级配对多孔水泥碎石性能的影响

高 攀， 黄 欢

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

长期以来,半刚性基层沥青路面为我国高等级公路路面结构主要形式,据统计国内高等级公路中85%以上为半刚性基层,半刚性基层为不透水结构。无论水泥混凝土路面还是沥青路面,水是造成路面结构损坏的重要原因[1]。大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明,进入路面结构内的自由水[2]是造成或加速路面损坏的最重要原因之一。使用多孔水泥碎石结构将水排出,是减少路面结构水损害的有效措施之一。

多孔水泥碎石混凝土是目前国内外开发应用具有生态功能的混凝土[3，4]。水泥浆的黏结力和集料之间的嵌挤作用为多孔水泥碎石提供强度。

要保证多孔水泥碎石具有合格的排水性能,其应该不含或者含有少量细集料。因此,集料配比影响着其强度的大小和排水能力的强弱。

本试验采用了单集料级配和双集料级配。单集料级配碎石粒径为4.75～9.5 mm,双集料级配采用4.75～9.5 mm和9.5～15 mm两种碎石粒径。无细集料。

1 原材料

1.1 原材料

(1) 下承层验收处理。试验采用巢湖海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥。水泥的相关性能指标应符合公路工程相关技术规程要求,尤其是凝结时间,不宜采用早强或凝结时间较短的水泥。其主要性能指标见表1。

1.2 集料

由于集料对多孔水泥碎石的强度和空隙率有着较大的影响且多孔水泥碎石混凝土水泥用量相比较大,水泥石与集料的粘结强度是多孔水泥碎石中最薄弱的环节,因此集料应不含有害杂质。其含泥量及针片状含量应满足要求。集料与集料之间点接触,质地坚硬耐久才能保证多孔水泥碎石的强度要求,因此集料不能破碎,故对其压碎值亦提出要求。此外,集料的最大粒径应满足要求。

表1 水泥性能指标

表2 石料基本性能指标

为了得到更加合理的两种粗集料的配比,使得成型的结构具有更大的密实度。本实验采用同体积振动的方法将2种粗集料以不同的体积比混合在一起放在振动台上振实,得到振动后体积最小的混合集料为最佳集料体积比。将4.75～9.5 mm和9.5～15 mm两种集料按照不同的的体积比混合在一起,经在振动台上振动后,若两种集料不互相嵌挤,则两种集料的体积会充满试筒的整个空间。振动后若两种集料的混合料高度下降,则说明两种集料互相嵌挤。按9.5～15 mm和4.75～9.5 mm两种集料以9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5不同的体积比例进行试验,根据两种集料的堆积密度计算出所需的集料质量再放入同一试筒内振动至试筒上盖不再下降(振动2 min),根据试筒上盖下降的高度来判断两种集料嵌挤的密实程度,下降高度越大则说明两种集料嵌挤越好,混合料越密实。此处切不可根据密度的大小来衡量混合料的密实度,因4.75～9.5 mm的集料的振实密度大,此集料占比越多则振实密度越大,不能反映两种集料的堆积嵌挤程度。

表3 双级配配比试验

从表3中可知,随着9.5～15 mm和4.75～9.5 mm两种集料体积比从9∶1到5∶5的变化中,振动之后混合料下降的高度先增大后减小,在两种集料的体积比为7∶3时经振动所得到的混合料下降高度最大。说明随着两种集料体积比从9∶1到5∶5的过程中,混合料振动后的嵌挤程度先增大后减小,在体积比7∶3时相对比较密实,故选取7∶3为两种集料的体积比,根据两种集料的振实密度得到它们的单位体积质量比为2.2647∶1。

2 配合比设计过程

2.1 确定击实次数

由于本试验的多孔水泥稳定碎石不含细集料,击实试验中很容易将依靠点与点接触的集料击破,如集料破碎则多孔水泥碎石试件的强度下降和空隙率降低。此方法可以用于多孔水泥稳定碎石,但确定混合料最大干密度的过程中击实次数很难掌握。鉴于此,对于多孔水泥碎石采用一种变通的击实次数,即击实次数是使得石料被击实且石料不被击碎或少量被击碎的标准确定。

击实次数15次或20次，对应的试件内部出现较多的粗集料被击碎的现象,说明粗集料被挤压过度,按此密度成型会使试件内部的粗集料被压碎而影响试件的强度和空隙率。击实10次的密实度较5次的密实,且只有少许的粗集料被压碎,故选取击实次数为10次。击实次数10次的单集料级配击实试验见表4。

表4 单集料级配击实试验

2.2 确定水灰比

本节采用静压成型,由成型试件的无侧线强度来选择合理的水灰比。

成型直径、高均为100 mm的圆柱形试件,根据表4中不同水灰比击实试验对应的湿密度来计算成型试件所需原材料用量,将三个试件在一起拌和,拌和前各种材料的用量均乘以1.02的扩大系数,拌和完毕后,称量成型一个试件所需用量,静压成型。成型后的试件放在养护室中,24 h后进行脱膜,脱膜后将试件放入标准养护箱中进行养护。试件的7 d抗压强度见表5。

表5 水灰比不同的单集料级配7 d抗压强度

水灰比从0.34增加到0.40过程中,试件的抗压强度随着水灰比增加而增大。水灰比从0.40增加到0.44的过程中,试件的抗压强度随着水灰比的增加而减小。

从表5可知，0.40的水灰比试件强度最大,故选择0.40的水灰比成型试件是合理的。

2.3 水泥用量

对多孔水泥碎石基层来说,水泥用量是一个很重要的影响因素。如果水泥用量较多,会降低其排水性能且造价高。水泥用量少,则不能提供基层所需强度。多孔水泥碎石的强度指标在一定程度上取决于水泥用量,随着水泥用量的增加,多孔水泥碎石基层的强度也将显著地提高。为了研究水泥用量对多孔水泥碎石基层的影响,进行不同水泥用量的单集料级配和双集料级配抗压强度试验,水灰比0.40,试件为直径和高均为100 mm的圆柱体,成型方式为静压。7 d抗压强度结果见表6。

