抗裂型水泥稳定碎石单轴压缩模量和弯拉强度试验分析

韦洪峰

(辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

抗裂型水泥稳定碎石通过减少细集料及胶结料，采用骨料嵌挤级配，降低含水量，减少无机结合料混合料干缩和温缩，以减缓横向裂缝病害，水泥剂量为2.5%～3.0%。相较于常规水泥稳定碎石，因其细集料和胶结料的减少，需有效评价和测定抗裂型水泥稳定碎石的承载能力和抗疲劳性能，采用振动拌和和常规拌和两种拌和方式，对2.5%水泥剂量和3.0%水泥剂量的抗裂型水泥稳定碎石与4.5%水泥剂量的常规水泥稳定碎石的承载能力和疲劳性能进行对比。

1 原料及配合比

选用项目为抚顺通武线改造工程，二级公路，路面宽度为12m，本路段建设方案为：铣刨现有面层后，加铺3cm细粒式沥青混凝土+4cm中粒式沥青混凝土+35cm抗裂型水泥稳定碎石基层。基层用碎石均采自抚顺市周边石场，材料指标及筛分如表1和表2。

表1 粗细集料指标表

根据前期科研成果，抗裂型水泥稳定碎石采用表3设计级配范围，与《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中C-B-3级配相比较，抗裂型水稳碎石级配要求最大粒径提高至37.5mm；提高了9.5～31.5mm矿料比例，19～31.5mm通过率明显降低，降低幅度平均为12.3%和6%；为保证骨架空隙被足够的细料填筑，该级配适当提高了4.75mm以下细集料通过率。级配对比图见图1。

表2 集料筛分试验结果

表3 抗裂型级配与规范级配对比表

图1 抗裂型级配与规范级配对比

采用振动击实成型法对抗裂型水泥稳定碎石进行配合比试验，2.5%水泥剂量最佳含水量为4.27%，最大干密度2.532g/cm3，7d无侧限抗压强度7.6MPa，7d劈裂强度0.53MPa。

3.0%水泥剂量最佳含水量为4.39%，最大干密度为2.554g/cm3，7d无侧限抗压强度7.7MPa，7d劈裂强度0.61MPa。

2 单轴压缩模量

与顶面法抗压回弹模量相比，单轴压缩模量能够更好地反应水稳材料的力学特性，而且操作相对简单。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的要求，无机结合料稳定类材料的弹性模量采用单轴压缩试验测定。

弹性模量计算按下式计算：

式中：Ec—抗压弹性模量，MPa；

Et—抗拉弹性模量，MPa;

Fr—最大荷载，N;

D—试件直径，mm；

ε3—试件纵向应变(荷载F=0.3Fr)。

水稳碎石材料单轴压缩模量试验结果见表4、图2。

表4 通武线单轴压缩模量试验结果

图2 单轴压缩模量试验结果

根据试验结果可知，抗裂型水稳碎石材料的单轴压缩模量平均值随水泥剂量的增加而提高。2.5%水泥剂量的混合料的试验数据离散性较大，说明2.5%水泥剂量时混合料试件的均匀性相对较差。

在相同拌和方式条件下抗裂型水稳碎石的单轴压缩模量低于常规级配水稳碎石材料，材料刚度有所降低。在相同级配条件下，混合料经过振动拌和后，单轴压缩模量平均值均有所提高。

与《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)推荐材料参数(14000～28000MPa)相比，本项目试验结果处于规范推荐范围的下限及以下，其中2.5%水泥剂量时模量降低幅度最大。

(1)级配类型对单轴压缩模量的影响

图3 单轴压缩模量(级配类型)

由试验数据可知，在相同的拌和方式下抗裂型级配的水稳碎石材料的单轴压缩模量平均值差异不明显，常规级配总体上高于抗裂型级配混合料；在常规拌和和振动拌和条件下常规级配的模量提高幅度分别为7%和9%。说明不同级配类型的混合料的刚度总体上无明显差异，在振动拌和条件下单轴压缩模量提升效果相对明显。

