水泥稳定碎石抗离析评价方法研究

王明军,翟新明,邸文锦,翟健梁,关博文,熊 锐

(1.青海省果洛公路工程建设有限公司,西宁 810021;2.长安大学材料科学与工程学院,西安 710061)

0 引 言

宽幅超厚水泥稳定碎石基层由于施工便利且整体性能好,被广泛用于道路基层建设[1-2]。然而,在水泥稳定碎石材料的运输、装卸以及铺筑过程中极易发生混合料级配离析[3-4],而道路基层发生局部或整体性的级配离析后则会进一步引发所铺筑道路中各处的力学性能及路用性能不一致[5-7],致使整体路用性能下降[8-10]。

美国国家沥青研究中心(NCAT)提出了根据道路芯样的孔隙率变化、沥青含量变化以及压实度变化对道路离析程度进行划分的方法[11-12]。NCAT利用构造深度法、原位密度法、红外热像仪法和钻芯取样法等,并根据孔隙率等指标的波动结果,将道路离析划分为无离析、轻度离析、中度离析以及严重离析四类。其中,钻芯取样法为有损检测[13],其余三种方法均为无损检测。以上离析检测方法均需要在路段铺筑完成后,对道路芯样进行离析检测,但目前鲜有水泥稳定碎石在室内试验设计阶段的离析评价方法。徐程[14]运用料堆试验设计理念,研究了拌和方法对水泥稳定碎石混合料抗离析性能的影响,并引用离析系数L对水泥稳定碎石混合料的离析程度进行评价,但文中仅利用了料堆的径高比来简单评价混合料的离析等级,并不能精确划分离析等级。胡立群等[15]最早提出了骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的离析评价方法,建议在混合料拌和后的传送阶段、运料车的不同部位以及摊铺机的受料斗和分料器的两端取样,经过筛分、烘干等过程,计算级配曲线与原始级配曲线的偏差程度,并将其定义为离析度,然而使用级配偏差的绝对值之和进行离析等级的划分时,不能突出各级配的偏差程度,且部分区域的随机取料也不能全面说明混合料的离析程度。现阶段对水泥稳定碎石混合料的室内离析试验及抗离析性能的评价多借鉴沥青混合料的评价方法,但由于沥青混合料与水泥稳定碎石混合料存有一定差异,还需进一步研究离析评价指标对水泥稳定碎石材料的适用性。另外,针对大厚度半刚性基层易离析的特性,有必要对其抗离析性能进行研究。因此,在室内试验模拟混合料的拌和及储存过程中引入合理的离析系数及离析评价方法来对混合料的离析程度进行划分,对大厚度半刚性基层抗离析性能的研究具有重要意义。

本文设计了适用于水泥稳定碎石基层的室内离析试验,并从两方面研究了不同级配水泥稳定碎石的抗离析性能。首先对料堆高度和底面直径进行测量,利用料堆的径高比表征水泥稳定碎石混合料的离析程度;其次对料堆进行横向与纵向分区,利用各分区内级配与原级配的偏离方差表征混合料的离析程度,并从以上两方面综合计算水泥稳定碎石混合料的离析系数,不仅可以整体地评价料堆的抗离析能力,还能精确分区计算料堆各区域的离析情况,最后根据离析系数的大小判定混合料的离析程度。

1 实 验

1.1 原材料

试验选用海螺牌425号普通硅酸盐水泥;集料选用中建西部建设北方有限公司航天预拌厂的破碎集料,集料包括4档,分别为1# [20,25)、2# [10,20)、3# [5,10)以及4# (0,5)mm,其中定义4#(0,5)mm集料为细集料,其余三档料为粗集料。

1.2 水泥稳定碎石基层配合比

根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[16]中推荐的高速公路与一级公路水泥稳定碎石基层级配,设计了5种不同粗细的混合料,并以粒径为4.75 mm的混合料通过率作为控制指标,将4.75 mm通过率分别为25%、30%、35%、40%以及45%的5种级配对应命名为GW1、GW2、GW3、GW4和GW5,具体级配设计如表1所示。根据水泥稳定碎石试件的7 d无侧限抗压强度,选用占集料质量分数4%、5%与6%的水泥剂量,并在最佳含水率条件下进行不同级配水泥稳定碎石混合料的室内离析试验。