表6 两种级配抗压强度

从表6中可以看出,在一定的水泥用量范围内,无论是单集料级配还是双集料级配,随着水泥用量的增加,试件的强度逐渐增大。

当单级配水泥用量16%时,水泥碎石强度为6.2 MPa,与水泥用量8%强度2.2 MPa相比,强度提升了1.82倍。对双集料级配来说,水泥用量8%时试件的强度仅为2.6 MPa,但水泥用量16%时试件的强度高达9.7 MPa,强度提升了2.73倍。可见水泥用量对试件强度有着较大的影响。

从表6中还可以看出,在同一水泥用量的情况下,双集料级配的抗压强度大于单集料级配的抗压强度。所以双集料级配的结构更加合理。

从单集料级配和双集料级配的强度可以看出,试件的骨架结构和粗集料间的咬合也影响着多孔水泥碎石试件的强度。

3 空隙率测定

3.1 空隙率概述

多孔水泥碎石作为排水基层,具有满足要求的排水能力是基本要求。在室内实验中排水能力的强弱通常是通过空隙率(尤其是有效空隙率)来反应。

空隙是指水泥细集料浆填充粗集料骨架空隙后的剩余部分,它由三部分组成,连通空隙、半连通空隙以及封闭空隙,三者之和为全空隙。空隙率(也称全空隙率)是全空隙体积占混合料总体积的百分比,有效空隙率则是指有效空隙体积占混合料总体积的百分比。连通空隙是相互连通的空隙,可以作为排水的通道,当水量较多时作为暂时储水之用。封闭空隙外界的水无法进入。半连通空隙,也称死断孔隙,它有一端与其他孔隙连通,另一端封闭[5],仅有一端与其他空隙连通,可以作为储水之用。从排水的功效来讲,空隙又分为有效空隙和无效空隙。有效孔隙是指互相连通的,不为结合水所占据的那一部分孔隙[6]。有效空隙是起着排水的功能,虽然半连通空隙中的水是相对静止的,但其中的水在疏干时能排出,对于排水也是有效的[7],因此连通空隙和半连通空隙都属于有效空隙。空隙率和有效空隙率与排水基层的泄水和储水能力紧密相关。

3.2 空隙率的测量

对于多孔水泥碎石试件,量体积法和胶带密贴蜡封法是常用的空隙率测量方法。量体积法因其操作简便,且适用于形状规整、没有可见损坏的试件。而胶带密贴蜡封法适用于掉角缺边的试件。试验采用量体积法。

量体积法:有效空隙率的测试是水中称重法[8],就是利用物体的体积在数值上等于其在水中失去的质量,用这种测量试件体积的方法简单方便。

将养生完毕后的试件放入水中浸泡24 h,可观察直至无气泡冒出即可,在水中称量其恒重m1。取出试件,待试件中的水大多数流出试件,放入烘箱中烘干至恒重,称重为m。根据下述公式计算出空隙率和有效空隙。有效空隙率和全空隙率的计算公式如下:

ne=(1-m0-m1v0ρw)×100

n0=(1-m0v0ρt)×100

式中:ne为试件的有效空隙率,%;no为试件的全空隙率,%;m1为试件浸水24 h后的水中质量,g;m为试件烘干质量,g;ρw为水的密度,g/cm3;ρt为混合料的最大理论密度,(g/cm3)。

ρt=100+ρc+ρc4100γsa+ρcγc+ρc×14×34

式中:ρc为水泥的剂量,即水泥与集料的质量百分比,%;γsa为集料的合成表观相对密度;γc为水泥的相对密度,此处取3.1。

为了探究成型试件的空隙率,做了单集料级配和双集料级配的空隙率试验,每组成型3个试件,试件的水灰比为0.40。成型后放入养护室24 h后脱模,放入标准养护箱中养护7 d。试件养生完成后,用游标卡尺量进行直径和高度的测量,试件的高度量取3次,取平均值,计算出体积V。试验的结果见表7。

表7 试件的空隙率

参考东南大学采用重正化群方法对透水结构层材料空隙的研究,得出透水结构层材料所形成连通孔隙的临界空隙率[9]为17.33%。所以单集料级配和双集料级配试件的空隙率均满足要求。

在水灰比、水泥用量相同时,双集料级配的空隙率小于单集料级配的空隙率。在满足空隙率要求的同时,双集料级配的抗压强度较高,双集料级配更加合理。

4 结 论

(1) 试验采用水泥、粗集料、经试验,各检测指标符合规范要求。

(2) 本试验采用了单集料级配和双集料级配。单级配碎石粒径为4.75～9.5 mm,双集料级配采用4.75～9.5 mm和9.5～15 mm两种碎石粒径。双集料级配,根据振动试验,得出两种集料的体积比7∶3。

(3) 根据击实后混合料的破碎程度以及击实后的密实状态,选择击实次数为10次。根据成型的多孔水泥稳定碎石试件的强度可知,水灰比0.40是合理的。

(4) 随着水泥用量的增加,不论单集料级配和双集料级配试件,空隙率减小、有效空隙率也减小。单集料级配和双集料级配试件的空隙率均满足要求。在水灰比、水泥用量相同时,双集料级配的空隙率小于单集料级配的空隙率。在满足空隙率要求的同时,双集料级配的抗压强度较高,双集料级配更加合理。