是导致基层裂缝及产生面层反射裂缝的主要原因。因此, 本文为了改善和提高水泥稳定碎石基层路用性能尤其是抗裂性能, 在大量试验基础上, 提出了骨架密实型水泥稳定碎石基层结构, 并对基层材料进行系统全面的分析研究。

1. 原材料性质及试验方法

1.1 原材料性质

本研究所用的原材料有水泥、碎石及河砂(细度模数2.5, 为中砂), 其主要技术性质见表 1、2。

表 1 水泥的技术性质

指标	初凝时间	终凝时间	3 d强度/MPa
			抗压	抗折
425^#水泥	2时51分	3时23分	27.1	5.8

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表 2 碎石性质

视比重/g·cm^-3	容重/g·cm^-3	孔隙率/%	吸水率/%	压碎值/%	针片状含量/%
2.78	1.46	45.2	0.13	15.22	11.2

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1.2 矿料级配

1.2.1 嵌挤原则

假设集料为直径D的球体, 按简单的立方体填积—颗粒排列堆积的最松状况即对边长为D的立方体放一个直径为D的球, 其空隙率为

$V = 1 - \frac{π}{6} D^{3} / D^{3} = 47.6 %$

如果为D/2的圆球, 则可放8个; 如果为D/4的圆球, 则可放64个; 如果为D/8的圆球, 则可放512个; 空隙率总是1-π/6=47.6%。

1.2.2 集料级配确定方法

先按上述嵌挤原理确定粗骨料用量; 然后粗骨料的空隙由次一级颗粒所填充, 其余空隙又由再次一级颗粒所填充, 但填隙的颗粒不得大于其间隙的距离, 否则小颗粒之间势必发生干涉现象。这种既有嵌挤又有填充的集料在理论上应该是摩阻力、凝聚力和密实度最好的混合料。具体计算过程如下:

2~4料视密度为2.68 g/cm³, 集料最大干密度一般在1.9~2.1 g/cm³, 以2.0 g/cm³计, 考虑到施工中粗料不可能按理想嵌挤原理排列, 所以其空隙率比理想会略大, 计算时取空隙率为50%。故2~4料重量占混合料总重的百分比约为(1-50%) ×2.68/2.0=67%;在保证1~2料不过分挤开2~4料前提下, 其重量最多占到剩余重量的67%左右, 亦即其用量不得超过(1-67%) ×67%=22%;0.5~1料用量为7%。

在上述计算的基础上, 本文保证大骨料2~3料占总骨料的67%不变, 根据筛分结果及部分击实试验结果, 按最大密实度原则对1~2料、0.5~1料用量分别作了调整, 调整后的集料组成见表 3。

表 3 集料组成

筛孔尺寸/mm	30~20	20~10	10~5
用量/%	67	17	16

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1.2.3 主骨料与细料比例的确定

按照骨架密实结构的特点, 骨料形成骨架嵌挤结构, 细集料(砂) 和水泥作为结合料填充骨料的空隙, 形成密实结构, 从而达到混合料整体最大密实度。混合料的整体性由结合料贡献, 因此作为结合料主要材料砂的用量就成了影响混合料整体性的一个重要因素, 考虑到施工中粗集料用量偏大可能会导致离析, 本文参照水泥混凝土配合比设计方法, 确定砂用量为35%。骨架密实混合料级配A的组成见表 4。

表 4 骨架密实结构

筛孔尺寸/mm	30~20	20~10	10~5	< 5 (砂)
用量/%	44	11	10	35

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作为对比, 本文还采用了《公路沥青路面设计规范JTJ014-97》所推荐级配B, 其组成见表 5。图 1为骨架密实结构和悬浮结构的通过量曲线。比较可见, 本文推荐的骨架状态是嵌入式。两种结构水泥用量均采用5%, 即水泥∶集料=5∶95。

表 5 悬浮结构(规范值)

筛孔尺寸/mm	30~20	20~10	10~5	5~2.5	2.5~1.18	1.18~0.6	0.6~0.075	< 0.075
用量/%	11	29	20	12	10	5	9	3

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图 1 通过曲线

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1.3 试验方法

1.3.1 试件成型

试件成型前首先进行重型击实, 求出混合料的最大干密度和最佳含水量, 其结果见表 6。

表 6 混合料击实结果

级配类型	最大干容重/g·cm^-3	最佳含水量/%
A	2.38	6.8
B	2.31	6.0

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然后按最大干密度和最佳含水量以97%的压实度成型试件, 试件为10 cm×10 cm×40 cm梁和15 cm×15 cm圆试件; 在标准养生条件下养生90 d。

