低劑量抗裂水穩基層力學性能試驗分析

郭東紅

（山西交控數字交通科技有限公司，山西 太原 030000）

引言

縮裂是半剛性基層的通病，在溫度和濕度發生變化時產生開裂，進而造成面層結構的破壞。采用低劑量（2%～4%）水泥穩定類基層，可有效減少縮裂，提高基層的穩定性[1]。為了更全面地研究低劑量水穩基層材料的力學性能，選取水泥劑量為2%、3%、4%三種類型的基層材料，測試其無側限抗壓強度彎拉強度和彈性模量等指標，并建立試驗段，檢測基層的回彈模量和彎沉值，分析低劑量水泥穩定類基層各方面力學性能是否符合要求。

1 低劑量水穩碎石基層力學參數試驗

1.1 無側限抗壓強度試驗結果分析

無側限抗壓強度作為水穩碎石類基層的重要物理力學指標，可以反映基層材料抵抗壓應力作用的能力[2]，選取水泥劑量為2%、3%、4%三種類型的基層材料進行7 d 無側限抗壓強度試驗。結合《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）中的相關規定制作試件，6 d 標準條件養生后，浸水1 d，測試7 d 無側限抗壓強度值，試驗結果見表1。

表1 不同劑量7 d 無側限抗壓強度試驗結果

隨水泥劑量的增加，水穩碎石基層的7 d 無側限抗壓強度不斷提高，且增長速度有所提高。當水泥劑量為2%時，由于水泥含量較低，水泥水化產物少，在碎石中的膠結作用不顯著，基層材料的強度也較小，此時的水穩碎石基層在力學性質上更接近于級配碎石。但隨著水泥劑量的增加，水泥的膠結作用不斷顯現出來，強度和整體穩定性也不斷提高。

1.2 彎拉強度試驗結果分析

在車輛荷載作用下，瀝青路面基層材料承受彎拉作用[3]?！豆窞r青路面設計規范》（JTG D50—2017）中規定，通過檢測基層材料的彎拉強度指標對抗拉性能進行評價。彎拉強度試驗所選取的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，標準條件下養生90 d，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）中的相關規定對基層材料的彎拉強度進行測定，試驗結果見表2。

表2 不同劑量90 d 彎拉強度試驗結果

分析表2 數據可知，隨著水泥劑量的增加，水穩碎石基層彎拉強度不斷增加，且水泥劑量由2%增加到3%時，彎拉強度增長幅度較大。結合《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）中對水穩基層材料的相關規定，彎拉強度與路面結構疲勞壽命相關。水穩基層材料的彎拉強度越大，路面結構的疲勞壽命越長。當彎拉強度值處于1.5 ～2.0 MPa 時，說明水泥穩定碎石基層材料級配良好，整體性能好；當彎拉強度值處于0.9 ～1.5 MPa 時，說明水泥穩定碎石基層材料級配和整體性能相對較差。低劑量水穩碎石基層基層材料的彎拉強度檢測值均位于0.9 ～1.5 MPa，在設計與施工應適當增加基層結構厚度。

1.3 彈性模量試驗結果分析

彈性模量是水泥穩定基層材料的重要力學性能參數，可以反映荷載作用下基層的變形特性[4]?！豆窞r青路面設計規范》（JTG D50—2017）中規定了采用彈性模量中間段試驗方法作為水穩基層材料彈性模量的檢驗方法，按照此方法進行試驗并繪制不同水泥劑量彈性模量的變化曲線，試驗結果見表3。

表3 不同劑量90 d 單軸壓縮模量試驗結果

分析表3 數據可以得出，水穩碎石基層材料的彈性模量隨水泥劑量的增加而增加，且增加幅度較大。彈性模量越大，水穩碎石基層材料在荷載作用下所產生的變形越小。彈性模量不是越大越好，雖然基層結構的變形變小，但路面結構所承受的拉應力會顯著增加，容易造成瀝青面層剪切破壞。