表1 水泥稳定碎石混合料级配Table 1 Gradation of cement stabilized macadam mixture

1.3 试验方法

1.3.1 室内离析试验

室内离析试验装置由离析试验架、两个锥形桶和方形底板组成,装置如图1所示。为明确水泥稳定碎石混合料料堆各区域的离析情况,对水泥稳定碎石下落堆体进行了分区,具体分区情况如图2所示。将料堆分为5个区域,分别标记为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和 Ⅴ 区,其中 Ⅰ 区和 Ⅱ 区为竖直排列的中间区域,Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ区为周围底部区域,3个区域面积相等。通过对比不同区域内水泥稳定碎石混合料的级配变化,判断料堆在竖直同水平方向上的离析差异情况。

图1 水泥稳定碎石混合料室内离析试验装置Fig.1 Indoor segregation test device of cement stabilized macadam mixture

图2 水泥稳定碎石混合料料堆分区示意图Fig.2 Pile partition schematic diagram of cement stabilized macadam mixture

1.3.2 室内离析试验方法

1)将拌和好的水泥稳定碎石混合料倒入上层锥形桶,盖好前后盖,转动旋转手柄 2 min,使混合料保持整体均匀性,降低因倒料而造成的误差。

2)转动结束后,上层锥形桶静置30 s后,迅速打开锥形桶前盖使混合料全部落入下层锥形桶中(此时下层锥形桶下部的可抽拉挡板处于闭合状态),待混合料全部落入后,将下层锥形桶静置 30 s。

3)静置结束后,快速抽出下层锥形桶的可抽拉挡板,使混合料落至地面带有同心圆辅助线和分区线的方形底板中。当集料颗粒全部停止滚动后,使用标尺测量料堆高度,借助底板同心圆刻度线测量料堆的直径,做好记录。

4)使用小铲在料堆顶部取1.6 kg混合料,倒入0.6 mm 方孔筛中,标记为 Ⅰ 区混合料。按照底板扇形分区线,在每个分区取1.6 kg混合料,然后将各分区混合料分别装入对应标号的 0.6 mm方孔筛中,做好各区标记;最后,在料堆中间区域取1.6 kg混合料倒入2号0.6 mm方孔筛中,标记为 Ⅱ 区混合料。

5)将方孔筛上混合料冲洗干净,直至0.6 mm以下细料及水泥被全部冲走后,将湿料移至105 ℃ 烘箱中恒温 4 h,待水分完全蒸发,称取各区域干料质量并做记录。然后,将各区域干料做筛分试验并称量26.50、19.00、9.50、4.75、2.36 及0.60 mm的筛上质量,做好记录。

2 结果与讨论

2.1 离析系数计算方法

由于料堆形状与料堆各区域内的级配组成都能较好地反映水泥稳定碎石混合料的离析情况[17],因此本研究引入2种评价混合料离析程度的指标,分别为形状离析系数和筛分离析系数。其中,形状离析系数是针对水泥稳定碎石混合料的下落堆体高度与底面积提出的评价指标,可用于评价水泥稳定碎石混合料的整体离析情况;筛分离析系数是针对各区域混合料的各筛孔通过率变化而提出的评价指标,可体现料堆局部离析情况。

1)形状离析系数

水泥稳定碎石混合料的料堆形状主要由料堆高度及料堆底面积决定。水泥稳定碎石混合料中水泥剂量、含水率以及集料级配存在差异,导致混合料下落过程中的内部力链网络结构千差万别,这赋予了集料颗粒或集料团体不同的加速度和速度。另外,不规则的集料外形、外层部分或全部黏附水泥砂浆以及集料颗粒之间存在黏聚效应,均会导致各集料颗粒或团体的自身特性(如摩擦力和质量)有所差异。综合以上两种原因,下落过程中混合料颗粒或团体的运动状态与自身特性不同,导致料堆的形状不同,即料堆的休止角不同[18]。料堆的休止角是指料堆母线与料堆底平面形成的夹角,当料堆质量一定时,颗粒运动状态会影响料堆休止角的大小。休止角大小可以通过料堆的高度和底面积来体现,因此本试验通过计算料堆的径高比表征水泥稳定碎石混合料的离析程度,并将其定义为形状离析系数。形状离析系数的计算公式如式(1)所示:

L=D/H

(1)

式中:L为水泥稳定碎石混合料的形状离析系数;D为料堆底平面的直径,mm;H为料堆的高度,mm。L越大,该混合料的离析情况越严重, 反之,L越小,说明混合料的离析程度越小。

