半刚性基层材料抗裂性能试验研究

2010-01-25莫慧兰

土木工程与管理学报 2010年3期

王琼, 莫慧兰, 洪亮, 代杰

(1. 信阳市公路管理局，河南信阳 450052; 2. 湖北省路桥集团有限公司，湖北武汉 430000;3. 湖北城际铁路有限责任公司，湖北武汉 430062; 4. 湖北省高速公路实业开发有限公司，湖北武汉 430051)

一般来说，半刚性基层干缩导致的裂缝或微裂缝发生在基层铺筑后、面层铺筑前。沥青面层铺筑后，这些裂缝或微裂缝是路面的薄弱点或面，在低温或温度骤然下降的条件下，这些裂缝或微裂缝将扩展，从而形成半刚性沥青路面的反射裂缝[1～4]。因此，要提高半刚性基层材料的抗裂性能，必须同时提高抗干缩性能和温缩性能[5～8]。

本文对不同级配和结合料的半刚性基层材料进行了干缩试验和温缩试验研究。根据干缩与温缩导致裂缝产生时间的不同，确定干缩试验在试件成型后马上测试，温缩试验在试件养护90d后测试。

1 试验配合比组成

石灰粉煤灰(简称二灰)比例对混合料抗裂性能的影响很大。试验选择了五种二灰比例，即石灰∶粉煤灰=1∶2，1∶2.5，1∶3，1∶3.5，1∶4(质量比)，进行抗压强度试验，并以强度最大值对应的二灰比例作为最佳二灰配比。得到二灰比例在1∶2.3左右的7 d抗压强度最大，因此本研究采用石灰∶粉煤灰=1∶2.3(质量比)，由内插法得到其最大干密度为1.25 g/cm3，最佳含水量为27.8%。按富勒(Fuller)的最大干密度曲线公式，得到的初定级配见表1所示。

表1 砂砾初定级配

表2 六种集料级配 (%)

以初级配为基准级配W-1，细集料采用逐级替代，得到六种砂砾级配见表2，研究细集料级配对半刚性基层材料抗裂性能的影响。根据级配理论，针对平顶山地区原材料，可得二灰的合理填充量。

为了研究不同结合料对半刚性基层材料性能的影响，进行了不同结合料的半刚性基层材料力学性能试验，结合料类型如表3所示。

通过掺加纤维可以提高半刚性基层材料的抗裂性能，为了分析纤维的掺量、截面形状、界面粗糙度对抗裂性能的影响，还进行了掺加纤维带和纤维网的试验，如表4所示。

表3 不同结合料稳定砂砾代号

表4 添加复合材料的三灰砂砾代号

2 干燥收缩性能试验

2.1 不同细集料级配二灰砂砾的干燥收缩试验

不同细集料级配二灰砂砾的干燥收缩试验结果见图1、图2所示。其间温度在24℃～29℃之间，相对湿度在39%～65%之间。

图1 不同细集料级配二灰砂砾干缩应变与时间关系

图2 不同细集料级配二灰砂砾干燥失水量与时间关系

由图1、图2可知，在自然条件下，试件成型后其失水率最大，但对应的收缩应变却不太大。特别是成型后24 h内的失水量占总失水量的一半以上，但是所对应的收缩应变还不到总应变的35%，平均在20%左右。以W-1为例，成型后24 h内的失水量占总失水量的76.8%，而对应的干缩应变占总应变量的28%。试验结果表明半刚性基层材料的干燥收缩具有滞后性。

2.2 不同结合料稳定砂砾的干燥收缩试验

不同结合料稳定砂砾的干缩试验结果见图3、图4，其间温度在24℃～31℃之间，相对湿度在41%～55%之间。

图3 不同结合料稳定砂砾干缩应变与时间关系

图4 不同结合料稳定砂砾干燥失水量与时间关系

由图3、图4可知，与不同细集料级配二灰砂砾的干缩试验结果相似，不同结合料稳定砂砾在自然条件下，试件成型后失水量最大，但对应的收缩应变却不太大。成型后24 h内失水占总失水量的一半以上，但对应的干缩应变不到总应变的30%。以J-2为例，J-2试件在成型后24 h内的失水量占总失水量的72.6%，对应的干缩应变占总应变量的10.4%；J-2试件在48 h内的失水量占总失水量的90.9%，对应的干缩应变占总应变量的39.0%。试验结果再次说明半刚性基层材料干燥收缩具有滞后性。

2.3 复合材料和规范级配三灰砂砾的干燥收缩试验结果及分析

掺加纤维三灰砂砾的干燥收缩试验结果见图5、图6，其间温度在15℃～19℃之间，相对湿度在78%～94%之间。

从图5、图6可知，在温度较低、湿度较大条件下(相对上面不同细集料级配三灰砂砾和不同结合料稳定砂砾的测试温度与湿度)，半刚性基层材料的干燥失水、干燥收缩比较缓慢，但还是前期失水量大、对应的干缩变形却不太大。以J-2为例，在0～168 h内失水量占总失水量的71.4%，对应的应变占总应变的26.1%，相当于温度较高、湿度较小下一天的失水量和应变；而在336 h后其失水量只占总失水量的9.5%，但对应的应变却占总应变的36.4%。

