水泥稳定碎石材料力学特性试验研究

2021-09-17于庆斌

铁道建筑技术 2021年8期

于庆斌

（中铁十九局集团第三工程有限公司辽宁沈阳 110136）

1 引言

水泥稳定碎石材料由于其强度、板体性及相对较低的造价，在道路基层中得到广泛应用［1－2］。但半刚性基层沥青路面往往在通车后2～3年内，出现不同程度的车辙、网裂、坑槽等早期破坏［3－5］，影响路面使用寿命［6－8］。目前在施工现场对于半刚性基层材料的力学性能评价主要采用7 d无侧限抗压强度指标［9－11］。由于指标单一，无法全面体现半刚性基层材料的力学特性［12－14］；此外《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）（后文简称为《细则》）中对于水泥稳定碎石材料提出了更高要求，因此有必要对此进行进一步的研究。本文进行静态模量、劈裂强度、单轴压缩模量、弯拉强度、弯拉回弹模量等试验分析不同级配、水泥剂量的水泥稳定碎石材料力学性能指标的变化，探究不同影响因素对于力学性能指标的变化趋势，为工程应用提供技术支持。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

采用辽阳小屯石灰岩，筛分结果见表1～表2。

表1 粗集料筛分结果

表2 细集料筛分结果

采用抚顺大伙房水泥有限责任公司生产的32.5级矿渣硅酸盐水泥，按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》所规定的试验方法对水泥的细度、凝结时间（初凝时间和终凝时间）、水泥胶砂抗折强度和抗压强度、安定性等进行试验。与《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中对于初、终凝时间的要求不同，《细则》对于道路用水泥凝结时间提出了更高要求，试验结果见表3。

表3 水泥技术指标

采用辽宁中电工程有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）所规定的试验方法对粉煤灰的SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量、烧失量、比表面积、0.3 mm及0.075 mm筛孔通过量、湿粉煤灰含水率等进行试验，试验结果见表4。

表4 粉煤灰技术指标

2.2 配合比设计

基于数学模型方法进行水泥稳定碎石配合比设计，本研究采用 C-B-1、C-B-2、C-B-3共3种级配进行试验，试验配合比见表5。

表5 设计配合比

2.3 试验方法

（1）水泥稳定碎石静态模量试验（顶面法回弹模量）

水泥稳定类基层不仅要有一定的强度，还要求有一定的刚度。我国《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中有顶面法和承载板法两种试验方法测试半刚性材料的静态模量，本研究采用顶面法来测试半刚性材料的静态模量特性。

采用UTM-100多功能材料试验系统，加载速率为1 mm／min。加载板上预定单位压力P，以0.1 P、0.2 P…0.5 P进行5级分级加载，用单位压力P与相应的修正回弹变形计算半刚性材料的静态抗压回弹模量。

（2）水泥稳定碎石劈裂强度试验

水泥稳定碎石混合料在施工后结成板体，在行车荷载的作用下，半刚性基层层底处于受拉状态。劈裂强度试验是检测半刚性基层材料强度的一种方法，通过其劈裂强度的大小检测其材料的抗拉性能。劈裂强度是确定水泥稳定碎石结构层容许拉应力的关键指标，是水泥稳定碎石结构层设计参数之一。

试验条件：采用UTM-100多功能材料试验系统，加载速率为1 mm／min。记录试件破坏时的最大压力P。试件的间接抗拉强度按式（1）计算。

式中：Ri为试件的间接抗拉强度，MPa；P为试件破坏时的最大压力，N；h为浸水后试件高度，mm。

（3）水泥稳定碎石单轴压缩模量试验

按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）附录E的试验方法进行水泥稳定碎石单轴压缩模量试验，本试验指标是路面设计规范要求开展的设计指标之一。

采用MTS设备加载，以1 mm／min加载速度连续均匀施加荷载，直至试件破坏。采用电脑控制数据采集系统，记录每隔0.01 s的荷载和时间轴向变形，根据荷载－应变曲线得到最大荷载和对应0.3倍最大荷载时的压应变，按式（2）计算弹性模量。

式中：E为弹性模量，MPa；Fr为最大荷载，N；D 为试件直径，mm；ε3为加载至0.3Fr时试件纵向压应变。

（4）水泥稳定碎石弯拉强度、弯拉回弹模量试验

抗弯拉强度和弯拉回弹模量是反映半刚性基层材料性能特别是抗裂性能的一个重要参数。

试验方法：采用UTM—100多功能材料试验系统，通过三分点加载的方法测定。制备试件尺寸为（100×100×400）mm。养生龄期为90 d，养生期的最后一天，试件饱水24 h。