1.3.2 收缩系数测试方法

试验时将试件在养生到期前一天进行浸水养生1 d, 然后取出进行电测试件的制作。最后接入应变仪半桥电路进行温缩或干缩系数的测定。温缩试验温度范围采用50~-30℃, 干缩试验温度采用40℃。

1.3.3 抗拉强度与抗拉模量

为了控制试验加载精度, 试验在MTS上进行, 抗拉模量采用电测法测定。

2. 路用性能研究

2.1 无侧限抗压强度试验结果及分析

两种结构类型的水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度试验结果列于表 7中。

由表 7可知, A组强度明显高于B组, 其中180 d龄期的A组强度比同龄期的B组的高达51%。这是因为水泥稳定碎石基层材料其强度主要由骨料与骨料间作用、细料与水泥水化产物形成的胶结料以及胶结料与骨料间作用所决定。A组混合料的骨料构成紧密骨架结构, 且胶结料能够以最大密度填充孔隙, 从而使骨料的嵌挤作用与胶结料的胶结作用都得到了充分的发挥, 所以表现出比悬浮结构的B组具有更好的力学性质。

表 7 无侧限抗压强度试验结果

级配	龄期/d	试件数/个	平均强度 $\bar{R}_{c} / Μ Ρ a$	变异系数C_v/%	R_0.95/MPa
A	7	6	2.37	7.65	2.07
	28	6	6.41	9.07	5.45
	90	6	10.5	8.92	8.96
	180	6	12.1	8.11	10.6
B	7	6	2.03	5.38	1.85
	28	6	4.15	6.81	3.68
	90	6	6.78	2.77	6.47
	180	6	7.47	3.69	7.02

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另外由表 7还可知, A组的变异系数要比B组的大, 这是因为骨架结构的A组其大骨料(20~40 mm料占60%) 所占比例较大, 所以在成型试件过程中, 很容易产生离析现象, 譬如在拌和过程中骨料一般在上面, 而结合料一般在大骨料下面; 很难均匀的装料, 从而试件的离散性较大。这对施工提出了要求, 那就是必须在拌和、摊铺过程中尽量做到使混合料具有良好均匀性。

2.2 抗冻性能

基层材料的冻融循环试验, 目前还没有统一的试验规程。材料的抗冻性能力可以通过一定次数的冻融循环作用后的强度下降情况来表征, 但是这些指标也与冻融的方法有关(包括冻融时间、循环次数和龄期有关)。试件在养生至相应龄期后开始进行冻融循环试验, 冻融前将试件浸泡一昼夜, 并将试件放入-20℃冷冻箱中冻结4 h后, 将试件取出放入20℃的水中浸泡20 h, 然后再放入冷冻箱开始进行第二个循环。如此循环5次。最后将试件进行无侧限抗压试验, 试验结果用耐冻性系数K表示(K=冻融强度/未冻融强度) 如表 8所示。

表 8 冻融试验结果

龄期	级配类型
	A			B
	未冻融强度/MPa	冻融强度/MPa	耐冻系数/%	未冻融强度/MPa	冻融强度/MPa	耐冻系数/%
7 d	2.37	4.02	170.0	1.87	2.39	128.0
28 d	6.41	6.05	94.4	4.152	3.57	86.0
90 d	10.47	9.53	91.0	6.78	5.67	83.0

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从表 8可以看出A组抗冻性能优于B组。分析其原因, 水泥稳定碎石材料为多空隙材料, 这类材料受冻融循环作用时, 其内部空隙水冻胀产生的液体膨胀压力和溶液部分结冰时引起渗透压力将重复对材料的空隙壁产生挤压破坏作用。在冻融循环反复作用下, 水泥稳定碎石材料强度逐渐下降, 产生薄弱面或者甚至在薄弱面发生开裂破坏。骨架密实结构水泥稳定碎石一则因为其密实度要大于悬浮结构的密实度, 也就是说A组空隙率要小于B, 因而饱水后其含水量较悬浮结构的B组为少, 水结冰引起膨胀压力及渗透压力对材料的破坏作用相对来说要小; 二则是骨架密实结构使得混合料整体强度得以提高, 从而冻融循环对其破坏作用相对来说就显得更小, 从而表现为骨架密实结构的A组抗冻性能明显要高于悬浮结构的B组。而7 d水泥稳定碎石材料其耐冻系数大于1.0, 是因为水泥稳定碎石材料初期(< 28 d) 强度增长较快, 虽在冻的过程其强度基本上不增长, 但是在其融化阶段强度又开始恢复增长, 且强度增长大于其冻融破坏作用力, 所以表现出7 d龄期的冻融试件其强度大于7 d龄期的未冻融试件强度。

3. 抗裂性试验与结果分析

3.1 干缩性能

采用静压法在其最大干密度和最佳含水量时制成的10 cm×10 cm×40 cm梁试件。将养生至89 d的试件饱水24 h后, 然后采用电测法对其进行干缩系数的测试。试验结果见表 9。