图5 复合材料和规范级配三灰砂砾干缩应变与时间关系

图6 复合材料和规范级配三灰砂砾干燥失水量与时间关系

为了全面了解半刚性基层材料失水全过程的干缩规律，分析了在不同时间内的干缩系数，结果见图7所示。

由图7可见，半刚性基层材料干缩系数-时间曲线近似呈波浪式变化，在前1、2天内的干缩系数达到峰值，而后干缩系数逐渐变小，到5～7天内干缩系数最小，而后又缓缓增大，而且变化趋势基本相同。前期(7天前)规范级配的三灰砂砾(GF)干缩系数最大，最佳级配的三灰砂砾的干缩系数(J-2)比规范级配小的多；在三灰砂砾中添加纤维后前几天干缩系数比不加纤维三灰砂砾大，而后比不加纤维三灰砂砾小，而且添加纤维丝三灰砂砾(J-2-3)的干缩系数比添加纤维带(J-2-Ⅲ)的大；这是因为纤维很细，三灰砂砾添加纤维后，由于三灰砂砾还未与纤维很好的粘结成整体，导致纤维阻止三灰砂砾的收缩小于其整体性遭破坏而产生的收缩。

图7 复合材料和规范级配三灰砂砾的干燥系数与时间关系

不同细集料级配三灰砂砾一天内平均干缩系数(即一天内的失水量占总失水量的70%左右)、总的平均干缩系数见表5；不同结合料稳定砂砾一天内平均干缩系数(即一天内的失水量占总失水量的70%左右)、总的平均干缩系数见表6；掺加纤维及规范级配三灰砂砾的7天内干缩系数(即一周内的失水量占总失水量的70%左右)、总的平均干缩系数见表7所示。

表5 不同细集料级配三灰砂砾的平均干缩系数

表6 不同结合料稳定砂砾平均干燥收缩系数

表7 复合材料和规范级配三灰砂砾平均干燥收缩系数

由表5可知，二灰砂砾的干缩性能并不是细集料越细越差，而是存在一个较佳细集料级配，在此级配下的干缩性能较好。如从W-1到W-6，其级配逐渐变粗，即2.36 mm筛孔通过率从30%(W-1)一直到2.36 mm通过率为0%(W-6)，但并不是W-6的干缩系数最小，而是W-2～W-4的干缩系数较小。

由材料失水量占总失水量70%左右的干缩系数评定不同细集料级配三灰砂砾的干缩性能，从优到劣的顺序是：W-4>W-2>W-6>W-3>W-1>W-5；若以总的平均干缩系数来评定不同细集料级配三灰砂砾的干缩性能，从优到劣的顺序是：W-2>W-5>W-3>W-6>W-1>W-4。两个不同干缩性能优劣顺序结果表明，用何段时间内干缩系数来评定半刚性基层材料抗干缩性能优劣，显得非常关键，否则可能得到相反的结果，如用总的平均干缩系数评定，W-4的抗干缩性能最差，而若以材料失水量占总失水量70%左右的干缩系数评定，W-4的抗干缩性能最佳，结合工程实际，评定半刚性基层材料的抗干缩性能必须以材料失水量占总失水量70%左右的干缩系数来衡量，得到W-2～W-4的抗干缩性能较佳。

由表6可知，相同的水泥或石灰用量条件下二灰砂砾的干缩性能(J-1)优于水泥稳定砂砾(J-5)，这是因为水泥稳定类化学反应较快，大量水分消耗于该化学反应中，同时其应变除了由于水分减少而发生干燥收缩外，还包括水泥的化学收缩；其次，水泥用量越大，抗干缩性能越差，如J-5的水泥用量为6%，J-6的水泥用量为5%，J-5的干缩系数比J-6大得多；再者，合理配比的三灰砂砾抗干缩性能最佳，如J-2,但是三灰砂砾的配比对干缩性能影响很大，如J-4的干缩系数最大。

由材料失水量占总失水量70%左右的干缩系数评定不同结合料稳定砂砾的干缩性能，从优到劣的顺序是：J-2>J-6>J-3>J-1>J-5>J-4。由此得到J-2的抗干缩性能最佳，即水泥∶石灰∶粉煤灰∶砂砾=1.5∶4.5∶14∶80(质量比)配比的抗干缩性能最佳。

