骨架密实型二灰碎石基层的收缩性能

马士宾，刘俊琴，郭建宁，王丽洁，陈 曦

（1.河北工业大学土木学院，天津 300400;2.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300400）

骨架密实型二灰碎石基层的收缩性能

马士宾1，刘俊琴1，郭建宁1，王丽洁2，陈 曦1

（1.河北工业大学土木学院，天津 300400;2.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300400）

基于失水率、干缩应变、干缩系数等指标，研究了不同配合比条件下二灰碎石混合料的干缩性能;回归分析了累计干缩量与时间、累计失水率的关系;通过温缩试验研究了温缩系数与温度区间、平均温缩系数与最大温缩系数的关系。试验结果表明:多碎石条件下的二灰稳定碎石干缩性能优于常规配比的二灰稳定碎石混合料。配合比分别为8∶12∶80，6∶14∶80，8∶17∶75的二灰碎石混合料干缩性能均优于配合比为5∶10∶75;评价材料温缩性能时以0～-10℃之间的温缩系数为标准较为合理。

二灰碎石混合料;干缩性能;温缩性能;配合比

半刚性基层沥青路面结构是我国高等级公路路面的主要结构形式。二灰碎石基层具有强度高、水稳定性好、抗冲刷能力强、施工工艺相对简单等优点，得到了广泛的应用。但是随着二灰碎石的普遍使用和不断深入的研究，其基层缩裂问题也越来越突出的表现出来。在基层铺筑后、面层铺筑前，发生由于半刚性基层干缩导致的开裂，并导致产生沥青面层反射裂缝或对应裂缝［1］。由于收缩裂缝的产生使道路使用性和耐久性下降，工程投资和维护费用增加，已成为当前路面工程建设中急需解决的重大难题。

同时提高干缩性能和温缩性能可以提高半刚性材料的抗裂性能［2-3］。笔者通过对石灰、粉煤灰、细料3者在混合料中的不同含量对二灰碎石基层材料干缩和温缩性能的影响进行研究，并根据失水率、干缩应变、干缩系数等指标，回归分析了累计干缩量与时间和累计失水率的关系。通过温缩试验分别研究了温缩系数与温度区间的关系、平均温缩系数与最大温缩系数的关系，得出了在不同配合比下的干缩性能、温缩性能优劣排序，系统分析了各配合比的抗裂性能。

1 原材料性能试验

1.1 石 灰

石灰是粉煤灰水化反应的激发剂，应对其有效氧化钙、氧化镁含量提出最低的要求。经检验其技术等级为二级，符合JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》的要求。所用石灰的检验结果见表1。

表1 石灰技术指标Table 1 Lime technical indicators /%

1.2 粉煤灰

为了二灰碎石混合料的质量保证，应检测粉煤灰中（Fe2O3+Al2O3+SiO2）活性成分的含量、比表面积和烧失量，检验结果见表2。根据试验检验，采用的粉煤灰均符合JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》的规定。

表2 粉煤灰技术指标Table 2 Fly ash technical indicators

1.3 集 料

试验所用集料为石灰岩，规格分别为10～30，5～10，3～5，0～3 mm。0.6 mm 以下颗粒塑性指数为5，均符合JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》的要求。

压碎值的大小直接影响基层强度，是衡量集料力学性质的重要指标［4］。集料压碎值为15.2%，满足《公路路面基层施工技术规范》规定，高速公路和一级公路的集料压碎值不得大于30%。

2 二灰稳定碎石的干缩性能

2.1 试验方法

参考《公路路面基层施工技术规范》中推荐的上下限，骨架密实型集料级配各规格粒料比例为（9.5 ～31.5）碎石∶（9.5 ～19）碎石∶（4.75 ～9.5）碎石∶石屑 =58 ∶19 ∶11 ∶12，合成级配如表3。