2)筛分离析系数

除了料堆的形状特点,料堆不同区域的级配组成能更精确地反映水泥稳定碎石混合料离析程度。在进行室内离析试验前,任意位置的混合料级配均与设计级配相近,经过室内离析试验后,由于颗粒或颗粒团体运动状态不同,使混合料内部孔隙率不均,各区域级配改变[19]。各区域级配与原设计级配的差值可准确反映混合料离析程度,因此本研究通过各区域的级配变化计算混合料的离析程度,并引入筛分离析系数,具体计算过程见式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

2.2 基于离析系数的结果分析

2.2.1 形状离析系数结果分析

当水泥稳定碎石混合料全部下落至方形底板且料堆形状稳定后,借助离析架竖管上的刻度与方形底板上的同心圆刻度来测量混合料料堆高度和底面直径,并计算形状离析系数,测量的料堆高度和底面直径如图3所示,计算的形状离析系数如图4所示。

图3 不同水泥剂量下各级配水泥稳定碎石混合料的料堆高度和底面直径Fig.3 Pile height and basel diameter of cement stabilized macadam mixture of each gradation under different cement content

图4 各级配水泥稳定碎石混合料的形状离析系数Fig.4 Shape segregation coefficient of cement stabilized macadam mixture of each gradation

由图3可知,不同水泥剂量和不同级配种类的水泥稳定碎石混合料料堆高度和底面直径有所差异。当水泥剂量为4%时,不同级配混合料料堆高度由大到小的顺序为GW3>GW4>GW2>GW1>GW5;当水泥剂量为5%和6%时,不同级配混合料料堆高度由大到小的顺序为GW3>GW4>GW2>GW5>GW1。这是因为在一定范围内,水泥剂量越大、级配嵌锁能力越好的混合料,所形成的料堆高度越高;其次,因水泥剂量不同所造成料堆高度的差异主要体现在GW1和GW5上,因为GW1的粗集料比例更高,在自然堆积状态下的料堆休止角更大,所以当水泥剂量为4%时,GW1的料堆高度高于GW5。随着水泥剂量的增加,混合料的内部黏结能力提升,集料级配对混合料料堆性能的影响占据主导地位,此时休止角的发挥作用不大[20]。因此当水泥剂量为5%和6%时,GW1的料堆高度低于GW5。另外,料堆的底面直径变化规律不明显,总体在375～423 mm,这是因为料堆底面直径的大小不仅取决于混合料内部的嵌挤能力,还与集料的形状和位置分布有关,所以底面直径的变化规律不明显。

由图4可知,3种水泥剂量下水泥稳定碎石混合料的形状离析系数变化趋势一致,随着级配种类从GW1变化至GW5,混合料的形状离析系数呈先减小后增大的趋势。以水泥剂量5%为例, GW2的形状离析系数较GW1降低了7.2%;GW3的形状离析系数较GW1降低了16.1%;GW4的形状离析系数较GW1降低了14.1%;GW5的形状离析系数较GW1降低了1.2%。显然,当混合料的形状离析系数大时,结构松散易离析;反之,若混合料的形状离析系数小,则说明混合料粗细比例适宜、和易性好且分布均匀不易离析。由此可知,在相同条件下,水泥稳定碎石混合料级配的抗离析能力由大到小依次为GW3>GW4>GW2>GW5>GW1。这是因为适宜的集料比例能使水泥稳定碎石内部形成稳定力链网络[21],能抵抗变形与保持均匀性,因此有效提高了水泥稳定碎石的抗离析性能。

通过纵向对比不同水泥剂量条件下不同级配种类的形状离析系数可以发现,水泥剂量为4%的形状离析系数最大,水泥剂量为5%的次之,水泥剂量为6%的最小。这是因为在一定范围内水泥剂量的增加可以改善水泥稳定碎石的内部黏聚力,增大抵抗混合料变形的能力[22]。另外,从图4中可明显看出水泥剂量为5%的曲线与水泥剂量为6%的曲线更为接近,说明两者的形状离析系数相差更小,当固定级配种类为GW3时,两者仅相差0.05。这是因为当水泥剂量达到5%时,已能提供较高水平的抗离析能力,再继续增大水泥剂量对混合料抗离析能力的贡献不大。从这一点可以看出,当水泥剂量为5%和6%时,水泥稳定碎石混合料的抗离析能力相差不大,因此考虑经济效益推荐水泥使用量为5%。