由表7可知，用材料失水量占总失水量70%左右的平均干缩系数评定掺加纤维三灰砂砾的干缩性能，从优到劣的顺序是：J-2-Ⅲ>J-2>J-2-3>GF。说明设计的最佳级配三灰砂砾的干缩性能优于规范中三灰砂砾，添加纤维带三灰砂砾(J-2-Ⅲ)的干缩性能优于不加纤维三灰砂砾，添加纤维丝三灰砂砾(J-2-3)的干缩性能却不如不加纤维的三灰砂砾。

3 温度收缩性能试验

3.1 不同细集料级配三灰砂砾温度收缩试验结果及分析

在干缩试验的基础上，取干缩性能较好的W-2级配、W-3级配和W-4级配进行温度收缩试验，试验结果见图8所示。

图8 不同细集料级配三灰砂砾温缩结果

从图8可知，不同细集料二灰砂砾的温度收缩系数曲线在试验温度区间(-20℃～30℃)内表现出随温度升高而变缓，而且它们的变化趋势基本相同。在0℃～10℃之间温缩系数达到最小，在0℃～-10℃最大，说明半刚性基层在寒冷的冬天易发生温度收缩裂缝；以0℃～-10℃之间的温缩系数评价材料温缩性能，从优到劣的顺序是：W-2>W-3>W-4，这与用低温段平均温缩系数评价材料温缩性能相同。

随温度的下降，二灰砂砾的毛细管中弯曲液面内外压力差和弯曲液面表面张力增大，当这种作用力超过毛细管壁颗粒内部的连接力时，使温缩系数增大。在高温区弯曲液面内外压力差和液面表面张力较小，所以随温度下降，温缩系数变小，在0℃～10℃之间部分重力水和自由水(自由水冰点一般在4℃左右)开始结冰膨胀，抵消了部分收缩变形，但由于这部分水含量极少，所以冰冻作用不明显，表现在图上为温缩系数变小，并达到最小值；但温度低于0℃后，毛细管张力有可能大于颗粒的连接力，使温缩系数变大。温度低于-10℃后，温缩系数变化不大，甚至有减小的趋势，这可能是因为毛细管中水的冰点一般在-10℃～-20℃左右，当温度达到该区间时，大部分空隙水积聚冻结，使整体体积发生膨胀，从而表现为温缩系数在该区间内变小。

3.2不同结合料稳定砂砾的温度收缩试验结果及分析

不同结合料稳定砂砾的温度收缩试验结果见图9所示。

图9 不同结合料稳定砂砾的温缩试验结果

从图9可知，不同结合料稳定砂砾的温缩系数在试验温度区间(40℃-～20℃)内，随温度降低而出现峰值，而且它们的变化趋势也基本相同。在0℃～10℃之间温缩系数达到最小，0℃～-10℃的最大，说明半刚性基层在寒冷的冬天易发生温度收缩裂缝；用0℃～-10℃之间的温缩系数评价材料温缩性能，从优到劣的顺序是：J-2>J-3>J-1>J-4>J-5>J-6，这与用低温段平均温缩系数评定结果基本相同。

低温段三灰砂砾(如J-2、J-3、J-4)的温缩性能优于水泥粉煤灰砂砾(J-5、J-6)，同时，水泥用量合理的三灰砂砾(如J-2)的温缩性能最佳，但随着三灰砂砾中水泥用量的增加，其温缩系数逐渐增大。其中水泥用量合理的三灰砂砾(J-2)在0℃～-10℃的温缩系数只有水泥稳定砂砾(J-6)的61.5%。

图10 复合材料和规范级配的温缩试验结果

3.3 复合材料和规范级配三灰砂砾的温度收缩试验结果及分析

从不同结合料稳定砂砾的温度收缩试验结果可知，低温段的温度收缩系数较大。为了更准确地判断温度收缩系数最大的温度区间，在复合材料和规范级配三灰砂砾的温度收缩试验中进行温度调整，具体调整及试验结果见图10。

从图10可知，复合材料和规范级配三灰砂砾的温缩系数在试验温度区间(25℃～-25℃)内，也随温度降低而出现峰值，而且它们的变化趋势也基本相同。在15℃～5℃之间温缩系数达到最小，5℃～-5℃的最大，说明半刚性基层在寒冷的冬天易发生温度收缩裂缝，用5℃～-5℃或低温段的平均温缩系数评价材料温缩性能，从优到劣的顺序是：J-2-Ⅲ>J-2-3>W-1>GF。

试验结果表明，添加纤维可使三灰砂砾抗温度收缩性能得到很大的提高，添加纤维丝三灰砂砾(J-2-3)的低温段平均温缩系数只有不加纤维(W-1)的56.6%，添加纤维带三灰砂砾(J-2-Ⅲ)的低温段平均温缩系数只有不加纤维(W-1)的51.1%。

结合上面的温度收缩试验结果，可以判断在0～-10℃之间温度收缩系数最大，即在0～-10℃之间半刚性基层材料最易产生温度收缩裂缝；材料抗温缩性能的优劣应该用低温段的平均温缩系数或0～-10℃之间的温缩系数来评价。