表3 骨架密实型混合料合成级配Table 3 Synthesis gradation of the skeleton dense mixture

石灰与粉煤灰之间存在一个最佳的配比，在这个配比下二灰混合料的性能最优。在进行二灰配比设计时，石灰与粉煤灰的比例控制在1∶2～1∶3，目的是缩小范围。实验选用4组混合料如表4。

表4 二灰碎石混合料配合比Table 4 Mix proportion of lime fly-ash macadam mixture

采用静压法（压实度为98%）成型尺寸为10 cm×10 cm×40 cm的中梁试件，脱模后用塑料袋密封，并置于（20±1）℃的标准养护室保湿养生7 d，在室内自然温度、湿度试验对不同配合比的二灰稳定碎石混合料采用上述配比进行了干缩试验。试验温度为20℃，相对湿度60%［5］。

2.2 干缩性能试验

2.2.1 二灰碎石混合料失水率、干缩应变、干缩系数与时间的关系

多碎石条件下不同配合比的二灰稳定碎石失水率、干缩应变与时间的关系如图1、图2。

图1 二灰碎石失水率-时间关系曲线Fig.1 Relationship between water loss rate of lime-fly ash concrete and time

图2 二灰碎石干缩应变-时间关系曲线Fig.2 Relationship between dry shrinkage strain of lime-fly ash concrete and time

由图1、图2可得，在试验温度为20℃，相对湿度60%条件下，失水率和干缩应变随龄期的增长而逐渐增大。由于试件成型后初期的失水率较大，其相应的收缩应变也快速的增加。试件成型7 d内的失水率占180 d总失水率的36.5%以上，平均达到50%。对应的收缩应变占总收缩应变的46.9% ～65.8%，平均 57.12%。

干缩应变随着时间增长而逐渐增大，试件成型后前期干缩应变增长较快，随后幅度变小，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。此外也表明，早期失水速度的减小，同样会起到控制收缩作用。不同配合比的二灰稳定碎石混合料失水率由大到小为:配合比1≈配合比2＞配合比3＞配合比4。各类半刚性基层材料干缩应变由大到小为:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。

各配合比的二灰稳定碎石干缩系数与时间关系如图3。

图3 各配比的二灰碎石干缩系数-时间关系曲线Fig.3 Relationship between dry shrinkage coefficient of lime-fly ash concrete and time in different mix proportion

由图3可知:

1）二灰碎石材料在各配合比下的干缩系数和时间曲线近似于波浪线，7 d内的干缩系数增长较快，随后干缩系数增长逐渐趋于缓慢，最后干缩系数的增长基本平缓，不同配合比的二灰稳定碎石增长趋势基本相同。

2）试件成型后早期相同龄期下各配合比下干缩系数由大到小为:配合比4＞配合比3＞配合比1＞配合比2，后期相同龄期下各配合比下干缩系数由大到小为:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。

3）试验结果表明，配合比良好的方案干缩量曲线较为平缓，这表明施工中养生是非常重要的，要注意因养生不充分引起较大失水发生干燥收缩开裂的现象。

2.2.2 干缩应变、干缩系数与失水率之间关系

二灰碎石材料在不同配合比下的干缩应变、干缩系数与失水率的关系如图4、图5。

分析图4、图5可得，在失水率为5%以前，各类二灰稳定碎石材料的干缩应变和干缩系数差异性较大，这表明施工中养生环节是非常重要的，要保证基层表面的湿润，防止因养生不充分而发生较大的失水，从而杜绝材料的干燥收缩开裂。

图4 二灰碎石干缩应变-失水率关系曲线Fig.4 Relationship between dry shrinkage strain of lime-fly ash concrete and water loss rate

图5 二灰碎石干缩系数-失水率关系曲线Fig.5 Relationship between dry shrinkage coefficient of lime-fly ash concrete and water loss rate

