寇梦婕,张 晔

(1.陕西华山路桥工程有限公司,陕西西安710016;2.陕西建工集团 机械施工有限公司,陕西西安710032)

水泥稳定碎石半刚性基层具有整体强度高、稳定性好、整体性好且经济等特点,被广泛用于修建高等级公路沥青路面的基层或底基层,是我国沥青路面结构的主要型式[1-3]。花岗岩风化料是花岗岩经物理、化学风化作用形成的残留在原地的岩石碎屑物,其工程力学性质与风化料的粒度成分有关,而风化料的粒度成分与母岩成分及风化程度有关。花岗岩经风化后,其颗粒大小不一,具有砂粒和粘土的性质,有较大的孔隙比、较大的内摩擦角并具有一定的粘聚力,但遇水后宜软化,是一类特殊的岩土类型。目前我国高等级公路的半刚性基层主要采用水泥稳定碎石材料和水泥稳定砾石材料,将风化破碎类花岗岩作为半刚性基层、底基层填料的应用研究十分缺乏。本文依托郑石高速公路路面基层工程,对水泥稳定风化岩的工程性能进行了无侧限抗压强度、劈裂强度试验及干缩应变等试验研究。

1 试验设计

1.1 花岗岩风化料颗粒特征

现场采集的原状风化花岗岩颗粒较粗且不均匀,为分析原状土颗粒分布特征,进行了室内筛分试验,结果表明:原状土颗粒主要由砂、砾粒组成,以砾粒为主,占 60%～70%,其余为砂粒,占 30%～40%。不均匀系数为 5.5～9,曲率系数0.88～0.912,原状风化花岗岩为级配不良的土。由击实试验可知,两组击实试验结果分别为:最优含水率7.5%,最大干密度2.12 g/cm3和最优含水率7.5%,最大干密度2.14 g/cm3,平均最优含水率7.5%,平均最大干密度2.13 g/cm3。

1.2 试验方法及试件成形

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)[4]采用静压法成形试件尺寸15 cm×15 cm圆柱体试件,试件要求在最优含水率和设计要求压实度(98%)条件下成形,成形的试件脱模后称量质量,立即用塑料包裹,送至相对湿度90%以上,恒温(25℃±2℃)养生室养生至规定龄期。养生期最后一天浸水24 h。采用NYL-300型压力试验机,进行无侧限抗压强度试验,采用MTS机进行劈裂强度试验。

1.3 水泥稳定风化岩配合比设计试验

试验用原材料采用P.O32.5普通硅酸盐水泥和河南平顶山鲁山地区风化花岗岩。通过对所选用的集料筛分试验,完成试验用集料的级配组成设计[5-6],并结合水泥选定了3个试验配比方案,对这3种试验配比方案进行了重型击实试验、7 d无侧限抗压强度试验、90 d无侧限抗压强度试验、90 d劈裂试验及90 d抗压回弹模量试验,其试验结果见表1。在此基础上,进行了这3种方案的干缩试验。

表1 水泥稳定风化岩各项试验结果

1.4 干缩试件的制作、养生、测试

干缩试验每一个方案各为2组试件,每一组3个平行试件,其中一组试件用于测干缩变形,另一组备用试件测失水量。试件采用压力机静压成形,制成100mm×100mm×400mm的中梁试件,成形的最大干密度和最佳含水率同无侧限强度试验。试件脱模后置于温度为(25℃±2℃)的标准养护室保湿养生,养生龄期7 d。将养生7 d后取出试件,放在试验室玻璃板上自然干燥,通过平卧式装置上的千分表读取不同时间试件的干缩量。在读取干缩量的同时,测定备用试件在相同自然环境下的平均水分蒸发损失量,以此作为干缩试件的平均水分蒸发损失量。测定过程直到试件含水率不再减少,千分表的读数变化到0.010 mm为止。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

内掺不同比例水泥的花岗岩风化料试件的无侧限抗压强度试验结果见图1。7 d试件的无侧限抗压强度随水泥掺量增加而增大,其变化趋势从3%～4%区间内试件无侧限抗压强度增加较显著,从4%～6%试件无侧限抗压强度增加缓慢趋于稳定值2.89 MPa。90 d试件无侧限抗压强度值随水泥掺量增大而显著增大,其数值及增幅均比7 d试件无侧限抗压强度值大,90 d强度值是7 d强度值的3.0～4.2倍,水泥系风化料的后期强度有较大幅度增长。水泥稳定花岗岩风化料7 d无侧限强度值满足底基层材料强度的要求,但水泥掺量增大会造成底基层开裂,因此,水泥掺量控制在4%～5%之间为宜,以水泥掺量为5%时最优。

