厚层水稳碎石压实度差异对路用性能影响研究

孟 旭 范文东 韩 庆

（长安大学材料科学与工程学院1） 西安 710064）

（长安大学公路学院2） 西安 710064）

（商丘职业技术学院3） 商丘 476000）

0 引 言

厚层水泥稳定碎石基层结构由于能提高路面的整体性能而被广泛使用，已成为我国高等级公路采用的主要基层结构形式之一.这类厚层结构在施工过程中若采用单层铺筑，基层上下压实度会出现很大差异，即使是分层施工，也难以有效控制上下基层压实度及其差异.基层压实度的差异对路面整体使用性能有何影响已开始受到人们的关注.有研究［1－4］表明，基层整体性能欠佳是引起路面病害的主要原因；上下基层压实度差异可导致基层整体性能欠佳，最终引起路面产生严重病害［5－9］.

目前国内外有关压实度对基层路用性能影响方面的研究较少，关于厚层水泥稳定碎石基层相关的研究尚未见报道.基于此，本文通过室内试验在压实度对基层整体性能的影响方面进行了研究，系统分析了基层压实度差异对基层力学性能、抗裂性能和耐久性能，以及对路面整体路用性能的影响规律，研究结果可为厚层水泥稳定碎石基层结构的设计与施工提供技术支撑.

1 试验方案及试件成型方法

1.1 试验方案

《公路面基层施工技术规范》（JTJ034－2000）规定：水泥稳定碎石基层压实度不应小于98%.因此，本文研究将上部基层压实度定为98%作为B基准状态进行试验，为对比压实效果差异导致的影响，再提高上部压实度为100%作为A基准状态；同时，为了模拟现场状态对上下基层性能差异进行研究，分别将上下部基层压实度的差异定为1.5%和3%，并进行各项路用性能测试，压实度对各项性能影响的测试方案见表1.

表1 压实度对各项性能影响的测试方案

1.2 试件成型方法

型试件时，若下部压实度小于上部（以A3为例），根据压实度和试件体积求出所需混合料的质量，先成型压实度为100%的下部分，在其上部成型97%的上部分，测试时颠倒上下面.目的在于防止成型上部分时，增大下部试件的压实度.中梁试件的成型方式与圆柱体基本相同.

1.3 试验方法

1）力学性能试验 按照标准击实试验所得最大干密度和最佳含水量成型试件，并进行标准养生.依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057－94）中的方法进行抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量试验测试.

2）干缩试验 在最大干密度和最佳含水量的条件下成型98%压实度圆柱体试件，成型后立即脱模放入干缩温变形测量仪中开始试验，用高精度探头测试刚成型试件的高度，并称重测试含水量.测试方法是将试件放在上下均平整的面上（如玻璃片），把高精度探头固定在其表面，在常温下让水分自由散失，定期称试件重量，同时采集高度变化值，直至水分散失尽为止，最后确定干缩系数以及干缩率.每组用试件3个，2个测试高度变化，1个称重测试重量变化.

3）温缩试验 按标准要求成型中梁试件，在标准养护条件下养生28d.试验中采用干温缩变形测量仪测试材料的温缩系数，将箱内温度降低至最低温度（－10℃），然后以设定升温速度将温度升高至最高温度（＋50℃），传感器将箱内温度传递至程序，探头将高度变化传递至程序，程序以设定方式（如每2min采集一个点）采集数据并绘制成曲线图.

4）抗冲刷试验方法 在降雨量较大地区，水进入基层后在荷载的作用下会形成很强的动水压力对基层造成严重的冲刷破坏，因此对基层的抗冲刷性能进行评价与研究显得格外重要.本文利用长安大学自行研制的冲刷仪对养护28d的水泥稳定碎石的抗冲刷性能进行评价.该冲刷仪的特点是根据行车产生的荷载对路面基层产生的冲刷进行模拟，试验时将在标准条件下养生28d并泡水24h的标准圆柱体试件固定在冲刷仪上，加入适量的水，使液面超过试件顶面5mm，然后进行冲刷试验，5min后，将试件取出，收集冲刷桶里的剩余物并烘干称重，其冲刷量为

式中：W为单位时间内的冲刷量，g／min；G为t时间内的冲刷重量，g；t为冲刷时间，min.

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

1）抗压强度 压实度对厚层水泥稳定碎石不同龄期抗压强度的影响试验结果见表2和图1.

表2 不同压实度7d，90d抗压强度

图1 不同压实度抗压强度图

由试验结果可知，压实度的差异对厚层水泥稳定碎石的抗压强度有明显影响，在上层压实度相同的情况下，下层压实度降低会导致试件各龄期抗压强度明显降低，上下层压实度差异相同时，上层压实度越高，试件各龄期抗压强度越高，与A1相比，A2和A3强度降幅分别为9.4%和16.1%，B2和B3的抗压强度比B1小16.3%和29.0%；试件的抗压强度与平均压实度具有良好的相关性，相关系数达97%以上；压实度差异对试件早龄期抗压强度比后期的影响更显著，7d抗压强度，与A1相比，A2和A3强度降幅分别为9.4%和16.1%，而90d抗压强度，与A1相比，A2和A3强度降幅分别为5.9%和9.5%，B系列试件的降幅则由7d的16.3%和29.0%减小到8.5%和13.8%，显示了相同的规律.分析原因，主要是因为随着龄期延长，水泥水化程度提高，试件的强度逐渐形成，减弱了压实度的影响；增加上层的压实度虽不能消除上、下压实度差异对抗压强度的影响，但可减弱此影响.