表 9 干缩试验结果

材料	最大干缩应变ε_dmax/10^-6	最大失水量Δw_max/%	平均干缩系数 $\bar{α}_{d} / 10^{- 6}$	最大干缩系数α_dmax/10^-6
A	101	4.07	24.8	29.9
B	130	3.99	32.6	38.7

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由表 9可以看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石90 d龄期的平均干缩系数 $\bar{α}_{d}$ 比悬浮结构水泥稳定碎石的要小31.5%, 最大干缩系数α_dmax要小29.4%。干缩的产生是因为伴随水分蒸发和水化反应进行, 材料内部水分的减少而发生毛细管作用, 吸附作用、分子间力作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化作用等会引起水泥稳定碎石材料产生体积收缩。骨架密实结构是因为结构紧密, 颗粒间的约束与牵制作用加强, 同时因其空隙率较小, 受毛细管张力、吸附水和分子间力作用以及层间水作用相对来说也较小, 所以其干缩性能要优于悬浮结构水泥稳定碎石。

3.2 温缩性能

将养生90 d的梁试件(10 cm×10 cm×40 cm) 烘干后用电测法进行温缩系数的测定。平均温缩系数试验结果: A为-9.52×10⁶, B为-11.21×10^-6。

由实验结果可看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石其平均温缩系数比悬浮结构的要低17.8%。

这是因为A组混合料孔隙率小于B组, 所以材料受孔隙中水的扩张作用、毛细管张力作用及冰冻作用影响相对来说就比较小, 从而表现为A组温度收缩性能优于B组。另外还可以理解为随温度下降材料发生收缩, 试件虽然在宏观上表现不受力, 但是混合料的各组分材料的温度收缩系数各不相同, 因而试件内部各组分材料必定处于受力状态。如果结构处于悬浮状态, 那么内应力的作用使其颗粒之间有机会挤压孔隙, 较小的孔压要平衡作用其颗粒上的内应力, 势必要通过缩小体积增大孔压, 从而表现出较大的温度收缩系数。若结构处于“骨架接触及孔隙结构”状态下, 那么内应力作用只能使颗粒之间相互挤压, 而颗粒的压缩性毕竟有限, 所以表现为较小的温度收缩系数。

3.3 劈裂强度

试件为φ15 cm×15 cm的圆柱体, 在标准条件下养生至规定龄期后, 饱水1 d测定劈裂抗拉强度。试验结果见表 10。

表 10 劈裂抗拉强度试验结果

级配	龄期/d	试件数/个	平均强度/MPa	变异系数/%	R_0.95/MPa
A	7	6	0.28	8.95	0.24
	28	6	0.61	9.23	0.52
	90	6	0.86	8.64	0.74
	180	6	1.01	7.37	0.89
B	7	6	0.17	7.45	0.15
	28	6	0.39	612	0.35
	90	6	0.56	2.67	0.54
	180	6	0.71	4.15	0.66

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由表 10可以看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石的间接抗拉强度明显得到了提高, 提高幅度一般在40%左右。其主要原因是骨架密实型水泥稳定碎石材料其骨料的嵌挤作用和胶结料的胶结作用都得到了充分的发挥, 所以表现出A组材料的抗拉强度优于B组的抗拉强度。

4. 试验路验证

试验路铺筑在河南省商丘市商临路K33+300~K33+700 m段, 其中K33+300~K33+500 m处为悬浮结构水泥稳定碎石, K33+500~K33+700 m处为骨架密实结构水泥稳定碎石。两试验段路面结构相同: 2 cm沥青石屑+4 cm沥青碎石+18 cm水泥稳定碎石+30 cm石灰土。试验路于1999年9月竣工通车。

试验路经过两个冬天, 路面结构经历了最不利情况干缩和最不利季节的温缩作用以及春季的春融和行车荷载的共同作用, 2000年4月5日和2001年4月1日对试验路进行了路面裂缝情况的调查, 具体结果见表 11。

表 11 裂缝调查统计

调查时间		调查项目
调查时间		贯通缝/条	非贯通缝/条	合计/条	横向平均缝距/m	裂缝率/m· (1000 m²)^-1
2000年4月5日	骨架密实结构	2	4	6	67.7	8.89
2000年4月5日	悬浮结构	6	6	12	33.3	19.12
2001年4月1日	骨架密实结构	4	3	7	57.1	12.78
2001年4月1日	悬浮结构	8	5	13	30.8	24.33

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由表 12可以看出, 骨架密实结构的水泥稳定碎石路段的开裂程度明显小于悬浮结构水泥稳定碎石路段开裂程度, 其横向平均缝距都比悬浮结构要大近1倍左右, 从而大大减轻了沥青路面的开裂, 提高了道路的使用品质。

