基于干缩变形特性的水泥稳定碎石级配组成探究

摘要：由于大量的工程施工过程中，会运用到水泥，但是水泥因为其特性，会出现一些干缩变形的情况，从而影响整个工程的质量，对此，文章进行了干缩变形特性的水泥稳定碎石级配组成的简要探究。

关键词：水泥稳定碎石；级配组成；干燥收缩；干缩应变；平均干缩系数

中图分类号：TQ172文献标识码： A

水泥在被大量的应用过程中，会因为环境的影响发生一定的变化，干缩变形就是其中的一种，这种现象不仅影响工程的整体效果，还会造成工程的质量问题，所以要对这种水泥的稳定配比比例进行一定的分析探究。

一、干缩变形特性的水泥应用表现

半刚性基层沥青路面是我国沥青路面结构的主要型式。近年来由于设计弯沉减小,半刚性基层强度过大的情况普遍存在,不少路段上路面开裂相当严重。除少部分干线高速公路已经将沥青面层加厚至18cm外,大部分采用沥青面层3层总厚度为15~16 cm的结构,而基层的强度则逐渐从3MPa提高到5 MPa以上,施工中强度更高,导致半刚性基层收缩开裂并引起沥青路面出现反射裂缝。对此,国外普遍采取对裂缝进行封缝的方式处理,而在交通量繁重或者高速公路上,这种封缝工作十分困难,严重影响交通,也不安全。在我国,没有对出现的裂缝及时封缝的习惯,因而开裂得不到有效处理,导致裂缝进水,使沥青层和基层界面条件发生变化,基层、底基层、路基的水分状况恶化,承载能力迅速降低,表面产生水力冲刷,形成唧浆、坑槽等破坏；车轮从裂缝的一侧到达裂缝的另一侧时,荷载变化不再连续,使路面裂缝两侧发生大的应力突变,形成上下剪切和表面拉力,再加上行车荷载的冲击振动,更加剧路面结构的损坏。

水泥稳定碎石虽具有强度高、刚度大、整体性强、水稳性和抗冻性好以及抗行车疲劳性能较好的特点,但它在湿度变化时易产生干缩裂缝,导致沥青层表面形成反射裂缝,进而影响路面的使用性能和使用寿命。因此进一步完善水泥稳定碎石混合料的级配组成,改善其收缩性能,减少干缩量,从而减缓沥青层反射裂缝的产生,是当前道路工程亟待解决的问题之一。

在集料、各种水泥基本性能试验结果的基础上,开展水泥稳定碎石混合料组成设计试验研究,提出供工程使用的级配组成设计,其7d龄期室内抗压强度代表值为3.5~4.0 MPa,且收缩最小。

二、配组成范围

《公路路面基层施工技术规范》规定对于高速公路和一级公路,水泥稳定碎石用作基层时,单个颗粒的最大粒径不应超过31.5 mm，考虑到规范规定的级配在工程实践中存在的问题及大粒径混合料易发生离析,不少国家规定最大公称粒径为19.0~20.0 mm,故本文采用最大公称尺寸为19.0 mm的颗粒,并以表1所列三种级配范围进行室内试验研究，上述三组级配组成范围是在总结各国水泥稳定碎石基层材料集料组成设计及工程应用的基础上,通过控制粗、细集料关键筛孔的通过率,运用级配计算公式(1),首先计算出各级配范围的中值级配(各筛孔的通过质量分数),再依据文献中关于不同筛孔通过量的允许误差范围(级配范围Ⅲ略作修正)提出的。

（一）一级配组计算

按粗、细集料分别进行计算.粗细集料的分界线统一定为4.74 mm.级配计算采用的公式为

Pdi=A(di/Dmax)B (1)

式中:Pdi为筛孔尺寸di的通过质量分数,%;Dmax为矿料的最大粒径,mm;di为筛孔尺寸,mm;A,B分别为系数.