2）劈裂强度与抗压回弹模量 压实度对于90d厚层水泥稳定碎石劈裂强度与抗压回弹模量的影响结果见表3.

分析表3结果可知，压实度差异对厚层水泥稳定碎石的劈裂强度与抗压回弹模量有较明显影响，且规律相同，即厚层水泥稳定碎石劈裂强度与抗压回弹模量均随着平均压实度降低而减小；不同整体性状态对劈裂强度的影响比抗压回弹模量更明显，在上层100%压实度（Ai）情况下，下层压实度每降低1.5%，劈裂强度降幅分别为8.6%和12.9%；上层压实度98%时，下层压实度每降低1.5%，劈裂强度降幅分别为11.4%和20.3%；而同样条件下，上层100%压实度对应的抗压回弹模量降幅分别为5.94%和10.46%，上层98%压实度对应的抗压回弹模量降幅则分别为4.02%和12.19%.

表3 压实度对于90d厚层水泥稳定碎石劈裂强度与抗压回弹模量的影响

2.2 耐久性能

1）干缩性能 压实度对厚层水泥稳定碎石干缩性能的影响见图2.

图2 压实度对厚层水泥稳定碎石干缩性能的影响

由图2可知，压实度对水泥稳定碎石的干缩性能有明显影响，随着平均压实度增大，厚层水泥稳定碎石的干缩变形越小；随着龄期延长，其干缩变形增大.这主要是因为随着压实度增大，水泥稳定碎石更加密实，其内部孔隙率降低，不利于内部水分向外逸出，水分散失慢，变形降低.

2）温缩性能 图3～4分别为压实度对28d龄期水泥稳定碎石温缩系数和温缩变形的影响结果.由图所示结果可知，随着平均压实度降低，水泥稳定碎石的的温缩系数和温缩变形增大；下层压实度降幅相同的情况下，上层压实度越高，温缩系数增幅越低，在上层100%压实度（Ai）情况下，下层压实度每降1.5%，平均温缩系数增幅分别为5.89%和12.21%，而上层98%压实度（Bi）对应的增幅分别为6.61%和13.86%.这可能主要是因为压实度越小，水泥稳定碎石内部空气挤出量越小，包裹的空气越多，在温度变化时，由此产生的体积膨胀越大，水泥稳定碎石的温缩系数和温度变形也就越大.

图3 压实度对28d龄期水泥稳定碎石温缩系数的影响

图4 压实度对28d龄期水泥稳定碎石温缩变形的影响

3）抗冲刷性能 压实度对水泥稳定碎石抗冲刷性能的影响结果见表4.由结果可知，随着平均压实度降低，水泥稳定碎石的总冲刷量越大，其抗冲刷性能越差；在压实度降幅相同条件下，上层压实度越大，水泥稳定碎石的冲刷量增幅越小，当上层压实度（Ai）为100%时，下层压实度每降1.5%，平均冲刷量增幅分别为5.6%和22.4%；而上层压实度（Bi）为98%时，对应的平均冲刷量增幅则分别为54.3%和83.0%.

分析原因，主要可能是因为压实度越高，水泥稳定碎石内部孔隙率越小，胶凝材料及其与碎石颗粒之间接触面积越大，随着水泥水化进行，它们之间的粘结强度也越高，当受到水分冲刷时，较小的孔隙率降低了水分在材料中的迁移速度和迁移量，而且较高的粘结强度也进一步增大了水分破坏已有结构的阻力，所以表现出随着压实度增大，水泥稳定碎石的抗冲刷能力越强的现象.

表4 压实度对水泥稳定碎石抗冲刷性能的影响结果

3 结 论

1）压实度对水泥稳定碎石的抗压强度和劈裂强度等力学性能有显著影响，在压实度降低幅值相同条件下，上层压实度越高，对应的力学性能降幅越小；随着水泥水化进行，可以消除压实度的不利影响，压实度对水泥稳定碎石早期抗压强度比后期影响更显著.

2）增加压实度、提高整体性可减小水泥稳定碎石结构的孔隙率，降低结构包裹气体含量，阻止内部水分逸出，可降低材料的干缩和温缩.

3）增加压实度、提高整体性可降低水泥稳定碎石结构的孔隙率，降低水分在材料中的迁移速度和迁移量，同时可增大胶凝材料及其与碎石颗粒的粘接面积，有利于发挥水泥的粘结性能，从而提高材料的抗冲刷性能.

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