《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）中雖沒有對水穩基層材料的彈性模量標準值做出規定，但給出了兩個范圍：14 000 ～20 000 MPa 和20 000 ～28 000 MPa。水泥劑量為4%的水泥穩定碎石基層材料的彈性模量為16 345 MPa，在14 000 ～20 000 MPa范圍內，但水泥劑量為2%、3%的水泥穩定碎石基層材料的彈性模量不在這兩個范圍內。

2 試驗路段檢測結果分析

2.1 依托項目概況

山西省內某道路改造工程，全長10.789 km。公路建設等級為二級，K3+293—K4+130 段、K4+560—K14+081.933 段路基寬10 m，路面寬8.5 m；設計速度60 km/h。路面基層采用低劑量抗裂水泥穩定基層，設計厚度為34 cm，基層厚度為16 cm，底基層厚度為18 cm。施工中建立試驗段，分別鋪筑100 m 水泥劑量為2%、3%和4%低劑量抗裂水穩碎石基層，養生后通過試驗確定基層的彎沉值和成型情況。

2.2 現場取芯檢測

在基層養生10 d 后進行現場鉆芯取樣，查看基層結構的成型情況。在水泥劑量為2%、3%和4%的低劑量水穩碎石基層上取芯10 個，取芯后發現水泥劑量為2%的水穩碎石基層成型質量較差，大部分開裂，基本沒有取出完整的芯樣。水泥劑量為3%的水穩碎石基層成型較好，可以取出完整的芯樣。水泥劑量為4%的水穩碎石基層成型質量最好，芯樣完整，具有良好的抗裂性能。通過現場取芯，可以得出水泥劑量越高，基層成型質量越好，強度越高。

試驗路段完工1 a后，再次對水泥劑量為2%、3%、4%的水穩碎石基層鉆芯取樣，均能取出完整芯樣，說明低劑量水穩碎石基層完整性良好，可以滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）要求。

2.3 彎沉試驗

試驗段對三種劑量的基層進行承載板試驗和彎沉試驗，測得回彈模量和彎沉值見表4、表5。

表4 承載板試驗結果

表5 彎沉試驗結果

通過分析表4 和表5 數據得出：（1）隨著水泥劑量的增加，基層頂面回彈模量隨之變大；（2）隨水泥劑量的增大，彎沉值不斷下降。試驗結果表明，水泥劑量為4%的基層平均回彈模量約為2%時的3倍，說明隨水泥劑量提高，基層的抗變形性能顯著提高。

2.4 路面彎沉檢測

采用落錘式彎沉儀（FWD）在不中斷的情況下進行檢測。通過試驗確定各路面結構層的回彈模量，并計算路表彎沉值。選取試驗路段完工后30 d、108 d和250 d 的路段檢測路表彎沉值，試驗結果見表6 和表7。

分析表6 和表7 數據可知：（1）完工后30 d，水泥劑量為2%的水穩碎石基層路表彎沉值較大，基層回彈模量較小，水泥劑量為4%最大，3%居中，說明隨水泥劑量的增加，路表彎沉值不斷變小，基層回彈模量不斷增加。（2）完工后250 d，路表彎沉值相近，水泥劑量為2%和3%的基層頂面回彈模量相近，水泥劑量為4%最大。

表6 試驗段路表彎沉值（FWD）檢測結果

表7 基層回彈模量計算值/MPa

3 結語

（1）隨著水泥劑量的增加，基層無側限抗壓強度、彎拉強度、彈性模量隨之增加，工程設計中適當增加基層厚度以提高力學性能。（2）對7 d 齡期的基層在試驗路段鉆芯取樣進行觀察，水泥劑量為2%的基層成型質量較差，但竣工1 a 后鉆芯取樣均能取出完整的芯樣，說明低劑量抗裂水穩基層強度和整體穩定性良好。（3）采用FWD 法對完工后路表彎沉值進行檢測，檢測結果表明不同水泥劑量路面彎沉值和基層回彈模量存在較大差異，且隨著水泥劑量的增加，路表彎沉值不斷變小，基層回彈模量不斷增加。