5. 结语

(1) 骨架密实结构水泥稳定碎石强度明显高于常规级配水泥稳定碎石材料, 其中180 d龄期的A组强度比同龄期B组高51%。

(2) 骨架密实结构水泥稳定碎石各龄期的耐冻系数均大于90%, 而常规级配水泥稳定碎石材料耐冻系数均低于90%。

(3) 骨架密实结构水泥稳定碎石具有较高强度(抗拉强度), 较低的温缩系数、干缩系数, 从而表现出良好的抗裂性能。

图 1 通过曲线

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表 1 水泥的技术性质

指标	初凝时间	终凝时间	3 d强度/MPa
			抗压	抗折
425^#水泥	2时51分	3时23分	27.1	5.8

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表 2 碎石性质

视比重/g·cm^-3	容重/g·cm^-3	孔隙率/%	吸水率/%	压碎值/%	针片状含量/%
2.78	1.46	45.2	0.13	15.22	11.2

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表 3 集料组成

筛孔尺寸/mm	30~20	20~10	10~5
用量/%	67	17	16

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表 4 骨架密实结构

筛孔尺寸/mm	30~20	20~10	10~5	< 5 (砂)
用量/%	44	11	10	35

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表 5 悬浮结构(规范值)

筛孔尺寸/mm	30~20	20~10	10~5	5~2.5	2.5~1.18	1.18~0.6	0.6~0.075	< 0.075
用量/%	11	29	20	12	10	5	9	3

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表 6 混合料击实结果

级配类型	最大干容重/g·cm^-3	最佳含水量/%
A	2.38	6.8
B	2.31	6.0

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表 7 无侧限抗压强度试验结果

级配	龄期/d	试件数/个	平均强度 $\bar{R}_{c} / Μ Ρ a$	变异系数C_v/%	R_0.95/MPa
A	7	6	2.37	7.65	2.07
	28	6	6.41	9.07	5.45
	90	6	10.5	8.92	8.96
	180	6	12.1	8.11	10.6
B	7	6	2.03	5.38	1.85
	28	6	4.15	6.81	3.68
	90	6	6.78	2.77	6.47
	180	6	7.47	3.69	7.02

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表 8 冻融试验结果

龄期	级配类型
	A			B
	未冻融强度/MPa	冻融强度/MPa	耐冻系数/%	未冻融强度/MPa	冻融强度/MPa	耐冻系数/%
7 d	2.37	4.02	170.0	1.87	2.39	128.0
28 d	6.41	6.05	94.4	4.152	3.57	86.0
90 d	10.47	9.53	91.0	6.78	5.67	83.0

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表 9 干缩试验结果

材料	最大干缩应变ε_dmax/10^-6	最大失水量Δw_max/%	平均干缩系数 $\bar{α}_{d} / 10^{- 6}$	最大干缩系数α_dmax/10^-6
A	101	4.07	24.8	29.9
B	130	3.99	32.6	38.7

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表 10 劈裂抗拉强度试验结果

级配	龄期/d	试件数/个	平均强度/MPa	变异系数/%	R_0.95/MPa
A	7	6	0.28	8.95	0.24
	28	6	0.61	9.23	0.52
	90	6	0.86	8.64	0.74
	180	6	1.01	7.37	0.89
B	7	6	0.17	7.45	0.15
	28	6	0.39	612	0.35
	90	6	0.56	2.67	0.54
	180	6	0.71	4.15	0.66

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表 11 裂缝调查统计

调查时间		调查项目
调查时间		贯通缝/条	非贯通缝/条	合计/条	横向平均缝距/m	裂缝率/m· (1000 m²)^-1
2000年4月5日	骨架密实结构	2	4	6	67.7	8.89
2000年4月5日	悬浮结构	6	6	12	33.3	19.12
2001年4月1日	骨架密实结构	4	3	7	57.1	12.78
2001年4月1日	悬浮结构	8	5	13	30.8	24.33

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参考文献(3)

[1]	蒋应军. 水泥稳定碎石基层收缩裂缝防治研究[D]. 西安: 长安大学, 2001.
[2]	沙庆林. 高等级公路半刚性基层沥青路面[M]. 北京: 人民交通出版社, 1999.
[3]	张登良, 郑南翔. 半刚性材料抗裂性能研究[R]. 西安: 长安大学, 1988.

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1. 原材料性质及试验方法
1.1 原材料性质
1.2 矿料级配
1.3 试验方法
2. 路用性能研究
2.1 无侧限抗压强度试验结果及分析
2.2 抗冻性能
3. 抗裂性试验与结果分析
3.1 干缩性能
3.2 温缩性能
3.3 劈裂强度
4. 试验路验证
5. 结语

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