半刚性基层路用性能分析

张绪亮

(黑龙江省哈同高等级公路管理处)

半刚性材料作为路用材料的历史由来已久,但大量采用这么多种类型的水硬性结合料处治粒料和处治土做不同等级道路的基层或底基层还是近三四十年来的事。像美国、日本、美国、德国、意大利、瑞典、前苏联等许多公路交通极为发达的国家,在设计和建设高速公路时都较多地采用了半刚性材料作为路面结构的基层或结构层之一。所不同的是,不同的国家因其交通组成不同、地理气候条件不同、材料资源不同、设计经验或方法不同等因素,使得采用的半刚性基层的类型与厚度也不大相同而已。综上所述,目前国外干线道路上使用的基层的类型、结构有以下特点。

(1)主要采用结合料稳定的粒料(包括各种粗粒土和中粒土)做基层,稳定细粒土(如水泥土、石灰土等)做底基层,有的国家只用作路基改善层。

(2)使用最广泛的结合料是水泥和沥青,石灰使用得较少。当地有条件时还使用当地的低活性慢凝材料和工业废渣,如粉煤灰、矿渣粉等。例如,法国采用矿渣稳定砂砾、石灰粉煤灰稳定砂砾和火山灰稳定砂砾等材料。

(3)为减少基层材料的开裂,可采用强度不大于 15×6MPa(28 d龄期)的水泥混凝土、贫混凝土、碾压混凝土或4%～6%的水泥稳定粒料。

(4)一些国家在高等级公路上因诸多因素的差异所采用的路面结构形式和厚度有较大差别。

半刚性基层目前已是我国高等级路面所使用的最主要的材料类型。具体到每一条道路上的材料选择,也只是根据设计要求的强度值,结合当地料源及经验来确定半刚性基层材料的类型与配合比,而同样影响整个面层使用质量、寿命等路用效果的其他路用性能,比如基层材料的抗拉强度和变形问题;收缩开裂;水稳性和冰冻稳定性等半刚性材料的许多其它路用性能,至今在规范内却仍未作什么明确要求和指标规定,而实践证明这些性能对整个路面的使用也起到了非常重要的作用。因此在基层材料选材时则直接导致了半刚性基层评价体系的不完善,进而造成当前许多路面病害产生的诸多原因之一。从我国半刚性基层使用效果的调查和分析中可以看出,全面分析评价半刚性基层的路用性能,而不是单纯以强度这一个指标来确定材料形式和配比是未来选择材料时的大趋势。

本文选取了水泥稳定碎石、水泥粉煤灰稳定碎石和二灰碎石 3种典型半刚性基层材料为试验对象,主要研究了他们的干缩性质。

1 试件成型

混合料的级配均采用规范的相应中值,其组成采用目前工程中较常用的比例见表 1。进行试验前,首先用重型击实试验测出各混合料的最佳含水量和最大干密度,其结果见表 2。

表 1 混合料组成

表2 击实试验结果

试件成型分为 2种规格,一种为 7 cm×7 cm×24 cm的小梁试件,进行弯拉、断裂、干缩和疲劳试验;另一种为Φ15 cm×15 cm圆柱型试件,进行抗压强度试验。试件采用静压成型,压实度控制在 98%,根据交通部公路规划设计院和同济大学等单位的研究成果,60℃水中养生 1 d大约相当于常温养生 1个月的强度。另外,沙爱民博士研究表明,高温下的快速养生不会改变水泥土与反应生成物有关的性质。因此,弯拉疲劳试件养生采用水浴快速养生的方法,养生温度为 60℃,误差 ±1℃,水泥类稳定碎石养生 3 d,石灰类稳定碎石养生 6 d。养生试件外包 3层密封塑料袋,以防养生时水浸入试件。各测试结果以 4组试件的平均值为准。

2 干缩试验

本次试验研究对二灰类和水泥类稳定碎石的干缩变形性能作了较详细的试验。小梁试件采用常用的 7d养生龄期,养生温度为 25±2℃,相对湿度大于 90%,养生过程中要保持试件的原始含水量基本不变。将养生后的试件取出平放在干缩装置上,通过安装在端部的两个千分表,可以读取不同暴露龄期试件的收缩量。同时,测量备用试件在相同自然状态下的平均水分损失量,测定过程直到试件含水量不再减少为止。利用所测得的试件干缩量和相应的水分损失量,可以计算试件的干缩应变或平均干缩系数,计算公式如下

式中:Ed为试件的干缩应变(×10-6);Ad为试件的平均干缩系数(×10-6);L为试件的长度;Δl为含水量损失 Δω时,试件的整体收缩量,0.001mm。

3种材料的干缩应变均随着时间的延长而不断增大。以二灰碎石的干缩应变最小,水泥稳定碎石的干缩应变稍大于二灰碎石,以水泥粉煤灰稳定碎石的干缩应变最大。一般说来,水泥稳定碎石的干缩应变大于石灰类稳定碎石,所以在水泥稳定粒料的配合比组成设计时,最为关键的就是要确定水泥的掺量。如果水泥掺量过少则无法形成稳定的半刚性材料;如果水泥掺量过多则会大大增加材料的干缩性造成材料的过分开裂影响路面的使用性能。

3种材料的失水率均随着时间的延长而不断增大,但变化的速度渐渐变缓,且以水泥粉煤灰碎石的失水率最小;而以二灰碎石的失水率最大。水泥稳定碎石的失水率介于两种之间。

二灰碎石的平均干缩系数最小;水泥粉煤灰碎石的平均干缩系数最大;水泥稳定碎石的平均干缩系数介于其间。平均干缩系数小,说明干缩应变对失水率的敏感性小。

从三种材料的干缩应变与失水率的关系中可以看出随着失水率的增大,干缩应变也变大。对于二灰碎石来说,当失水率在 3.3%以下时,干缩应变变化并不大,但当材料的失水率达到 3.3%时,干缩应变的变化很剧烈数值一下子变大,因此在施工中对二灰粒料的失水率要严格控制。水泥类稳定粒料的失水率虽然小于二灰类稳定粒料,但是干缩应变却变化很快,其值也大于二灰类稳定粒料。

3种材料的平均干缩系数与失水率的关系不难看出,二灰碎石的平均干缩系数最小,水泥类稳定粒料介于两者之间。在水泥稳定粒料中加入粉煤灰其平均干缩系数会变大,这是因为粉煤灰颗粒呈空心玻璃球状,具有较好的饱水能力,故在水泥稳定粒料中掺入粉煤灰后其失水率将适量减小,干缩系数作为干缩应变与失水率的比值将会适当增大。

[1] 中华人民共和国行业标准.公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94)[M].人民交通出版社,1994.

[2] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].人民交通出版社,1998.