基于CT扫描试验的水泥稳定基层拱胀机理探究

2021-06-27程力

中国公路 2021年9期

程力

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

一、病害调查

（一）调查原则及范围

基于自然地理条件、温差、时间、材料及工艺差异性原则，本文选取了北疆地区G30连霍高速公路小草湖至乌鲁木齐段、塔里木盆地西北缘G3012吐和高速公路阿克苏至喀什段、S16麦喀高速公路麦盖提至喀什段、S13三莎高速公路，以及塔里木盆地南缘G3012吐和高速公路墨玉至和田段开展了路面拱胀病害调查。

（二）病害特征

路面拱胀病害调查结果表明，路面拱胀具有3点特征。从地域分布来看，拱胀主要发生在环塔里木盆地沿线；从公路等级来看，拱胀主要发生在整体式的高速公路和一级公路；从工程建成年代来看，拱胀主要发生于近几年建设的水稳基层厚30cm以上、基层强度较高的高等级道路。此外，在早期建成的水稳基层厚度薄、强度低的各等级公路未发现水泥稳定基层拱胀情况。

（三）拱胀特征分析

经过调查、分析拱胀发生路段路面结构发现，拱胀路段主要有3个特点。从易溶盐含量来看，发生拱胀的基层Na2SO4含量较未发生拱胀的基层平均高出14%、总含盐量平均高出18%；从混合料级配来看，拱胀主要发生在使用《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）表6.1和6.2中规定的级配范围内的基层，由施工期间检测数据可知，拱胀段基层混合料级配普遍偏细；从施工工艺来看，拱胀主要发生在分层摊铺或分层连续摊铺路段，上下基层层间结合差，发生拱胀破坏时上下基层分离。

二、CT微观试验

本文通过工业CT扫描技术，分析基层材料温度及含盐量变化对水泥稳定基层微观结构的影响，揭示了不同因素作用下水泥稳定材料拱胀发展的内在机理，试验方案如表1所示。

表1 水泥稳定砂砾试件指标一览表

（一）温度影响分析

含盐量为0.8%的水泥稳定材料试件截面分别在-10℃、-5℃、0℃、10℃、20℃和30℃条件下的CT扫描图像，如图1所示。

图1 不同温度条件下水泥稳定基层材料CT扫描图像

对比试验结果可知，试件温度从-10℃上升至-5℃，断面孔隙部分的面积略有减小；试件温度从0℃上升至10℃，断面孔隙部分面积无明显变化；试件温度从10℃上升至20℃，断面孔隙部分面积扩大但不明显，由此可知水泥稳定基层材料在10℃开始发生拱胀变形；当试件温度从20℃上升至30℃，断面孔隙面积明显扩大，由此可知试件体积开始膨胀，水泥稳定材料发生了较大拱胀变形。

为进一步验证温度变化对水泥稳定材料试件的影响，试验计算了CT扫描图像中的孔隙比例，方法如图2和图3所示。

图2 CT扫描图像处理

图3 CT扫描图像处理

含盐量0.8%的水泥稳定材料试件的3个断面，在不同温度条件下断面孔隙率变化曲线如图4所示。

图4 温度对孔隙率的影响

对比图4中3组数据可知，当试件温度从-10℃上升至0℃时，3个断面的孔隙率略有减少，在0℃～10℃范围内，3个断面的孔隙率未发生显著变化，当温度高于10℃时，3个断面的孔隙率迅速增大。因此，温度变化对水泥稳定材料空隙率的影响主要包括两个方面：一方面随着温度升高，水泥稳定材料发生膨胀，内部空隙逐步增大；另一方面温度在-10℃～0℃和20℃～30℃两个范围内时，试件内部析出形成Na2SO4·10H2O晶体导致试件体积膨胀，影响水泥稳定材料拱胀的发展。

（二）含盐量分析

温度分别为5℃、-10℃时不同含盐量条件下的试件CT扫描图像如图5所示。

图5 不同含盐量条件下水泥稳定材料断面的CT扫描图像

通过上述图像方法处理不同含盐量下的CT扫描图像后，可绘制出含盐量分别为0.2%、0.4%、0.8%的水泥稳定材料的断面孔隙率变化曲线，结果如图6所示。

图6 含盐量对孔隙率的影响

由图6可知，当含盐量为0.2%时，水泥稳定材料试件的拱胀基本不受影响；当含盐量在0.2%～0.4%时，水泥稳定材料试件的拱胀开始受影响；当含盐量达到0.8%时，含盐量对水泥稳定材料的拱胀影响显著。在0.2%～0.8%的含盐量范围内，水泥稳定材料试件的拱胀与含盐量呈非线性关系，含盐量越高拱胀发展越快。随着含盐量的增大，集料表面的Na2SO4·10H2O结晶结构的分布越密集，集料间挤压越明显，导致水泥稳定材料体积膨胀，促进材料拱胀变形的发生。因此，在选用水泥稳定基层材料时，必须严格控制含盐量指标。