水泥穩定碎石抗離析評價方法研究

王明軍,翟新明,邸文錦,翟健梁,關博文,熊 銳

(1.青海省果洛公路工程建設有限公司,西寧 810021;2.長安大學材料科學與工程學院,西安 710061)

0 引 言

寬幅超厚水泥穩定碎石基層由于施工便利且整體性能好,被廣泛用于道路基層建設[1-2]。然而,在水泥穩定碎石材料的運輸、裝卸以及鋪筑過程中極易發生混合料級配離析[3-4],而道路基層發生局部或整體性的級配離析后則會進一步引發所鋪筑道路中各處的力學性能及路用性能不一致[5-7],致使整體路用性能下降[8-10]。

美國國家瀝青研究中心(NCAT)提出了根據道路芯樣的孔隙率變化、瀝青含量變化以及壓實度變化對道路離析程度進行劃分的方法[11-12]。NCAT利用構造深度法、原位密度法、紅外熱像儀法和鉆芯取樣法等,并根據孔隙率等指標的波動結果,將道路離析劃分為無離析、輕度離析、中度離析以及嚴重離析四類。其中,鉆芯取樣法為有損檢測[13],其余三種方法均為無損檢測。以上離析檢測方法均需要在路段鋪筑完成后,對道路芯樣進行離析檢測,但目前鮮有水泥穩定碎石在室內試驗設計階段的離析評價方法。徐程[14]運用料堆試驗設計理念,研究了拌和方法對水泥穩定碎石混合料抗離析性能的影響,并引用離析系數L對水泥穩定碎石混合料的離析程度進行評價,但文中僅利用了料堆的徑高比來簡單評價混合料的離析等級,并不能精確劃分離析等級。胡立群等[15]最早提出了骨架密實結構水泥穩定碎石混合料的離析評價方法,建議在混合料拌和后的傳送階段、運料車的不同部位以及攤鋪機的受料斗和分料器的兩端取樣,經過篩分、烘干等過程,計算級配曲線與原始級配曲線的偏差程度,并將其定義為離析度,然而使用級配偏差的絕對值之和進行離析等級的劃分時,不能突出各級配的偏差程度,且部分區域的隨機取料也不能全面說明混合料的離析程度?，F階段對水泥穩定碎石混合料的室內離析試驗及抗離析性能的評價多借鑒瀝青混合料的評價方法,但由于瀝青混合料與水泥穩定碎石混合料存有一定差異,還需進一步研究離析評價指標對水泥穩定碎石材料的適用性。另外,針對大厚度半剛性基層易離析的特性,有必要對其抗離析性能進行研究。因此,在室內試驗模擬混合料的拌和及儲存過程中引入合理的離析系數及離析評價方法來對混合料的離析程度進行劃分,對大厚度半剛性基層抗離析性能的研究具有重要意義。

本文設計了適用于水泥穩定碎石基層的室內離析試驗,并從兩方面研究了不同級配水泥穩定碎石的抗離析性能。首先對料堆高度和底面直徑進行測量,利用料堆的徑高比表征水泥穩定碎石混合料的離析程度;其次對料堆進行橫向與縱向分區,利用各分區內級配與原級配的偏離方差表征混合料的離析程度,并從以上兩方面綜合計算水泥穩定碎石混合料的離析系數,不僅可以整體地評價料堆的抗離析能力,還能精確分區計算料堆各區域的離析情況,最后根據離析系數的大小判定混合料的離析程度。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗選用海螺牌425號普通硅酸鹽水泥;集料選用中建西部建設北方有限公司航天預拌廠的破碎集料,集料包括4檔,分別為1# [20,25)、2# [10,20)、3# [5,10)以及4# (0,5)mm,其中定義4#(0,5)mm集料為細集料,其余三檔料為粗集料。

1.2 水泥穩定碎石基層配合比

根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[16]中推薦的高速公路與一級公路水泥穩定碎石基層級配,設計了5種不同粗細的混合料,并以粒徑為4.75 mm的混合料通過率作為控制指標,將4.75 mm通過率分別為25%、30%、35%、40%以及45%的5種級配對應命名為GW1、GW2、GW3、GW4和GW5,具體級配設計如表1所示。根據水泥穩定碎石試件的7 d無側限抗壓強度,選用占集料質量分數4%、5%與6%的水泥劑量,并在最佳含水率條件下進行不同級配水泥穩定碎石混合料的室內離析試驗。

