岳爱军, 邱华, 冯永平
(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 桂林 541004; 2.广西壮族自治区公路发展中心, 南宁 530029)
水泥稳定碎石混合物受到多种变量的影响,包括水泥含量、水泥类型、水分含量、养护时间、压实度、骨料类型等[1]。目前对于水泥稳定碎石抗裂性的提升主要包括级配设计,通过降低细集料含量来优化骨料级配对提高收缩性能有积极影响[2-3];预先切割裂缝和铺设土工布[4]和添加各种水泥外加剂[5-6];以及掺入某种不同于骨料及水泥的新材料,如各种纤维、橡胶、钢渣、石膏粉煤灰等[7-10]。来抵抗收缩应力和延缓裂缝的发展。这些研究措施对于减少半刚性基层反射裂缝起到了不错的效果。
同时与外国相比,中国现行规范使用的半刚性基层水泥用量较高、强度较大[11-12],较高的水泥用量带来了收缩变大,反射裂缝变多,部分学者基于此提出通过降低水泥剂量控制开裂,减少结构反射裂缝。张敏江等[13]利用abaqus有限元软件分析计算得出结论低水泥剂量稳定级配碎石替代上基层后,能有效改善面层受力状态,并基于此给出了推荐的结构组合形式。于新等[14]和霍轶珍等[15]认为水泥剂量越低水稳碎石的干缩、温缩系数对含水量变化的敏感性越低,3%以下水泥剂量的水稳碎石抗干缩能力较好。周军霞[16-17]研究了不同低水泥含量级配碎石单一龄期的力学性能以及冻胀性能,并通过对比分析认为最佳低水泥含量为3%。彭波等[18]以抗压强度和干缩系数为指标得到了低水泥剂量稳定碎石的推荐级配,并基于推荐级配分析认为水泥剂量的合理范围为2%～4%。周志刚等[19-22]通过试验系统研究了低剂量水泥改性级配碎石的级配、含水率、压实度等因素对收缩、施工质量以及抗压、抗剪、加州承载比、动回弹模量等力学强度指标的影响,并提出了相关的控制指标。
然而上述相关文献对于合理水泥掺量的分析均是各指标单独分析,没能将各指标放在相同尺度下对比分析;并且也没有对低水泥掺量下的基层结构的长期性能以及各指标的相关关系进行研究和模型预测,而长期的性能对基层结构的可靠性至关重要,因此有必要研究低水泥掺量下基层结构的长期力学性能和收缩规律。基于前人成果,现使用广西某在建项目粗颗粒级配,探究在不同的低水泥剂量和龄期状态下,各项指标变化趋势,并根据各参数在相同尺度下的增长趋势综合得到合理水泥掺量范围。
1.1 原材料
试验用的水泥为兴安海螺牌M32.5硅酸盐砌筑水泥,初凝242 min,终凝369 min,标准稠度用水量26%,3 d和28 d抗压抗折强度性能均符合相关要求。骨料为桂林市临桂家合混凝土公司商混站使用的普通石灰岩集料,1#～3#为粗骨料、4#为石灰岩机制砂,基本技术指标如表1所示。因为水泥使用量较少所以级配应略粗,构成骨架嵌挤结构,顾采用广西某在建路面工程现场所使用的粗颗粒级配,各档料筛分结果与合成级配如表2所示。不同低水泥掺量的最佳含水率和最大干密度采用普通重型击实丙法得到,结果如表3所示。
表1 集料主要技术指标
表2 集料筛分与合成级配
表3 不同水泥掺量下重型击实丙法试验结果
1.2 试验准备
按相关规程[23-24]的要求进行试验准备。其中,无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量(静模量)试验使用静压法成型的150 mm(直径)×150 mm(高)圆柱体试块,干燥收缩试验使用静压法成型的400 mm(长)×100 mm(宽)×100 mm(高)长方体试块,加州承载比试验使用静压法成型的152 mm(直径)×120 mm(高)的圆柱体试块。成型后的试件在标准环境下进行不同龄期的养生,在养生龄期的最后一天进行泡水养护。
抗压、间接抗拉、加州承载比以及回弹模量试验均使用300 kN万能试验机进行,前3个加载速率为1 mm/min,回弹模量的加载速率为0.04 MPa/min;干燥收缩试验在(20±1) ℃,60%±5%相对湿度的干燥环境下进行检测。