2.2 劈裂强度试验

内掺不同比例水泥的花岗岩风化料试件的劈裂强度试验结果见图2。90 d龄期试件劈裂强度值随水泥掺量增加而增大,水泥掺量在5%以下时劈裂强度增量较大,而在5%以上时增量明显减小,水泥掺量为5%时的劈裂强度值是一个明显的拐点。考虑轮胎接地压力为0.7 MPa时,为满足设计年限内累计标准轴次达到3 000～5 000万次/车道的要求,底基层材料的劈裂强度一般要达到0.4 MPa。考虑底基层材料的变异性,各配比劈裂强度试验曲线,取变异系数0.8,则底基层劈裂强度一般要达到0.5 MPa,规范要求水泥稳定碎石的基层材料90 d的龄期的劈裂强度为0.4～0.6 MPa符合当前路用要求。水泥稳定花岗岩风化料的劈裂强度在水泥掺量为5%和6%时,均满足路用要求,并以水泥掺量为5%时为优。

图1 不同水泥含量试件无侧限抗压强度试验结果

图2 不同水泥含量试件劈裂强度试验曲线

2.3 时间对干缩应变的影响

干缩应变随着时间增长而逐渐增大,前10 d内,干缩应变增长较快,随后干缩应变的增长幅度变小。试件在10 d以内干缩性状显著;在10 d以上干缩应变的变化率基本不变,反映出干缩趋于稳定。试验表明干缩应变先随时间增大,后达到稳定状态,干缩历时较长,试验结果如图3所示。

图3 水泥稳定风化岩干缩应变随时间变化规律

2.4 时间对失水量的影响

失水量在试验初期(基本为第一天内)变化速度最快,主要是由于试件在标准养生室中养生,其含水率大,而试验是在室内自然条件下进行,水分丧失较多导致试验开始第一天失水量大。总体上分析,前10 d失水量变化较大,而后相对要小一些,表明失水量受时间影响,先大后小,最终将达到一个很小的变化值,试验如图4所示。

图4 水泥稳定风化岩失水量随时间变化规律

2.5 失水率对平均干缩系数的影响

总体分析三种方案各试件,如图5所示,随着失水率的增大,平均干缩系数逐渐增大,开始时平均干缩系数增长较快,到失水率达到2.7%以后,增长变得缓慢,直至最大值。并且方案Ⅱ的平均干缩系数随失水量的变化基本趋于直线,变化稳定,能有效的减少半刚性基层的开裂,防止路面开裂。方案Ⅰ和方案Ⅲ中,平均干缩系数变化落差大,即在同样的单位失水率情况下,试件的干缩应变显著,易引起半刚性基层的开裂。

图5 水泥稳定风化岩平均干缩系数随失水率变化规律

3 结 语

(1)原状花岗岩风化料颗粒主要由砂、砾粒组成,不均匀,为级配不良的土。将该风化料掺入水泥后其力学性能有较大幅度提高,7 d龄期无侧限抗压强度值满足底基层材料强度的要求,90 d龄期比7 d龄期的无侧限抗压强度高3.0～4.2倍。水泥稳定花岗岩风化料的劈裂强度满足路用要求。试验得出水泥掺量控制在4%～5%之间为宜,以水泥掺量为5%时最优。

(2)从不同水泥剂量的水泥稳定风化岩混合料室内干缩试验结果来看,干缩系数是一个较为稳定的材料参数,可用于评价材料干缩性能。并且水泥用量为5%的水泥稳定风化岩混合料单位失水率的干缩系数变化较小,整体变化趋势稳定,没有大的突变,具有较好的干缩性能,施工时推荐使用。应用水泥稳定风化岩作为半刚性基层材料时,在施工初期的10 d左右养生至关重要,施工后一周内必须进行湿法养生,以防止基层开裂。

[1] 梅传江,牛 朋.水泥稳定碎石基层路用性能研究[J].公路交通科技,2002,19(3):35-37.

[2] 宋少华,杨晓勇,许志鸿,等.水泥稳定碎石基层合理强度的探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2006,(4):51-54.

[3] 马士宾,苌军英,魏连雨,等.水泥稳定风积砂碎石基层正交试验研究[J].重庆交通学院学报,2004,23(5):48-51.

[4] JTGD-50-2006.公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[5] JTJ057-94.公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社,1994.

[6] JTJ034-2000.公路路面基层施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2000.