低水泥含量级配碎石冻胀特性试验研究

周军霞

(辽宁工程技术大学土木与交通学院,阜新 123000)



低水泥含量级配碎石冻胀特性试验研究

周军霞

(辽宁工程技术大学土木与交通学院,阜新 123000)

基于冻胀试验, 探究了低水泥含量级配碎石在不同低水泥掺量与负养护温度条件下冻胀率、质量及抗压强度等指标的劣化特性。结果表明：在不同低水泥掺量与负温度条件下，低水泥含量级配碎石的冻胀率特性有相似的变化趋势；低水泥含量级配碎石的质量损失率与冻胀循环数呈正相关，其显著性表现：2.0%低水泥掺量>3.0%低水泥掺量>4.0%普通水泥掺量，相应最大质量损失率量值分别为20.09%、2.75%、1.33%；通过回归分析，确定出抗压强度损失率与低水泥掺量相关性表现为二次函数的关系。综合冻胀环境中各指标劣化特性的分析，确定出低水泥含量级配碎石的最佳水泥掺量为3.0%。

低水泥含量级配碎石； 冻胀试验； 抗压强度； 冻胀率； 质量损失率

1 引 言

目前我国沥青路面一直推崇“强基薄面”的理念，通过面层厚度的减薄以达到降低造价的目的，其中最具代表性的是水泥稳定级配碎石半刚性基层沥青路面，已占到我国已建成公路的90%以上[1]。然而现阶段水泥稳定级配碎石半刚性基层的常规水泥掺量范围为4%～6%，能够满足不同交通等级的强度要求，但是容易产生不同形式的反射裂缝，致使路面结构使用寿命降低[2]。因此提出采用低水泥含量的级配碎石，水泥掺量控制在4%以下，但是在东北季节性冻土区，具有春夏季节融化、秋冬季节冻结的特征，且地下水与雨水丰润，很容易发生冻胀与融沉现象[3-5]。对于普通水泥级配碎石冻胀特性的研究较多[6-9]，而在季冻区低水泥含量级配碎石冻胀特性方面的研究较为少见。本文通过冻胀试验，考虑不同低水泥掺量(2%、3%及4%)和负养护温度(-6 ℃、-12 ℃及-18 ℃)下冻胀率的变化特性，以及冻胀环境下质量和抗压强度的损失特性，综合分析确定出满足季冻区要求的低水泥含量级配碎石最佳水泥掺量。

2 试 验

2.1 原材料

(1)水泥采用“阜鹰山”牌P·O32.5R普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1；(2)集料采用阜新本地碎石，其性能指标见表2；(3)普通自来水。

表1 水泥物理力学性能

表2 集料性能

2.2 低水泥级配碎石配比

结合规范[10-11]和长安大学推荐的级配范围[12-13]等现有研究成果，利用筛分试验得到的筛分数据进行配合比设计，具体配比情况详见表3。低水泥掺量分别取为2.0%、3.0%，取4.0%水泥掺量作为与普通水泥级配碎石的对比试验组，依据规程[14]中关于无机结合料的击实试验方法，得到了相应低水泥级配碎石的最大干密度分别为2.418g/cm3、2.383g/cm3、2.368g/cm3，最佳含水率分别为4.75%、5.41%、5.63%。

表3 集料筛分配比

2.3 试验方法

为分析在冻胀试验环境中低水泥含量级配碎石各指标的劣化特性，主要指标分别为抗压强度(φ150mm×150mm)、质量损失率(100mm×100mm×100mm)及在不同低水泥掺量(2.0%、3.0%、4.0%)和不同负温度(-6 ℃、-12 ℃及-18 ℃)下低水泥含量级配碎石的冻胀率(φ100mm×300mm)。

2.3.1 质量损失率

将制作好并进行28d标准养护好的100mm×100mm×100mm试件，在冻胀试验进行之前全部进行放到烘干箱中烘干，取出称重，再将全部试件放到装有水的水桶中，确保桶中的水完全浸没试件顶部约5mm，再将水桶放到低温试验箱中，设置-18 ℃的时间为12h，融化为6h，为一个循环，共计进行9次大循环，且每3个大循环进行一次烘干、称重，同步进行记录数据，并计算出与之相应的质量损失率。

2.3.2 抗压强度

与质量损失率的试样方法相同，只是试件规格不同，测定的指标为无侧限抗压强度，并计算出其在冻胀环境下的强度损失率。

2.3.3 冻胀率

将制作好并进行28d标准养护好的φ100mm×300mm试件，全部放入到特制铁皮桶中，并加水将其试件顶部淹没5mm，在规定的负温度下进行低温冻胀试验，在试件顶部加装百分表，测定其试件高度变化，进而计算去其冻胀率，测定频率为1次/h。