2.1 不同掺量与龄期下强度变化规律
强度是衡量基层性能的最重要指标。将成型的圆柱型试块分别养生至3、7、14、28、60、90 d进行强度试验,不同掺量水泥改善级配碎石在不同龄期下的抗压和劈裂强度结果如表4所示,将表4的试验结果用对数函数进行拟合,结果如表6所示。分析表4可知,不同水泥掺量的试块强度增速随龄期的增长先快后慢,在前14 d强度增长速率最快,其中7 d抗压强度达到90 d抗压强度的60%～70%,7 d劈裂强度达到90 d劈裂强度值的50%～60%;28 d以后增长速率逐步变慢,在60 d以后强度增长已经很小,60 d抗压强度已达到90 d抗压强度90%以上,60 d劈裂强度占90 d劈裂强度95%以上,逐步趋于稳定。
在任意龄期内强度值均随水泥掺量的增加而变大。但是按照目前规范对于7 d无侧限抗压强度的要求,水泥掺量为1.5%时,是不满足规范的要求,掺量为2.0%的只满足二级公路中轻交通要求,掺量为2.5%的满足高速和一级公路中轻交通、二级公路重交通要求,3.0%掺量的满足高速和一级公路重交通、二级公路极重交通的要求[11]。90 d劈裂强度整体较低,水泥用量越少,抗劈裂能力降低得越厉害,尤其是水泥掺量为1.5%时劈裂强度只有2.0%的一半。当水泥掺量较少时,水泥对级配碎石起到的稳定作用较小,只是起到一定的改善稳定作用,是不满足现行技术规范要求,或仅满足中轻交通的要求。
表4 不同水泥掺量与龄期下强度试验结果
2.2 不同掺量与龄期下加州承载比和模量变化规律
加州承载比(California bearing ratio,CBR)是评价松散材料力学性能的一种试验方法。主要用来衡量级配碎石和土基性能的强度指标,以标准碎石的位移变化为基准,用相对值的百分数表示CBR值。当水泥掺量较少时,CBR作为一种强度指标用来评价水泥改善级配碎石抵抗局部荷载的性能是有意义的。回弹模量是评价材料变形、基层结构响应和设计计算的重要参数,测量回弹模量的方法有很多,本次采用顶面法测量其抗压回弹静模量。
将成型的试块分别养生至对应龄期进行试验,CBR试验因强度超过普通路面材料强度仪最大量程,顾采用万能试验机进行,并通过计算机直接读取应力与位移。不同掺量水泥改善级配碎石在不同龄期下的CBR和静模量结果如表5所示。将表5的试验结果用对数函数进行拟合,如表7所示。
分析表5可知,CBR在前28 d强度增长速率最快,其中不同水泥掺量7 d龄期CBR达到60 d龄期CBR的62%～82%;28 d以后增长速率变慢,增长幅度已经很小了,28 d龄期CBR均已占60 d龄期CBR值的95%以上,回弹模量也有类似的强度增长规律,7 d回弹模量值已达到90 d回弹模量的70%以上。4个物理量的增长规律都类似,主要增长在前28 d,28～60 d增长速度开始放缓,60 d以后趋于稳定,这符合水泥水化作用随龄期的变化规律,早期水泥发生水化,强度增长迅速,后期水化基本完成,强度增长变小,直至水化完成强度稳定。
0 d龄期的CBR值为不加水泥时的级配碎石CBR测值,因此与水泥掺量没有关系,所以在拟合曲线时不考虑0 d龄期CBR的影响,可以认为级配对于不同水泥掺量60 d龄期CBR的贡献为,50.5%、45.6%、38.8%、34.8%,因此水泥水化作用对于CBR的贡献为49.5%、54.4%、61.2%、65.2%。显而易见,随着水泥掺量增多,水泥水化作用对CBR的贡献也越多。按照目前规范[11]的要求,在此级配下即使不加水泥,236%的CBR也满足高速公路和一级公路极、特重交通CBR≥200%的要求。可以看出添加少量水泥和不加水泥情况下,CBR值增长了2～3倍,两者相差并没有大一个数量值,因此低掺量下的水泥改善级配碎石可以按级配碎石方法用CBR作为一个强度指标进行评价。