表1 水泥穩定碎石混合料級配Table 1 Gradation of cement stabilized macadam mixture

1.3 試驗方法

1.3.1 室內離析試驗

室內離析試驗裝置由離析試驗架、兩個錐形桶和方形底板組成,裝置如圖1所示。為明確水泥穩定碎石混合料料堆各區域的離析情況,對水泥穩定碎石下落堆體進行了分區,具體分區情況如圖2所示。將料堆分為5個區域,分別標記為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和 Ⅴ 區,其中 Ⅰ 區和 Ⅱ 區為豎直排列的中間區域,Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ區為周圍底部區域,3個區域面積相等。通過對比不同區域內水泥穩定碎石混合料的級配變化,判斷料堆在豎直同水平方向上的離析差異情況。

圖1 水泥穩定碎石混合料室內離析試驗裝置Fig.1 Indoor segregation test device of cement stabilized macadam mixture

圖2 水泥穩定碎石混合料料堆分區示意圖Fig.2 Pile partition schematic diagram of cement stabilized macadam mixture

1.3.2 室內離析試驗方法

1)將拌和好的水泥穩定碎石混合料倒入上層錐形桶,蓋好前后蓋,轉動旋轉手柄 2 min,使混合料保持整體均勻性,降低因倒料而造成的誤差。

2)轉動結束后,上層錐形桶靜置30 s后,迅速打開錐形桶前蓋使混合料全部落入下層錐形桶中(此時下層錐形桶下部的可抽拉擋板處于閉合狀態),待混合料全部落入后,將下層錐形桶靜置 30 s。

3)靜置結束后,快速抽出下層錐形桶的可抽拉擋板,使混合料落至地面帶有同心圓輔助線和分區線的方形底板中。當集料顆粒全部停止滾動后,使用標尺測量料堆高度,借助底板同心圓刻度線測量料堆的直徑,做好記錄。

4)使用小鏟在料堆頂部取1.6 kg混合料,倒入0.6 mm 方孔篩中,標記為 Ⅰ 區混合料。按照底板扇形分區線,在每個分區取1.6 kg混合料,然后將各分區混合料分別裝入對應標號的 0.6 mm方孔篩中,做好各區標記;最后,在料堆中間區域取1.6 kg混合料倒入2號0.6 mm方孔篩中,標記為 Ⅱ 區混合料。

5)將方孔篩上混合料沖洗干凈,直至0.6 mm以下細料及水泥被全部沖走后,將濕料移至105 ℃ 烘箱中恒溫 4 h,待水分完全蒸發,稱取各區域干料質量并做記錄。然后,將各區域干料做篩分試驗并稱量26.50、19.00、9.50、4.75、2.36 及0.60 mm的篩上質量,做好記錄。

2 結果與討論

2.1 離析系數計算方法

由于料堆形狀與料堆各區域內的級配組成都能較好地反映水泥穩定碎石混合料的離析情況[17],因此本研究引入2種評價混合料離析程度的指標,分別為形狀離析系數和篩分離析系數。其中,形狀離析系數是針對水泥穩定碎石混合料的下落堆體高度與底面積提出的評價指標,可用于評價水泥穩定碎石混合料的整體離析情況;篩分離析系數是針對各區域混合料的各篩孔通過率變化而提出的評價指標,可體現料堆局部離析情況。

1)形狀離析系數

水泥穩定碎石混合料的料堆形狀主要由料堆高度及料堆底面積決定。水泥穩定碎石混合料中水泥劑量、含水率以及集料級配存在差異,導致混合料下落過程中的內部力鏈網絡結構千差萬別,這賦予了集料顆?；蚣蠄F體不同的加速度和速度。另外,不規則的集料外形、外層部分或全部黏附水泥砂漿以及集料顆粒之間存在黏聚效應,均會導致各集料顆?；驁F體的自身特性(如摩擦力和質量)有所差異。綜合以上兩種原因,下落過程中混合料顆?；驁F體的運動狀態與自身特性不同,導致料堆的形狀不同,即料堆的休止角不同[18]。料堆的休止角是指料堆母線與料堆底平面形成的夾角,當料堆質量一定時,顆粒運動狀態會影響料堆休止角的大小。休止角大小可以通過料堆的高度和底面積來體現,因此本試驗通過計算料堆的徑高比表征水泥穩定碎石混合料的離析程度,并將其定義為形狀離析系數。形狀離析系數的計算公式如式(1)所示:

L=D/H

(1)

式中:L為水泥穩定碎石混合料的形狀離析系數;D為料堆底平面的直徑,mm;H為料堆的高度,mm。L越大,該混合料的離析情況越嚴重, 反之,L越小,說明混合料的離析程度越小。