由于最大粒径Dmax为25.5 mm,根据工程实践经验,选定公称最大粒径18.0 mm的筛孔的通过质量分数为94%,4.74 mm筛孔的通过质量分数为40%,由此可以建立下列两个联立方

细集料级配计算的公式与粗集料级配的计算公式(1)相同,只是把式右侧的分母Dmax,改为4.74mm.由于4.755mm筛孔通过质量分数应与计算粗集料级配时的通过质量分数相同,已定为40%,在此确定0.074 mm筛孔的通过质量分数为3%。

（二）二级配组计算

同级配范围Ⅰ的中值级配计算，根据不同的岩石种类,关键筛孔通过的质量分数不同,故选定19.0mm筛孔的通过质量分数为95%,4.75 mm筛孔的通过质量分数为35%,0.075 mm筛孔的通过质量分数为3%.按公式(1)计算。

（三）三级配组计算

计算过程同级配范围Ⅰ,选定19.0 mm筛孔的通过质量分数为95%,4.75 mm筛孔的通过率(质量分数)为32%,0.075 mm筛孔的通过质量分数为2%.按公式(1)计算。

二、进行实验

对上述三种级配在水泥用量为4.8%及略低于最佳含水量条件下,制作10 cm×10 cm×40 cm的中梁试件，试件采用压力机静压成型,成型的最大干密度和最佳含水量同强度试验.试件脱模后用塑料袋密封,置于温度为(25±2)℃的标准养护室保湿养生7 d,之后,取出放在玻璃板上,在室内自然湿度下风干,测定不同失水率的收缩情况.试验持续到含水量不再减小,试件体积基本不变为止。

三、结果分析

通过一次循环干缩试验失水率对干缩变形特性的影响，可以看出:1号级配梁在开始时因失水率较小(0. 11%),虽干缩应变不大(185. 0×10-6),但干缩系数较大(1 717.59×10-6),随失水率的增加平均干缩系数迅速降低,失水率由0.30%增加至1.11%时,平均干缩系数由649.90×10-6降至301.40×10-6,此后随失水率的增加,平均干缩系数缓慢增大,直到失水率达1.77%,失水量达最佳含水量的33.7%时,干缩系数出现峰值(378.14×10-6),干缩应变亦出现峰值(670.00×10-6),此后随失水率的继续增大,干缩系数和干缩应变有减小趋势。

2号级配梁失水率达1.75%,即失水量达最佳含水量的29.5%时,干缩应变达最大值371.50×10-6,平均干缩系数也达最大值212.85×10-6,随失水率的继续增大,干缩应变和平均干缩系数均有减小趋势。

由此可见,当失水量约达最佳含水量的1/3左右时,干缩应变εd和平均干缩系数αd出现峰值.此后,εd和αd均有减小趋势，这是由于在最佳含水量下,颗粒的活动性处于最优状态,此时,颗粒极易受外力作用而发生位置移动,使整体材料的密度达到相应作用力下的最大值。随着水分蒸发,毛细管中水的弯液面的曲率半径减小,弯液面的表面张力增大,致使毛细管压力增大;材料中吸附水的蒸发,使颗粒表面水膜变薄,颗粒间距变小,分子力增大；层间水蒸发,使晶格间距减小；当毛细管张力作用,吸附水和分子间力作用,及层间水作用的三种作用力超过材料分子间的连接力时,颗粒间距离逐渐减小,分子力增大,εd和αd增大,当失水量约达最佳含水量的1/3左右时,εd和αd出现峰值.随含水量的进一步减小,材料的强度和刚度越来越大,颗粒间斥力开始增加,层间水和分子间的作用力又逐渐减小,使εd和αd均呈减小趋势。

四、施工意见

首先严格控制施工碾压时的含水量,含水量太高,材料颗粒表面水膜增厚,一些层状结构物就会有较多的层间水和水化离子,造成不易压实,同时水分蒸发会引起材料较大的收缩，即材料的含水量不能超过压实所需的最佳含水量或最佳含水量的2.00%~-1.00%的范围。

其次碾压过程必须以重型压实为主,并碾压充分.建议采用18 t以上的压路机碾压。

最后加强早期养生,避免暴晒以降低失水速度,延长干燥所需时间。由于初始的材料强度较低,失水太快会导致水泥稳定碎石材料承受较大的干缩应力而使材料开裂,故在养生期间建议采用沥青封层或薄膜等表面覆盖措施,使水分损失缓慢，养生期(14d左右)结束应及时铺筑沥青面层。

结束语：

通过对干缩性水泥的各种实验，可以有效的减少在施工建筑中，因为水泥的问题产生的工程质量问题，从而在一定程度上保证工程的质量。

参考文献

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