旧版设计规范[25]对于半刚性基层静模量的要求是1 300 MPa以上,级配碎石为350 MPa以下,而本次试验4种水泥掺量90 d龄期的抗压回弹静模量为633～1 033 MPa。结合上述分析,即可以认为低水泥掺量下其性能是介于级配碎石与半刚性基层之间的。
2.3 强度与模量统一增长规律模型
将表4与表5的强度与模量随时间增长的拟合模型汇总,结果如表6和表7所示。从表6和表7可以看出,各拟合方程相关系数均在0.95以上,说明对数模型y=a+blgt拟合精度高、相关性强。令x=lgt,则模型即变为y=a+bx,即系数a为截距,可理解为与龄期刚开始的初始强度或者初始模量有关,截距越大则初始强度与模量越大、曲线整体越高;系数b为斜率,其与水泥水化过程有关,斜率越大则曲线越抖,即代表水泥水化过程越强烈,强度与模量增长的更快。水泥掺量越多,则初始强度与模量越大,水泥水化作用也会更强烈,强度与模量增长的更快,所以系数a、b都与水泥剂量有一定关联,将表6和表7中的系数a、b与水泥剂量进行拟合,结果如表8所示。
表5 不同水泥掺量与龄期下CBR与抗压回弹模量试验结果
从表8可以看出各力学参数线性拟合关系良好,相关系数除一个为0.87外,其余均在0.94以上,说明系数a、b与水泥剂量c均有较强的线性关系。
表6 不同水泥掺量抗压强度与劈裂强度增长模型汇总
表7 不同水泥掺量CBR与抗压回弹模量增长模型汇总
表8 不同力学参数系数a、b增长规律汇总
根据表8结果,得到力学参数统一增长模型为
Sc=(1.292c-1.111)+(0.801c-0.191)lgt
(1)
St=(0.086c-0.105)+(0.118c-0.085)lgt
(2)
CBR=(140.068c-36.691)+(14.377c+
136.777)lgt
(3)
Ec=(90.22c+253.817)+(88.125c-
2.086)lgt
(4)
2.4 无侧限抗压强度与各力学参数的转换关系模型
现行规范[11]中,抗压强度是进行现场配合比设计和控制施工现场基层质量最重要的技术指标,而其他物理参数一般不在现场进行测试,但其他参数对于基层同样重要。比如回弹模量是路面结构设计所必需的物理参数,路面结构设计中层底最大拉应力可用劈裂强度来衡量安全可靠性,CBR可用来评价基层抵抗局部荷载的能力。
这些参数在设计验证时相互独立取值,存在不协调匹配的情况,因此可通过无侧限抗压强度定量的去评价其他物理量,分别建立抗压强度与其他物理量的模型,后续在进行配合比设计与路面结构设计时可参考模型进行相互换算与验算。将相同水泥掺量和相同龄期的抗压强度与其他的力学参数进行拟合,建立了无侧限抗压强度Sc与劈裂强度St、加州承载比CBR、抗压回弹模量Ec之间的转换关系,如图1所示。
由图1可以看出,各力学参数分别采用线性函数y=a+bx拟合与幂函数y=axb拟合,两种拟合方法相关系数都在0.90以上,拟合精度较高,但整体而言幂函数更高,所以采用幂函数模型。
顾得力学参数相互转换模型为
(5)
(6)
(7)
水泥稳定碎石在前期因为失水产生收缩,当失水产生的收缩应力大于基层抵抗应力时基层会开裂。将成型的长方体试块养护7 d后置于恒定温度湿度的环境下,两侧固定千分表进行测量,开始测量试验的前7 d每天观测记录一次收缩和干燥失水变化,之后每2 d观测记录一次,连续记录28 d。定义公式:α=ε/ω,α为干缩系数,ε为收缩应变,ω为失水率,不同水泥掺量随时间变化的失水率、收缩应变、干燥收缩系数如图2所示。
图1 Sc与St、CBR、Ec的转换关系Fig.1 Conversion relationship between Scand St, CBR, Ec
图2 干燥收缩变化规律Fig.2 Drying shrinkage change law