2)篩分離析系數

除了料堆的形狀特點,料堆不同區域的級配組成能更精確地反映水泥穩定碎石混合料離析程度。在進行室內離析試驗前,任意位置的混合料級配均與設計級配相近,經過室內離析試驗后,由于顆?；蝾w粒團體運動狀態不同,使混合料內部孔隙率不均,各區域級配改變[19]。各區域級配與原設計級配的差值可準確反映混合料離析程度,因此本研究通過各區域的級配變化計算混合料的離析程度,并引入篩分離析系數,具體計算過程見式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

2.2 基于離析系數的結果分析

2.2.1 形狀離析系數結果分析

當水泥穩定碎石混合料全部下落至方形底板且料堆形狀穩定后,借助離析架豎管上的刻度與方形底板上的同心圓刻度來測量混合料料堆高度和底面直徑,并計算形狀離析系數,測量的料堆高度和底面直徑如圖3所示,計算的形狀離析系數如圖4所示。

圖3 不同水泥劑量下各級配水泥穩定碎石混合料的料堆高度和底面直徑Fig.3 Pile height and basel diameter of cement stabilized macadam mixture of each gradation under different cement content

圖4 各級配水泥穩定碎石混合料的形狀離析系數Fig.4 Shape segregation coefficient of cement stabilized macadam mixture of each gradation

由圖3可知,不同水泥劑量和不同級配種類的水泥穩定碎石混合料料堆高度和底面直徑有所差異。當水泥劑量為4%時,不同級配混合料料堆高度由大到小的順序為GW3>GW4>GW2>GW1>GW5;當水泥劑量為5%和6%時,不同級配混合料料堆高度由大到小的順序為GW3>GW4>GW2>GW5>GW1。這是因為在一定范圍內,水泥劑量越大、級配嵌鎖能力越好的混合料,所形成的料堆高度越高;其次,因水泥劑量不同所造成料堆高度的差異主要體現在GW1和GW5上,因為GW1的粗集料比例更高,在自然堆積狀態下的料堆休止角更大,所以當水泥劑量為4%時,GW1的料堆高度高于GW5。隨著水泥劑量的增加,混合料的內部黏結能力提升,集料級配對混合料料堆性能的影響占據主導地位,此時休止角的發揮作用不大[20]。因此當水泥劑量為5%和6%時,GW1的料堆高度低于GW5。另外,料堆的底面直徑變化規律不明顯,總體在375～423 mm,這是因為料堆底面直徑的大小不僅取決于混合料內部的嵌擠能力,還與集料的形狀和位置分布有關,所以底面直徑的變化規律不明顯。

由圖4可知,3種水泥劑量下水泥穩定碎石混合料的形狀離析系數變化趨勢一致,隨著級配種類從GW1變化至GW5,混合料的形狀離析系數呈先減小后增大的趨勢。以水泥劑量5%為例, GW2的形狀離析系數較GW1降低了7.2%;GW3的形狀離析系數較GW1降低了16.1%;GW4的形狀離析系數較GW1降低了14.1%;GW5的形狀離析系數較GW1降低了1.2%。顯然,當混合料的形狀離析系數大時,結構松散易離析;反之,若混合料的形狀離析系數小,則說明混合料粗細比例適宜、和易性好且分布均勻不易離析。由此可知,在相同條件下,水泥穩定碎石混合料級配的抗離析能力由大到小依次為GW3>GW4>GW2>GW5>GW1。這是因為適宜的集料比例能使水泥穩定碎石內部形成穩定力鏈網絡[21],能抵抗變形與保持均勻性,因此有效提高了水泥穩定碎石的抗離析性能。

通過縱向對比不同水泥劑量條件下不同級配種類的形狀離析系數可以發現,水泥劑量為4%的形狀離析系數最大,水泥劑量為5%的次之,水泥劑量為6%的最小。這是因為在一定范圍內水泥劑量的增加可以改善水泥穩定碎石的內部黏聚力,增大抵抗混合料變形的能力[22]。另外,從圖4中可明顯看出水泥劑量為5%的曲線與水泥劑量為6%的曲線更為接近,說明兩者的形狀離析系數相差更小,當固定級配種類為GW3時,兩者僅相差0.05。這是因為當水泥劑量達到5%時,已能提供較高水平的抗離析能力,再繼續增大水泥劑量對混合料抗離析能力的貢獻不大。從這一點可以看出,當水泥劑量為5%和6%時,水泥穩定碎石混合料的抗離析能力相差不大,因此考慮經濟效益推薦水泥使用量為5%。