3 结果与讨论

3.1 冻胀率

3.1.1 不同低水泥掺量条件下级配碎石

为分析低水泥掺量对级配碎石冻胀特性的影响，通过对不同水泥掺量条件下级配碎石的冻胀试验，具体冻胀率变化情况如图1所示。

图1 不同水泥掺量下级配碎石冻胀曲线Fig.1 The frost heave curve of graded crushed stone under different cement content

从图1分析可知，在冻胀0～4h范围时，不同水泥掺量条件下级配碎石产生一定程度上收缩变形，2.0%低水泥掺量级配碎石收缩率最大，大小为0.055%，依次分别为3.0%低水泥掺量级配碎石收缩率0.043%、4.0%低水泥掺量级配碎石收缩率0.037%；在冻胀4～10h范围时各水泥掺量下级配碎石的收缩变形逐渐减小，开始迅速产生膨胀变形，主要是因水逐渐向试件空隙中渗透，试件含水率达到一定程度时就发生冻胀现象，在膨胀变形初期，低水泥含量级配碎石变形速率显著性表现为2.0%低水泥掺量>4.0%普通水泥掺量>3.0%低水泥掺量；在冻胀10～16h区间内，各水泥掺量级配碎石的冻胀变形率均达到峰值，且都处于平稳的发展趋势，水泥掺量与冻胀变形率呈现正相关的关系，其显著性表现为：2.0%低水泥掺量>3.0%低水泥掺量>4.0%普通水泥掺量，相应的量值为0.322%、0.255%、0.213%。

3.1.2 不同负温度条件下低水泥含量级配碎石

图2 不同负温度下低水泥级配碎石冻胀曲线Fig.2 The frost heave curve of low-cement graded crushed stone under different negative temperatures

通过对不同冻胀负温度条件下低水泥含量级配碎石的冻胀试验，得到了在相同水泥掺量(2.0%、3.0%及4.0%)不同负温度条件下低水泥含量级配碎石的冻胀率如图2所示。

从图2分析可知，在相同的低水泥掺量条件下，不同负温度对应的冻胀率曲线具有相似的变化趋势。在初期4～8h时间内，各个负温度条件下低水泥含量级配碎石均达到了最大收缩率，最大收缩率均在0.003%～0.055%范围内波动；在中期4～11h范围内，各负温度条件下低水泥含量级配碎石均陡增至各自的最大冻胀率；在末期10～16h范围时，各负温度条件下低水泥含量级配碎石的最大冻胀率均发展平缓，趋于稳定。综合图1和图2分析可知，3.0%低水泥掺量级配碎石与4.0%普通水泥含量级配碎石的冻胀性能相近，能够满足试验路段的要求，故可以将3.0%水泥掺量作为低水泥含量级配碎石的最佳掺量。

3.2 质量损失率

通过对不同水泥掺量条件下低水泥含量级配碎石进行冻胀试验，得到了在-18 ℃条件下不同水泥掺量级配碎石的质量变化率如图3所示。

从图3分析可知，低水泥含量级配碎石的质量损失率与冻胀循环数呈现正相关的关系，其显著性表现为2.0%低水泥掺量>3.0%低水泥掺量>4.0%普通水泥掺量，与之相应的最大质量损失率量值分别为20.09%、2.75%、1.33%。3.0%低水泥掺量级配碎石与4.0%普通水泥级配碎石的质量损失率相近，且都能满足试验路段规定的要求，表明采用3.0%低水泥掺量级配碎石替代普通水泥级配碎石在冻胀环境中质量损失率方面达标。

图3 不同冻胀循环数下低水泥级配碎石质量损失率Fig.3 The mass loss ratio of low-cement graded crushed stone under different cycle numbers of frost heaving

图4 冻胀条件下低水泥级配碎石抗压强度损失率Fig.4 The strength loss rate of low-cement graded crushed stone under different frost heave

3.3 抗压强度损失率

通过对不同水泥掺量条件下低水泥含量级配碎石进行冻胀试验，得到了在-18 ℃条件下不同水泥掺量级配碎石的抗压强度损失率情况如图4所示。

从图4分析可知，2.0%与3.0%低水泥掺量在未进行冻胀试验条件下级配碎石的抗压强度分别为2.67MPa、3.65MPa，只有3.0%低水泥掺量的强度达到规范规定[11]的特重交通强度3.5～4.5MPa的要求，4.0%普通水泥级配碎石强度3.63MPa也满足要求，但在冻胀试验环境中，3.0%低水泥掺量的强度降为3.18MPa，4.0%普通水泥级配碎石强度降为3.03MPa，依然能满足要求，故将3.0%低水泥掺量作为低水泥含量级配碎石的最佳掺量。冻胀试验环境中，抗压强度损失率与低水泥含量呈现正相关的关系，利用Origin软件对冻胀条件下的强度损失率与水泥掺量进行回归分析，具体结果详见表4所示。