2.2.2 筛分离析系数结果分析

根据1.3.2节中室内离析试验方法和2.1节中离析系数计算方法,计算水泥稳定碎石混合料的筛分离析系数。首先对集料级配为GW1的混合料进行室内离析试验,水泥剂量分别为4%、5%和6%,加水量为最佳含水量。将各分区已经称重的混合料倒入0.6 mm方孔筛中,经过冲洗、烘干以及筛分后,记录每个分区各关键筛孔上的集料质量。由于冲洗环节中冲洗掉了0.6 mm以下的细料,因此需将原级配各筛孔的通过率换算至0.6 mm以上。换算后的GW1各分区的通过率如图5所示。其中,GW1料堆各区的级配分别命名为GW1Ⅰ、GW1Ⅱ、GW1Ⅲ、GW1Ⅳ和GW1Ⅴ,其他级配种类各分区的级配命名同理。同样地,对集料级配为GW2、GW3、GW4、GW5的混合料进行室内离析试验,图5～图9为换算后各分区的通过率。

图5 换算后GW1各分区的通过率Fig.5 Pass percentage of GW1 each partitions after conversion

图6 换算后GW2各分区的通过率Fig.6 Pass percentage of GW2 each partitions after conversion

图7 换算后GW3各分区的通过率Fig.7 Pass percentage of GW3 each partitions after conversion

图8 换算后GW4各分区的通过率Fig.8 Pass percentage of GW4 each partitions after conversion

图9 换算后GW5各分区的通过率Fig.9 Pass percentage of pass of GW5 each partitions after conversion

对比分析筛分后各区的级配变化可知,对于某一固定级配而言,Ⅰ 区混合料的级配偏离设计级配程度最大,Ⅱ 区混合料的级配最贴近设计级配,Ⅲ 区、Ⅳ 区和Ⅴ 区混合料级配的偏离程度介于 Ⅰ 区和 Ⅱ 区之间。以水泥剂量为4%为例,与GW1相比,GW1Ⅰ 各筛孔的通过率平均变化了 4.48%,GW1Ⅱ平均变化了1.79%,GW1Ⅲ 平均变化了3.80%,GW1Ⅳ 平均变化了2.95%,GW1Ⅴ 平均变化了3.08%。由此可以看出 Ⅱ 区级配的偏离程度远小于 Ⅰ 区,而 Ⅲ 区、Ⅳ 区和 Ⅴ 区筛孔通过率的偏离程度相近。另外,当水泥剂量为5%和6%时,各区级配的变化规律相似。

与设计级配相比,各筛孔通过率的偏离程度可以直接反映各区离析程度,由此可知,Ⅰ 区混合料的离析程度最大,Ⅲ 区、Ⅳ 区及 Ⅴ 区次之,Ⅱ 区混合料的离析程度最小,也就是料堆顶部级配离析最严重,顶部正下方的中部区域离析程度最小,周围底部区域的离析程度相近,介于顶部和中部区域之间。

由图5～图9可以明显看出 Ⅰ 区级配曲线离设计级配曲线最远,Ⅱ 区级配曲线与设计级配曲线最贴近,Ⅲ 区、Ⅳ 区和 Ⅴ 区的级配曲线位于 Ⅰ 区和 Ⅱ 区级配曲线之间,这一规律对水泥剂量 4%、5%和6%均适用。除此之外,纵向对比各级配曲线可以看出,GW3 中各区域的级配曲线最集中,GW2 和 GW4 各区域的级配曲线集中程度次之,GW1和GW5各区域的级配曲线总体分布最离散。这是因为集料级配为GW3的混合料4.75 mm通过率为35%,能使混合料内部形成强有力的力链结构,抵抗混合料在下落过程中的离散趋势。然而,当4.75 mm通过率过大时或过小的混合料内部粗集料占比过多时或细集料含量过多时,力链分散且不均匀,力链强度有所降低[23],混合料颗粒间不能形成嵌锁结构,导致颗粒运动状态各异,因此经过料堆试验后的混合料会发生较大程度离析。

2.3 水泥稳定碎石的离析评定标准

2.3.1 形状离析系数的评定标准

室内离析试验表明水泥稳定碎石混合料的形状离析系数可以有效反映混合料离析程度。然而业内研究时还未将形状离析系数作为离析评价指标以及作为对水泥稳定碎石离析程度的划分标准,但考虑到形状离析系数的合理性与便捷性,本节尝试根据形状离析系数对水泥稳定碎石的离析程度进行划分。依据2.1节中不同水泥剂量和集料级配水泥稳定碎石形状离析系数的计算结果,具体划分离析评定标准如表2所示,基于形状离析系数的离析等级划分如图10所示。