2.2.2 篩分離析系數結果分析

根據1.3.2節中室內離析試驗方法和2.1節中離析系數計算方法,計算水泥穩定碎石混合料的篩分離析系數。首先對集料級配為GW1的混合料進行室內離析試驗,水泥劑量分別為4%、5%和6%,加水量為最佳含水量。將各分區已經稱重的混合料倒入0.6 mm方孔篩中,經過沖洗、烘干以及篩分后,記錄每個分區各關鍵篩孔上的集料質量。由于沖洗環節中沖洗掉了0.6 mm以下的細料,因此需將原級配各篩孔的通過率換算至0.6 mm以上。換算后的GW1各分區的通過率如圖5所示。其中,GW1料堆各區的級配分別命名為GW1Ⅰ、GW1Ⅱ、GW1Ⅲ、GW1Ⅳ和GW1Ⅴ,其他級配種類各分區的級配命名同理。同樣地,對集料級配為GW2、GW3、GW4、GW5的混合料進行室內離析試驗,圖5～圖9為換算后各分區的通過率。

圖5 換算后GW1各分區的通過率Fig.5 Pass percentage of GW1 each partitions after conversion

圖6 換算后GW2各分區的通過率Fig.6 Pass percentage of GW2 each partitions after conversion

圖7 換算后GW3各分區的通過率Fig.7 Pass percentage of GW3 each partitions after conversion

圖8 換算后GW4各分區的通過率Fig.8 Pass percentage of GW4 each partitions after conversion

圖9 換算后GW5各分區的通過率Fig.9 Pass percentage of pass of GW5 each partitions after conversion

對比分析篩分后各區的級配變化可知,對于某一固定級配而言,Ⅰ 區混合料的級配偏離設計級配程度最大,Ⅱ 區混合料的級配最貼近設計級配,Ⅲ 區、Ⅳ 區和Ⅴ 區混合料級配的偏離程度介于 Ⅰ 區和 Ⅱ 區之間。以水泥劑量為4%為例,與GW1相比,GW1Ⅰ 各篩孔的通過率平均變化了 4.48%,GW1Ⅱ平均變化了1.79%,GW1Ⅲ 平均變化了3.80%,GW1Ⅳ 平均變化了2.95%,GW1Ⅴ 平均變化了3.08%。由此可以看出 Ⅱ 區級配的偏離程度遠小于 Ⅰ 區,而 Ⅲ 區、Ⅳ 區和 Ⅴ 區篩孔通過率的偏離程度相近。另外,當水泥劑量為5%和6%時,各區級配的變化規律相似。

與設計級配相比,各篩孔通過率的偏離程度可以直接反映各區離析程度,由此可知,Ⅰ 區混合料的離析程度最大,Ⅲ 區、Ⅳ 區及 Ⅴ 區次之,Ⅱ 區混合料的離析程度最小,也就是料堆頂部級配離析最嚴重,頂部正下方的中部區域離析程度最小,周圍底部區域的離析程度相近,介于頂部和中部區域之間。

由圖5～圖9可以明顯看出 Ⅰ 區級配曲線離設計級配曲線最遠,Ⅱ 區級配曲線與設計級配曲線最貼近,Ⅲ 區、Ⅳ 區和 Ⅴ 區的級配曲線位于 Ⅰ 區和 Ⅱ 區級配曲線之間,這一規律對水泥劑量 4%、5%和6%均適用。除此之外,縱向對比各級配曲線可以看出,GW3 中各區域的級配曲線最集中,GW2 和 GW4 各區域的級配曲線集中程度次之,GW1和GW5各區域的級配曲線總體分布最離散。這是因為集料級配為GW3的混合料4.75 mm通過率為35%,能使混合料內部形成強有力的力鏈結構,抵抗混合料在下落過程中的離散趨勢。然而,當4.75 mm通過率過大時或過小的混合料內部粗集料占比過多時或細集料含量過多時,力鏈分散且不均勻,力鏈強度有所降低[23],混合料顆粒間不能形成嵌鎖結構,導致顆粒運動狀態各異,因此經過料堆試驗后的混合料會發生較大程度離析。

2.3 水泥穩定碎石的離析評定標準

2.3.1 形狀離析系數的評定標準

室內離析試驗表明水泥穩定碎石混合料的形狀離析系數可以有效反映混合料離析程度。然而業內研究時還未將形狀離析系數作為離析評價指標以及作為對水泥穩定碎石離析程度的劃分標準,但考慮到形狀離析系數的合理性與便捷性,本節嘗試根據形狀離析系數對水泥穩定碎石的離析程度進行劃分。依據2.1節中不同水泥劑量和集料級配水泥穩定碎石形狀離析系數的計算結果,具體劃分離析評定標準如表2所示,基于形狀離析系數的離析等級劃分如圖10所示。