3 结果与讨论

（1）水泥稳定碎石静态模量试验

设定C-B-1、C-B-2、C-B-3共三种级配，按设计水泥用量，C-B-2级配增加了4%水泥用量，90 d顶面法回弹模量试验结果见表6。

表6 水泥稳定碎石顶面法回弹模量

由水泥稳定碎石90 d顶面法回弹模量试验数据可以看出，级配C-B-1回弹模量最大，C-B-3最小，总体上悬浮密实结构比骨架密实结构（C-B-3）具有更高回弹模量值。对于具有悬浮密实结构的C-B-1、C-B-2而言，随最大粒径的增大，90 d顶面法回弹模量有所提高；随着水泥剂量的提高其90 d顶面法回弹模量提高，表明水泥剂量对于水泥稳定碎石90 d顶面法回弹模量有较大影响。

（2）水泥稳定碎石劈裂强度试验

试验仍设定C-B-1、C-B-2、C-B-3共 3种级配，90 d劈裂强度试验结果见表7，试验现场见图1。

表7 水泥稳定碎石劈裂强度

由表7可知，级配C-B-1劈裂强度最大，C-B-3最小，这与顶面法回弹模量试验结果趋势相同。对于具有悬浮密实结构的C-B-1、C-B-2而言，随最大粒径的增大，90 d劈裂强度有所提高；悬浮密实结构（C-B-1、C-B-2）比骨架密实结构（C-B-3）的 90 d劈裂强度明显要大，表明骨架密实结构的水泥稳定碎石材料对于90 d劈裂强度有不利影响；随着水泥剂量的提高其90 d劈裂强度提高，但提高幅度不大，表明水泥剂量对于水泥稳定碎石90 d劈裂强度影响较小。

（3）水泥稳定碎石单轴压缩模量试验

在C-B-1、C-B-2、C-B-3三种级配下，设计水泥用量的90 d单轴压缩模量试验结果见表8。

表8 水泥稳定碎石单轴压缩模量

试验结果表明，级配C-B-1单轴压缩模量最大，C-B-3最小。悬浮密实结构（C-B-1、C-B-2）比骨架密实结构（C-B-3）的90 d单轴压缩模量明显增大，表明骨架密实结构的水泥稳定碎石材料对于90 d单轴压缩模量有不利影响；对于具有悬浮密实结构的C-B-1、C-B-2而言，随最大粒径的增大，90 d单轴压缩模量明显提高；随着水泥剂量的提高，破坏荷载和单轴压缩模量均大幅提高，表明水泥剂量对于单轴压缩模量有明显影响。

（4）水泥稳定碎石弯拉强度试验

在 C-B-1、C-B-2、CB-3三种级配下，4%、5%、6%三种不同水泥剂量的90 d弯拉强度试验结果见表9，试验现场见图2。

表9 水泥稳定碎石弯拉强度试验结果

根据水泥稳定碎石弯拉强度试验结果可知，随水泥剂量的提高，不同级配的弯拉强度总体上均有所提高。对于不同级配类型而言，水泥稳定碎石弯拉强度变化呈现多样性。采用C-B-2级配和粉煤灰＋水泥为4＋5时，90 d弯拉强度最大，但总体上来说C-B-1级配在不同水泥剂量条件下的90 d弯拉强度最好，C-B-3级配在不同水泥剂量时的90 d弯拉强度均最小，表明级配种类是影响水泥稳定碎石弯拉强度的主要因素，即骨架密实结构对于水泥稳定碎石90 d弯拉强度产生很大负面影响。

对于C-B-1、C-B-2级配，在水泥剂量＞5%时，弯拉强度变化很小，表明水泥剂量对于90 d弯拉强度存在拐点，即在得到拐点后，随着水泥剂量的提高，对于其弯拉强度影响很小。

（5）水泥稳定碎石弯拉回弹模量试验

在 C-B-1、C-B-2、CB-3三种级配下，4%、5%、6%三种不同水泥剂量90 d弯拉回弹模量试验结果见表10，试验现场见图3。

表10 水泥稳定碎石弯拉回弹模量试验结果

根据试验结果可知，随水泥剂量提高，不同级配的弯拉回弹模量总体上均有所提高；对于不同级配类型而言，水泥稳定碎石弯拉回弹模量变化呈现多样性。采用粉煤灰＋水泥为4＋5时的C-B-2级配，90 d弯拉回弹模量最大，表明最大粒径较小且更均匀的级配弯拉回弹模量略大。总体而言，C-B-1级配在不同水泥剂量条件下的90 d弯拉回弹模量最好，C-B-3级配在不同水泥剂量时的90 d弯拉回弹模量均最小，表明级配种类对于水泥稳定碎石90 d弯拉回弹模量影响很大，即悬浮密实结构比骨架密实结构具有更高的弯拉回弹模量。

与弯拉强度试验综合分析表明，弯拉回弹模量并不随弯拉强度的提高而增大，表明弯拉回弹模量与弯拉强度没有相关性，但最大的弯拉强度与最大的弯拉回弹模量相一致。