寒冷地区水泥稳定多孔玄武岩碎石路面基层力学性能研究

魏 宁 李仲玉 刘汉云飞

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

0 引 言

为了节约矿产资源和降低工程成本,张北至尚义在建高速公路采用原路线挖方多孔玄武岩碎石作为路面基层材料.经查阅文献,该材料自身具有质地轻、孔隙率大等特点,多孔玄武岩碎石应用于高速公路路面基层在湖北、湖南等地区有过相应的工程案例[1],该案例指出含水量控制是多孔玄武岩施工控制的关键环节[2].半刚性材料由于具有强度高、水稳定性好及承载能力大等特点被广泛应用到高等级公路交通建设中[3],但是在寒冷地区应用水泥稳定多孔玄武岩碎石作为路面基层材料在国内外研究中都没有相关工程案例,应用于铺筑高速公路路面基层的安全性和耐久性有待进一步研究.本文对张尚高速公路挖方多孔玄武岩经碎石场加工处理后进行各项原材料性能试验,探究多孔玄武岩碎石材料是否满足高等级公路路面基层原材料规范要求,通过不同水泥剂量稳定该材料进行无侧限抗压强度试验和冻融循环试验,数据分析水泥稳定多孔玄武岩碎石的力学性能,从而为在建张尚高速公路建设提供可靠的数据,也为寒冷地区类似的工程案例提供可靠的依据.

1 原材料试验

1.1 含水率和吸水率试验

通过初步的水洗筛分试验,对各号料中的粒径占比进行数据分析,为更加符合路面基层原材料的含水率和吸水率情况均进行分级取料:1号料(20～30mm)取26.5mm筛上质量占比20%,19～26.5mm质量占比80%;2号料(10～20mm)取16～19mm质量占比20%,13.2～16mm质量占比30%,9.5～13.2mm质量占比50%;3号料(5～10mm)取4.75～9.5mm质量占比100%.结果见下表.

表1 多孔玄武岩碎石的含水率和吸水率

1.2 针片状颗粒和软弱颗粒含量试验

采用张尚高速挖方多孔玄武岩碎石进行针片状颗粒含量试验(游标卡尺法);采用小型压力试验机对多孔玄武岩碎石分级加载进行软弱颗粒含量试验,结果见下表.

表2 多孔玄武岩碎石针片状颗粒和软弱颗粒含量

1.3 压碎值和磨耗试验

采用水洗干净的9.5～13.2mm多孔玄武岩碎石试料放入压碎值试验仪中进行试验,施加400kN荷载并稳压10min后,过2.36mm标准方孔筛,称取筛下质量;多孔玄武岩碎石磨耗试验(洛杉矶法)采用B粒料粒级和C粒料粒级两种类型,过2mm标准圆孔筛,称取筛下质量.结果见下表.

表3 多孔玄武岩碎石压碎值

表4 多孔玄武岩碎石磨耗损失值

多孔玄武岩碎石材料的各项性能试验均根据《公路工程集料试验规程》进行试验,通过试验数据分析可知:多孔玄武岩碎石材料的含水率和吸水率都较高,压碎值和磨耗损失值也比较大,粒径越小含水和吸水能力越强且粒径小磨耗损失大;多孔玄武岩碎石随粒径增大针片状颗粒越多,但软石含量减少.根据《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20-2015对原材料各项性能的规定,可以确定多孔玄武岩碎石材料的针片状颗粒含量、软弱颗粒含量、压碎值和磨耗值均满足高速公路路面基层规范要求;但多孔玄武岩碎石的含水率和吸水率均大于普通碎石材料,因此对于水泥稳定多孔玄武岩碎石的加水量控制是应用该材料作为路面基层材料施工的关键.

1.4 水泥各项性能参数

水泥来自金隅水泥有限公司,标准强度32.5的普通硅酸盐水泥,该水泥的各项物理力学性能见下表.

表5 普通硅酸盐水泥性能

2 多孔玄武岩碎石配合比设计和试件制备

经过碎石场加工处理后的多孔玄武岩碎石材料共分成4类料,分别进行水洗筛分试验.测得各筛孔的通过百分率后,分析数据合成配比.其中石屑(0～4.75mm)经过水洗筛分试验后,测定细度模数平均值为2.669.

表6 多孔玄武岩碎石配合比设计

图1 合成级配曲线图

多孔玄武岩级配碎石的配合比符合《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20-2015中水泥稳定级配碎石推荐级配范围C-B-1的要求.采用外掺水泥剂量3%、4%和5%,并设计3%、3.5%、4%、4.5%、5%和5.5%的预定含水量来确定多孔玄武岩碎石混合料的最佳含水量和最大干密度,结果见下表.

表7 混合料的最佳含水量和最大干密度

本试验采用静力压实成型方法制备标准圆件(150mm×150mm).由于多孔玄武岩碎石含水量大,吸水能力强的特点,为保证能够达到最佳含水量,在进行击实试验和制备试件前需要充分烘干试料中的水分,冷却到室温后再进行混合料的配置.为保证试件的成型质量,采用单配法制备试件,每12个试件为一组.成型试件脱模时间不小于6h,脱模后应立即用保鲜膜密封并移放至标准养护室(温度20℃±2℃,湿度≥95%)进行保湿养生.抗压强度试件养生龄期为7d和28d;冻融循环试件养生龄期为28d.

3 混合料强度和耐久性

水泥稳定多孔玄武岩碎石的无侧限抗压强度和冻融循环试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009试验方法进行试验研究.采用3%、4%和5%不同水泥剂量制备的试件测定7d和28d无侧限抗压强度值以及经五次冻融循环后的强度值,其中每次循环低温(-18℃)冻结时间16h,注水溶解时间8h.试验结果见下表.

表8 7d抗压强度值

表9 28d抗压强度值

表10 冻融循环试验强度值

图2 7d和28d强度对比值 图3 28d和冻融循环强度对比值

通过数据分析,水泥稳定多孔玄武岩碎石材料的无侧限抗压强度随水泥剂量的增大呈现直线趋势增强,5%水泥稳定剂量下的多孔玄武岩碎石7d无侧限抗压强度值满足《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20-2015极重交通荷载等级下路面基层抗压强度规范值;28d抗压强度与7d抗压强度相比较强度值增加趋势一致且略有提高;经过五次冻融循环后,不同水泥剂量下的抗压强度值都显著降低且水泥剂量越小,经冻融后强度下降越快,损失率越大.

4 结 语

在建张尚高速公路采用多孔玄武岩碎石作为路面基层材料,因地制宜,有利于节约矿产资源、保护自然生态环境和降低工程成本.经过对多孔玄武岩碎石各项试验研究可知:

(1)多孔玄武岩碎石材料吸水率和含水率均较大,加水量控制是施工过程中的关键部分.原材料各项力学性能满足要求,有较高的利用价值.

(2)水泥稳定多孔玄武岩碎石的抗压强度受水泥剂量的影响显著,且水泥剂量达到5%的无侧限抗压强度值满足极重交通荷载等级下路面基层规范值.但经过五次冻融循环后,水泥稳定多孔玄武岩碎石材料强度显著降低.

因此施工进程中必须对高速公路面层进行防水和保温处理,防止外界水分渗入基层造成冻融破坏,保证工程质量.为寒冷地区类似的工程案例提供可靠的数据,从而完善和提高水泥稳定多孔玄武岩碎石路面基层的安全性和耐久性.