通过对表4拟合结果分析可知，从相关系数R2方面来分析，相关程度都较好，且其相关显著性为二次拟合函数>Exp2P函数>线性拟合函数，故拟合程度最好的为二次拟合函数；从残差平方和RSS方面来说，其RSS值越小，表明函数拟合程度就越优越，其优越性表现为二次拟合函数(Quadraticfunction)>Exp2P函数>线性拟合函数(Linearfunction)。综合上述两方面数理统计分析可知，确定出低水泥掺量与冻胀环境下低水泥含量级配碎石的抗压强度损失率表现为二次拟合函数的关系。

表4 Origin对低水泥掺量级配碎石抗压强度损失率回归分析

注：x-低水泥掺量百分比，%；y-无侧限抗压强度损失率，%。

4 结 论

(1)通过对不同水泥掺量与负温度条件下低水泥含量级配碎石冻胀率分析，3.0%水泥掺量作为低水泥含量级配碎石的最佳掺量，冻胀试验环境下低水泥含量级配碎石的质量损失率和强度损失率也验证了这一结果；

(2)低水泥含量级配碎石的质量损失率与冻胀循环数呈现正相关的关系，其显著性表现为2.0%低水泥掺量>3.0%低水泥掺量>4.0%普通水泥掺量，相应最大质量损失率量值分别为20.09%、2.75%、1.33%；

(3)通过对冻胀条件下强度损失率与低水泥掺量回归分析，确定出低水泥掺量与抗压强度损失率相关性表现为二次拟合函数的关系，函数关系表达式为：y=8.61-0.375x+0.595x2。

[1] 张敏江，丁泓宇，赵程飞.低水泥剂量稳定级配碎石基层典型结构分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2014，30(4)：651-660.

[2] 吴运超.高寒地区高铁路基水泥级配碎石性能研究[D].青岛：青岛理工大学，2015.

[3] 田士军.哈大高铁路基用掺水泥级配碎石冻胀特性试验研究[J].铁道建筑，2014，8：79-82.

[4] 赵世运，杨彦克，李福海，等.高速铁路路基冻胀特性水泥掺入的改姓研究[J].铁道学报，2014，36(5)：71-75.

[5] 田君雷.路基不同细粒含量级配碎石掺水泥力学特性及耐久性研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[6] 林 敏，郑学文，宋云连.早强水泥稳定碎石材料抗冻性能试验研究[J].硅酸盐通报，2015，34(2)：475-480.

[7] 王青志，刘建坤，田亚护，等.寒区级配碎石冻胀正交试验研究[J].岩土力学，2015，36(10)：2825-2831.

[8] 宋云连，刘雁军，林 敏.路用早强水泥稳定碎石材料抗冻性能试验研究[J].公路，2015，6：193-198.

[9] 吴瑞麟，张良陈，韩 卓，等.水泥稳定碎石基层长期浸水及冻融试验研究[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2011，39(10)：113-115.

[10] 交通部公路科学研究院主编.JTJ034-2000，《公路路面基层施工技术规范》[S].

[11] 中交公路规划设计院主编.JTGD50-2006，《公路沥青路面设计规范》[S].

[12] 张艳晓.水泥稳定碎石基层配合比设计及其路用性能研究[D].西安：长安大学，2011.

[13] 袁 鹏.联结型级配碎石中间层配合比设计及性能研究[D].西安：长安大学，2013.

[14] 交通部公路科学研究院主编.JTGE51-2009，《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[S].

Experimental Study on Frost Heaving Behaviors of Low-cementGraded Crushed Stone

ZHOU Jun-xia

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,LiaoningTechnologyUniversity,Fuxin123000,China)

Inordertostudydeterioratecharacteristicsofindexesoflow-cementgradedcrushedstoneunderdifferentlow-cementcontentandnegativecuringtemperatures,whichincludingfrostheavingratio,massandcompressivestrength,basedonfrostheavingtest.Thetestresultshowsthatunderdifferentlow-cementcontentandnegativecuringtemperatures,thefrostheavingbehaviorsoflow-cementgradedcrushedstonehavethesimilartrends.Therelationshipbetweenmasslossratiooflow-cementgradedcrushedstoneandcyclenumbersoffrostheavingispositive,andthesignificantstrengthis2.0%low-cementcontent>3.0%low-cementcontent>4.0%ordinarycementcontent,correspondingtothemaximummasslossrateis20.09%, 2.75%and1.33%.Therelationshipbetweencompressivestrengthlossrateandlow-cementcontentisquadraticfunctionrelationbyregressionanalysis.Theoptimumcementcontentoflow-cementgradedcrushedstoneis3.0%basedoncomprehensiveanalysisondeterioratecharacteristicsofindexesinthefrostheavingenvironment.

low-cementgradedcrushedstone;frostheavingtest;compressivestrength;frostheavingratio;masslossratio

国家自然科学基金(51504125)；辽宁省教育厅一般项目(L2014136)

周军霞(1980-)，女，讲师，博士研究生.主要从事道路工程等方面研究.

U214.1；U

A

1001-1625(2016)12-4272-05