从图2(a)和图2(b)可知,失水率和收缩应变均是前期大,后期小,其中失水率在前7 d失水迅速,特别是前48 h,而后失水逐渐减小,直到稳定不再失水;收缩应变则是第一天收缩较大而后减小又增大,在6～7 d有一个收缩小高峰而后再逐步减小直至稳定。水泥掺量越大累计失水率反而越小,这是因为水泥越少则需要参与水化反应的水就越少,自由水就越多,在干燥环境下失去更多水分。累计收缩应变则相反,随水泥掺量的增加而增加。从图2(c)可知失水率和收缩应变成两者呈一定的相关关系,收缩应变随着失水率的增加而变大,即混合料因为失去水分才产生收缩。
干燥收缩系数综合了收缩应变和失水率的影响,是目前国内用来评价水泥稳定碎石收缩性能的主要指标。从图2(d)可知干缩系数都是先减小后增大,在7～10 d达到最大值后开始又逐渐降低直至稳定,干燥收缩系数随水泥掺量的增加而增加,1.5%水泥掺量的28 d干缩系数仅为3.0%水泥掺量28 d干缩系数的59.3%;并且在图2(c)中,相同失水率下,水泥掺量越大,则收缩应变越大,即水泥含量对基层的收缩影响明显。通过降低水泥掺量,可以减小干缩应变和干缩系数,进而减少和延缓反射裂缝的出现。
从上述分析可知,不同水泥掺量对应着不同的力学性能和收缩性能,水泥掺量越高则力学性能和模量越高,对基层越有利,但收缩变形同样会随水泥掺量的增加而增加,因此如何平衡力学性能和收缩性能之间的关系尤为重要。各力学参数取结构设计和配合比设计时常用的龄期,分别为7 d的Sc、90 d的St、7 d的CBR、90 d的Ec和28 d的α。
但不同参数之间单位不同,且单位的数量级也不统一,难以直接比较,为将其进行统一比较,顾做如下定义:增长因子=Xn/X1.5,其中X为不同力学和收缩参数,n为不同水泥掺量,1.5为1.5%的水泥掺量,不同水泥掺量力学和收缩参数增长因子如表9和图3所示。
从表9和图3可知,强度、模量等对基层有利增长因子均随水泥掺量的增加而变大,增长趋势为台增长,当水泥掺量从1.5%～2.0%时,有利因子提升较大,从2.0%～2.5%时增长略平缓,从2.5%～3.0%时又有一个较大的增长,其中劈裂强度增长的最高,从2.5%～3.0%提升了56.8%。即从有利于基层的角度出发,1.5%的水泥掺量力学性能较差,最低水泥掺量应大于1.5%。
干缩系数α是基层的不利增长因子,增长趋势为斜坡状,即水泥掺量从1.5%～2.5%时,不利因子缓步增长,但从2.5%～3.0%时不利因子有一个较大的提升。即从有利于基层的角度出发,3.0%的水泥掺量干燥收缩较大,最高水泥掺量应小于3.0%。综合有利与不利增长因子,水泥掺量为2.0%～2.5%时较为合理。
表9 不同水泥掺量力学和收缩参数的增长因子
图3 增长因子随水泥掺量变化规律Fig.3 Growth factor variation law with cement dosage
(1)低水泥掺量改善级配碎石的各力学参数性能受水泥掺量和龄期影响明显,水泥掺量越多、龄期越长则强度与模量越大,强度与模量在前28 d增长迅速,之后逐步放缓,并于60～90 d趋于稳定;混合料的干缩性能也随水泥掺量的增多而变大。
(2)通过分析CBR与抗压回弹静模量结果,低掺量水泥改善级配碎石基层的力学和抵抗变形能力是介于柔性基层与普通半刚性基层之间的状态。加州承载比CBR可作为无侧限抗压强度外,低水泥掺量级配碎石的一个补充强度验证指标。
(3)通过分析Sc、St、CBR、Ec等力学参数随龄期与水泥掺量的变化趋势,采用对数函数模型y=a+b×lgt进行拟合,得到了各力学参数随龄期与水泥掺量变化的统一增长模型,并用幂函数y=axb建立了无侧限抗压强度与剩余3个力学参数的转化关系模型,为低掺量水泥改善级配碎石室内结构设计、现场配合比设计与施工质量控制提供了可相互参考印证的公式模型。
(4)通过定义增长因子,将不同参数与不同数量级的单位进行了统一,并比较有利增长因子与不利增长因子的趋势,经过综合分析比较,推荐水泥改善级配碎石的水泥掺量为2.0%～2.5%时较为合理。
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