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抗裂性水泥稳定碎石基层的设计与应用
2019年04月10日    阅读量:30216    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

水泥稳定碎石基层具有强度高、造价低、整体性及水稳定性好等优点,近年来在我国高速公路建设中得到了广泛的运用。然而水泥稳定碎石基层属于偏脆性材料,在使用过程中往往受湿度、温度、荷载等因素的影响导致后期产生反射裂缝。这种裂缝的周期性发展将引起面层的开裂,从而降低路面的使用寿命中国沥青网sinoasphalt.com。因此,设计具有抗裂性良好的水泥稳定碎石基层,对提高沥青混凝土路面的寿命具有积极的意义。


以解决水泥稳定碎石基层的抗裂性为出发点,本文分别采用重型击实法(Heavy Compaction,简称HC)和振动压实法(Vibration Compaction,简称VC)两种方法进行水泥稳定碎石基层的设计,并对其力学性能及抗裂性能进行研究分析,提出水泥稳定碎石基层的设计方法,最后介绍了抗裂性水泥稳定碎石基层在工程的应用效果。


混合料设计方法


重型击实法


按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)T0804-1994对无机稳定材料击实试验方法的规定,重型击实主要参数见表1。


振动压实法


相对于重型击实法,振动压实法能更好地模拟现场压路机的碾压机理,利用在成型过程中的共振、重排、液化等效应使混合料内部矿料间达到密度平衡。参考长安大学沙爱民《道路材料振动压实特性研究》的成果,并结合天津市政设计院《半刚性基层抗裂技术研究》成果,特提出本次研究用振动压实仪的设置参数:振动频率30Hz,激振力9 000N,静压力140kPa,振幅1.4mm,振动总时间120s。


试验方法


力学性能


试件成型采用静压法,控制试件压实度为98%,试件的高度为(12.0±0.5)cm,成型完的试件立即用塑料袋密封放置在(20±2)℃、湿度95%养护室标准养护6d,然后浸水1d。无侧限抗压强度测试时控制加载速率为1mm/min,记录破坏时的荷载<span "="">.


抗裂性能


传统的评价水泥稳定粒料基层抗裂性能的指标有抗压弹性模量、干缩系数、温缩系数等。由于抗压弹模仅能定性反映基层间的相对抗裂性能,所以不足以全面评价水稳基层的抗裂性;而干缩系数、温缩系数虽然分别从含水量、温度等角度去评价材料的抗裂性指标,但不能互相兼顾含水量、温度对材料的综合抗裂性能。


全面系统评价水泥稳定碎石基层材料的抗裂性能指标应从两个方面综合评定:一是材料在某一规定收缩应变时的抗裂应变系数;二是材料在该收缩应变时的抗裂应力系数。


研究结果及分析


原材料


水泥。水泥采用昆明某水泥厂生产的P·S32.5矿渣硅酸盐水泥,按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)检测结果见表2,满足《公路路面基层施工规范》(JTJ 034-2000)对水泥的相关技术要求。


集料。选用0~5mm、5~10mm、10~20mm、15~30mm等4档玄武岩碎石,集料的技术指标严格按照《公路工程集料试验规程》(JTG E422005)检测,结果见表3。表3表明,所用集料的技术性能均满足规范技术要求。


水源。采用自来水。


设计级配


对原材料进行筛分,按照骨架密实型结构进行设计。各档材料所占百分比为15~30mm碎石∶10~20mm∶5~10mm碎石∶0~5mm碎石=30%∶26%∶12%∶32%,设计出的水泥稳定碎石基层级配如表4所示。


确定最大干密度、最佳含水量


水泥剂量采用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%,分别用重型击实和振动压实两种方法,进行最大干密度和最佳含水量确定。


结果反映:在相同的水泥剂量下,相对于重型击实法,振动压实设计的混合料最大干密度较前者大,而最佳含水量较前者小。分析原因在于振动压实过程中的高频低幅剧烈冲击,具有比重型击实更大的击实效果,使得最大干密度较大,而在达到最佳干密度前振动压实仅需要少量的用水以克服击实过程中摩擦力。故相对于重型击实法,振动压实设计出的最佳含水量略低于前者。


力学性能


给出了重型击实和振动压实两种方法成型的试件在(20±2)℃、湿度95%养护室标养6d,浸水1d后测试出的无侧限抗压强度。


按照《公路路面基层施工规范》(JTJ 034-2000)对高速公路路面基层无侧限抗压强度Rd的技术要求,即Rd=3~5MPa,取Rd=4.0MPa。从本文采用重型击实和振动压实对力学性能指标的影响结果看,并考虑经济性,当重型击实、振动压实设计的水泥稳定碎石基层水泥剂量分别取3.5%、3.0%时,试件95%概率强度值Rc0.95大于基层设计强度值Rd,即满足Rc-1.645σ≥Rd=4.0MPa。


抗裂性能


根据以上研究结果,水泥稳定碎石基层在相同的级配下用重型击实和振动压实设计的水泥剂量分别采用3.5%、3.0%,采用最佳含水量及最大干密度,成型150mm×150mm×550mm梁试件,按照抗裂性评价方法测试试件的收缩应变εd、劈裂模量Ep、劈裂破坏时的极限应变εmax、劈裂破坏时的极限拉应力Pmax,并计算试件的抗裂应力系数Wdσ、抗裂应变系数Wdε、收缩抗裂系数Wd。


从中看出:水泥稳定碎石采用重型击实和振动压实方法设计的混合料,后者设计混合料无论是抗裂应力系数Wdσ、抗裂应变系数Wdε或者是收缩抗裂系数Wd均大于前者,表明水泥稳定碎石混合料的设计方法对其抗裂性能有直接影响。原因分析在于,采用振动压实设计方法水泥稳定混合料降低了用水量和水泥的用量,在一定程度上降低了由于水分蒸发、水泥水化引起的干缩和自收缩,故使得混合料的抗裂性优于重型击实法设计的水泥稳定混合料。


工程应用


我国西南地区某机场跑道,是我国十一五期间唯一兴建的大型枢纽机场,由于飞机的滑翔、飞行等都将造成对跑道基层极大的冲击力,因此对机场跑道基层抗裂性能提出了很高的要求。受建设单位委托,施工单位参照本文用振动压实法设计水泥稳定碎石基层配合比,根据现场材料具体情况进行了生产配合比调整并进行了试验路的试铺,最后对基层路面进行钻芯取样进行了力学性能及抗裂性能测试。


试验结果反映,铺筑的抗裂性水泥稳定碎石基层压实度、无侧限抗压强度及收缩抗裂系数均大于设计文件要求,实现了预定的目标,体现了本次铺筑的抗裂性水泥稳定碎石基层试验路具有良好的路用性能和抗裂性能,为机场跑道基层的施工提供了必要的技术保障。


结语


对水泥稳定碎石基层分别用重型击实和振动压实两种方法进行了设计,并对力学性能及抗裂性能进行了对比。从研究情况看相对于重型击实法,采用振动压实法设计的水泥稳定碎石基层混合料较前者均具有更好的力学性能及抗裂性能,并通过西南某机场跑道基层试验路测试情况证明了这一结论,体现了振动压实法较重型击实法在抗裂性水泥稳定碎石基层设计中的优越性。


标签:技术中心再生沥青
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