各种二灰稳定碎石材料平均干缩系数与最大干缩应变如表5，其中参考值为集料级配采用的参考值，二灰碎石配合比为 7∶13∶80。

表5 二灰碎石混合料平均干缩系数及最大干缩应变Table 5 Average shrinkage coefficient＆maximal shrinkage strain of lime fly-ash macadam mixture

由表5可以看出:

1）各类二灰稳定碎石材料平均干缩系数由大到小依次为:配合比4＞配合比3＞配合比2≈配合比1。

2）各类二灰稳定碎石材料最大干缩应变由大到小依次为:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。

3）在干缩性能上，多碎石条件下的二灰稳定碎石优于常规配比的二灰稳定碎石混合料。

由干缩系数-失水率关系（图5）及失水率-时间关系（图1）可看出，失水量变化速度在试验初期最快，这是因为无机结合料在初期水化反应快造成的，此时干缩系数变化最大且数值较大，因而二灰稳定碎石半刚性材料在施工初期的7 d左右养生条件至关重要。建议施工后7 d内必须采用湿法养生，以防失水过多，加剧干缩应变，过早地产生干缩裂缝。2.2.3 干缩性能的回归分析

经过回归，得出各种配合比的二灰碎石混合料累计干缩应变与时间及累计失水率的方程，如表6。

表6 材料累计干缩应变与时间、累计失水率的关系Table 6 Relationship between cumulative dry shrinkage strain，time and cumulative water loss rate

通过得到的回归方程，可以计算出材料在不同时间和失水程度下的干缩量，从而可以在养护时更好的控制含水量的变化对干缩的影响，指导施工。

3 二灰稳定碎石的温缩性能

3.1 试验方法

参考干缩性能的方法成型试件，试件尺寸为小10 cm×10 cm×40 cm，在温度（20±2）℃，湿度 ＞90%的标准养生条件下，养生7 d。材料的温缩系数采用电阻应变片测试，测试时首先将试件两侧烘干，把应变片贴到合适的位置，接到电路中，将环境箱的温度先降到最低（-20℃），然后恒温2 h，以后每2 h升温5℃，当各温度段应变片的数据稳定后（每2 h后），读取数据，直到达到最终温度（30℃）。这些数据可通过自动数据采集仪采集［6］。

3.2 温缩性能试验研究

3.2.1 温缩系数与温度区间关系

不同半刚性基层材料的温缩系数与温度区间之间的关系［6-7］如表 7。

表7 不同配合比半刚性材料温缩系数Table 7 Temperature shrinkage test results of semi-rigid material in different mix proportion /（10-6℃-1）

分析表7可知:不同级配的二灰稳定碎石的温缩系数曲线在-20～30℃的试验温度区间内表现出随温度降低到0～-10℃区间时出现峰值的现象，温缩系数达到最大，这说明二灰稳定碎石基层的温缩裂缝易发生在寒冷的冬天。因此，选择以0～-10℃之间的温缩系数评价材料的温缩性能。二灰稳定碎石混合料温缩性能的优劣顺序为:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3。这与干缩性能排序不完全相同，但各种配合比的温缩性能均优于相关文献中二灰稳定碎石的参考值。

3.2.2 平均温缩系数与最大温缩系数关系对比

表8为材料在不同配合比下的平均温缩系数和最大温缩系数。

由表8可以看出，材料在不同配合比下的平均温缩系数及最大温缩系数排列顺序相同，由大到小依次为:参考值＞配合比3＞配合比1＞配合比2＞配合比4。从而得到材料不同配合比下温缩性能优劣顺序为配合比4＞配合比2＞配合比1＞配合比3＞参考值。

表8 二灰碎石混合料平均温缩系数和最大温缩系数Table 8 Average temperature shrinkage coefficient and mix temperature shrinkage coefficient of lime fly-ash macadam mixture