(2)拌和方式对单轴压缩模量的影响

图4 单轴压缩模量(拌和方式)

由图4试验数据可知，相同的级配类型条件下，振动拌和工艺对各种类型混合料的刚度均有不同程度提升作用，采用振动拌和的水稳碎石材料的单轴压缩模量总体上高于常规拌和水稳碎石材料。抗裂型和常规级配水稳碎石的单轴压缩模量振动拌和后材料模量提升幅度分别为2%和5%。这主要是因为振动拌和工艺能够提高水稳碎石混合料的均匀性，使细集料和结合料充分填充骨架空隙，能够形成结构性更加合理的骨架嵌挤-密实结构。

3 弯拉强度

弯拉强度是水稳基层材料的重要性能指标，是影响无机结合料疲劳的关键指标，对路面基层结构的层底拉应力具有重要影响。弯拉强度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中T0851-2009开展试验。试验过程中上下压板平整并有足够的刚度，可以均匀地连续加载卸载，可以保持固定荷载。加载速率为50mm/min，采用三分点加载方式。

弯拉强度试验结果如表5所示。

由试验数据可知，弯拉强度发展规律与抗压强度及劈裂强度基本一致，在相同3%水泥用量前提下，抗裂级配振动拌和弯拉强度最大，常规级配常规拌和强度最低，前者强度提高幅度达45%以上。与《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)推荐材料参数(1.5～2.0MPa)相比，2.5%水泥剂量的水稳碎石材料弯拉强度不足，其余各组混合料的弯拉强度均满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)推荐范围，且3.0%水泥剂量的抗裂型水稳碎石试验结果大于规范推荐上限。

表5 通武线弯拉强度试验结果

图5 不同级配和成型方式弯拉强度对比

(1)拌和方式对弯拉强度的影响(图6)

在相同的级配类型条件下，振动拌和工艺对混合料的弯拉强度具有显著的提升作用：经过振动拌和后，抗裂型和常规级配混合料弯拉强度分别提高30%和19%。与抗压强度和劈裂强度类似，抗裂型级配混合料受拌和工艺的影响更为显著。

图6 拌和方式对弯拉强度的影响

图7 级配类型对弯拉强度的影响

(2)级配类型对弯拉强度的影响(图7)

在相同的拌和条件下，抗裂型级配混合料的弯拉强度整体优于常规级配混合料：在振动拌和和常规拌和条件下，抗裂型级配混合料弯拉强度分别提高约20%和10%以上。

4 结论

综合上述研究成果，抗裂型水泥稳定碎石降低了含水量、水泥剂量，减少了细集料含量，在材料组成上达到了对温缩及干缩开裂因素的减缓效果，在承载能力和疲劳性能未见到显著的降低，主要结论如下：

(1)抗裂型级配与常规级配的单轴压缩模量差异较小，常规水泥稳定碎石单轴压缩模量略高于抗裂型水泥稳定碎石，与《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)推荐材料参数(14000～28000MPa)相比，本项目试验结果处于规范推荐范围的下限范围。

(2)总体上，抗裂级配的弯拉强度2.5%水泥剂量大于1MPa，3.0%水泥剂量大于2.3MPa，超出《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)水泥稳定碎石弯拉强度上限。常规级配的弯拉强度在规范范围上限范围。

(3)振动拌和条件下，抗裂型级配较常规级配的抗压强度和弯拉强度均提高30%以上；在常规拌和条件下，抗压强度平均提升约为10%，弯拉强度提高19%以上。抗裂型级配有利于提高水稳碎石材料的弯拉强度，且振动拌和工艺对于不同级配类型混合料均具有提高强度的作用，其中抗裂型级配受振动拌和工艺的影响更为明显。

(4)根据试验数据和回归方程确定了辽宁省抗裂型水泥稳定碎石材料的设计参数取值范围，弯拉强度1.7～3.0MPa，单轴压缩模量13000～20000MPa。