圖10 基于形狀離析系數的離析等級劃分Fig.10 Segregation grade classification based on shape segregation coefficient

表2 基于形狀離析系數的離析評定標準Table 2 Segregation evaluation criteria based on shape segregation coefficient

根據表2中形狀離析系數的計算結果,將水泥劑量5%中相鄰形狀離析系數的中值作為劃分離析程度的臨界值。結合表2和圖10可知,當水泥劑量為4%時,集料級配從GW1到GW5的離析等級分別是嚴重離析、輕度離析、輕微離析、輕度離析和中度離析;當水泥劑量為5%時,集料級配從GW1到GW5的離析等級分別是中度離析、輕度離析、無離析、輕微離析和輕度離析;當水泥劑量為6%時,集料級配從GW1到GW5的離析等級分別是中度離析、輕微離析、無離析、輕微離析和輕度離析。就水泥劑量5%和6%而言,GW3和GW4的離析等級總能保持為無離析和輕微離析,這充分說明了這兩種級配的水泥穩定碎石抗離析性能的優異性。

2.3.2 篩分離析系數的評定標準

根據2.1節中篩分離析系數的計算方法分析篩分試驗結果,計算5種設計級配的篩分離析系數;依據具體計算結果并結合形狀離析系數,對不同級配混合料的離析程度進行定量劃分。篩分離析系數計算結果如圖11所示。

圖11 不同水泥劑量條件下各級配水泥穩定碎石混合料的篩分離析系數Fig.11 Sieve separation coefficient of cement stabilized macadam mixture under different cement content

為了全面、準確地對水泥穩定碎石的離析程度進行劃分,本文在料堆分區方法中引入篩分離析系數。具體方法為:篩分離析系數每增加5即劃分一個離析等級,基于形狀離析系數Seg的離析評定標準如表2,基于篩分離析系數的離析等級劃分如圖12所示。

圖12 基于篩分離析系數的離析等級劃分Fig.12 Segregation grade classification based on sieve segregation coefficient

結合表3和圖12可知,當水泥劑量為4%時,集料級配從GW1到GW5的離析等級分別為嚴重離析、輕度離析、輕微離析、輕度離析和中度離析;當水泥劑量為5%時,集料級配從GW1到GW5的離析等級分別是中度離析、輕度離析、無離析、輕微離析和輕度離析;當水泥劑量6%時,集料級配從GW1到GW5的離析等級分別是中度離析、輕微離析、無離析、輕微離析和輕度離析。就水泥劑量5%和6%而言,GW3和GW4的離析等級總能保持為無離析和輕微離析,這充分說明了這兩種級配的水泥穩定碎石混合料抗離析性能較優。

表3 基于篩分離析系數Seg的離析評定標準Table 3 Segregation evaluation standard based on sieve segregation coefficient Seg

3 結 論

1)與水泥劑量4%相比,水泥劑量為5%和6%的水泥穩定碎石混合料的形狀離析系數平均減小了3.1%,篩分離析系數Seg平均減小了14.0%。此外,混合料的抗離析性能在水泥劑量從4%增至5%時有大幅度提升,且水泥劑量5%和水泥劑量6%的混合料的抗離析能力相差不大,因此更推薦5%的水泥劑量。

2)綜合考慮豎直和水平方向的混合料料堆分區方法能全面反映各個級配的離析程度。研究表明Ⅰ區混合料的離析程度最大,Ⅱ區混合料的離析程度最小,Ⅲ區、Ⅳ區和Ⅴ區混合料的離析程度相近且介于Ⅰ區和Ⅱ區之間,直接反映出料堆頂部最易離析,這一點同樣適用于5%、6%水泥劑量的水泥穩定碎石混合料。

3)由各級配曲線圖可知,GW3和GW4各區域的級配曲線最集中,GW2各區域的級配曲線集中程度次之,GW1和GW5各區域的級配曲線總體分布最為離散。因此,當4.75 mm通過率為35%～40%時,混合料內部能形成強有力的力鏈結構,抵抗混合料在下落過程中的離散趨勢。

4)水泥劑量為5%和6%的GW3和GW4離析等級(無論是利用形狀離析系數劃分還是利用篩分離析系數Seg劃分)總能保持在無離析和輕微離析狀態,這充分說明了這兩種級配下水泥穩定碎石的抗離析性能較優。