4 二灰稳定碎石离析的防控措施

二灰稳定碎石容易出现离析现象，在基层的局部范围内形成粗集料窝和细集料聚集区，使得裂缝增多，造成基层整体性不足，发生路面的早期破坏［8］。应该采取措施使离析现象控制在可接受的范围内。建议:①控制混合料来源的统一;②控制集料的最大粒径;③降低集料的变异性;④保证混合料的均匀性;⑤拌和连续稳定，时间合适;⑥注意装卸料方式;⑦合理选择摊铺宽度;⑧保持稳定的摊铺速度。

5 结论

1）多碎石条件下的二灰稳定碎石干缩性能优于常规配比的二灰稳定碎石混合料。在试验温度为20℃、相对湿度60%条件下，试件成型后早期相同龄期下各配合比干缩性能由大到小为:配合比2＞配合比1＞配合比3＞配合比4，后期相同龄期下各配合比下干缩性能由大到小为:配合比3＞配合比2＞配合比1＞配合比4。表明施工中养生环节是非常重要的，要保证基层表面的湿润，防止因养生不充分而发生较大的失水，从而杜绝材料的干燥收缩开裂。

2）通过回归方法，得到材料在不同配合比下的累计干缩应变与时间及累计失水率的方程，从而可以计算出材料在不同时间、不同失水程度下的干缩量，这样在养护时就可以更好的控制含水量的变化对干缩的影响，指导施工。

3）材料在不同配合比下的平均温缩系数及最大温缩系数排列顺序相同，温缩性能优劣顺序为:配合比4＞配合比2＞配合比1＞配合比3＞参考值。

4）不同级配的二灰稳定碎石的温缩系数曲线在-20～30℃的试验温度区间内表现出随温度降低到0～-10℃区间时出现峰值的现象，温缩系数达到最大。说明二灰稳定碎石基层的温缩裂缝易发生在寒冷的冬天。因此，选择以0～-10℃之间的温缩系数评价材料的温缩性能。二灰稳定碎石混合料温缩性能的优劣顺序为:配合比4＞配合比1＞配合比2＞配合比3，各种配合比的温缩性能均优于相关文献中二灰稳定碎石的参考值。说明二灰含量对混合料的温缩性能影响较大，二灰含量越低，温缩性能越好;在二灰含量一定时，石灰含量越少，温缩性能越好。

（References）:

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Research on Shrinkage Performance of Dense Skeleton Based on Lime Fly-Ash Stabilized Aggregate

Ma Shibin1，Liu Junqin1，Guo Jianning1，Wang Lijie2，Chen Xi1
（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China;
2.School of Architecture＆ Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China）

Dry shrinkage performance of lime fly-ash macadam was analyzed with different mix proportions，which was based on the indices of water loss rate，dry shrinkage strain and shrinkage coefficients.By regression analysis，the relation of accumulative dry shrinkage amount with time and accumulative water loss rate was got.Through temperature shrinkage test the relation between temperature shrinkage coefficient and temperature range was studied，and the relation between average temperature shrinkage coefficient and maximum temperature shrinkage coefficient was researched.The results show that:dry shrinkage performance with lime fly-ash stabilized aggregate in gravelly conditions is superior to the normal lime fly-ash macadam mixture.Dry shrinkage performance is in different orders after forming the specimens at early and late time with different mix proportions.Dry shrinkage performance with mix proportion of 8 ∶12 ∶80，6 ∶14 ∶80，8 ∶17 ∶75 are superior to 5 ∶10∶75.It is reasonable that using temperature shrinkage coefficients of 0 ～ -10℃ to evaluate the temperature shrinkage performance of lime fly-ash stabilized aggregate.

lime fly-ash macadam mixture;dry shrinkage performance;temperature shrinkage performance;mix proportion

TU746.2

A

1674-0696（2013）02-0215-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.10

2012-04-27;

2013-01-05

河北省科技支撑计划项目（12217636）

马士宾（1974—），男，河北保定人，副教授，博士，主要从事路基路面方面的研究。E-mail:286563105@qq.com。