图10 基于形状离析系数的离析等级划分Fig.10 Segregation grade classification based on shape segregation coefficient

表2 基于形状离析系数的离析评定标准Table 2 Segregation evaluation criteria based on shape segregation coefficient

根据表2中形状离析系数的计算结果,将水泥剂量5%中相邻形状离析系数的中值作为划分离析程度的临界值。结合表2和图10可知,当水泥剂量为4%时,集料级配从GW1到GW5的离析等级分别是严重离析、轻度离析、轻微离析、轻度离析和中度离析;当水泥剂量为5%时,集料级配从GW1到GW5的离析等级分别是中度离析、轻度离析、无离析、轻微离析和轻度离析;当水泥剂量为6%时,集料级配从GW1到GW5的离析等级分别是中度离析、轻微离析、无离析、轻微离析和轻度离析。就水泥剂量5%和6%而言,GW3和GW4的离析等级总能保持为无离析和轻微离析,这充分说明了这两种级配的水泥稳定碎石抗离析性能的优异性。

2.3.2 筛分离析系数的评定标准

根据2.1节中筛分离析系数的计算方法分析筛分试验结果,计算5种设计级配的筛分离析系数;依据具体计算结果并结合形状离析系数,对不同级配混合料的离析程度进行定量划分。筛分离析系数计算结果如图11所示。

图11 不同水泥剂量条件下各级配水泥稳定碎石混合料的筛分离析系数Fig.11 Sieve separation coefficient of cement stabilized macadam mixture under different cement content

为了全面、准确地对水泥稳定碎石的离析程度进行划分,本文在料堆分区方法中引入筛分离析系数。具体方法为:筛分离析系数每增加5即划分一个离析等级,基于形状离析系数Seg的离析评定标准如表2,基于筛分离析系数的离析等级划分如图12所示。

图12 基于筛分离析系数的离析等级划分Fig.12 Segregation grade classification based on sieve segregation coefficient

结合表3和图12可知,当水泥剂量为4%时,集料级配从GW1到GW5的离析等级分别为严重离析、轻度离析、轻微离析、轻度离析和中度离析;当水泥剂量为5%时,集料级配从GW1到GW5的离析等级分别是中度离析、轻度离析、无离析、轻微离析和轻度离析;当水泥剂量6%时,集料级配从GW1到GW5的离析等级分别是中度离析、轻微离析、无离析、轻微离析和轻度离析。就水泥剂量5%和6%而言,GW3和GW4的离析等级总能保持为无离析和轻微离析,这充分说明了这两种级配的水泥稳定碎石混合料抗离析性能较优。

表3 基于筛分离析系数Seg的离析评定标准Table 3 Segregation evaluation standard based on sieve segregation coefficient Seg

3 结 论

1)与水泥剂量4%相比,水泥剂量为5%和6%的水泥稳定碎石混合料的形状离析系数平均减小了3.1%,筛分离析系数Seg平均减小了14.0%。此外,混合料的抗离析性能在水泥剂量从4%增至5%时有大幅度提升,且水泥剂量5%和水泥剂量6%的混合料的抗离析能力相差不大,因此更推荐5%的水泥剂量。

2)综合考虑竖直和水平方向的混合料料堆分区方法能全面反映各个级配的离析程度。研究表明Ⅰ区混合料的离析程度最大,Ⅱ区混合料的离析程度最小,Ⅲ区、Ⅳ区和Ⅴ区混合料的离析程度相近且介于Ⅰ区和Ⅱ区之间,直接反映出料堆顶部最易离析,这一点同样适用于5%、6%水泥剂量的水泥稳定碎石混合料。

3)由各级配曲线图可知,GW3和GW4各区域的级配曲线最集中,GW2各区域的级配曲线集中程度次之,GW1和GW5各区域的级配曲线总体分布最为离散。因此,当4.75 mm通过率为35%～40%时,混合料内部能形成强有力的力链结构,抵抗混合料在下落过程中的离散趋势。

4)水泥剂量为5%和6%的GW3和GW4离析等级(无论是利用形状离析系数划分还是利用筛分离析系数Seg划分)总能保持在无离析和轻微离析状态,这充分说明了这两种级配下水泥稳定碎石的抗离析性能较优。