几种半刚性材料的对比试验研究

张雪强

摘要：通过对水泥砂砾、二灰碎石、二灰砂砾和二灰土等半刚性基层材料的抗压、抗冻、抗疲劳和温度收缩试验结果的分析研究,得出了关于刚性基层材料路用性能的结论,为半刚性基层材料的使用提供了一些参考。

关键词：半刚性基层：强度；路用性能

U416

随着经济的发展，重车越来越多,交通量越来越大,对路面的承载能力要求越来越高,用具有水硬性材料处置的基层材料,能更好地满足现代重交通的需要。半刚性材料基层有板体性强,强度高等优点受到重视，因此国内许多高等级公路基层材料均为半刚性材料。如:10cm半刚性材料基层,其承载力为粒料基层的1.5倍,25cm时为3.3 倍[1]。目前,对于半刚性材料的路用性能要求应具有良好的强度、抗冻性、抗疲劳性能和抗开裂能力。本研究对几种常用的半刚性基层材料进行了室内试验和分析。

1 原材料性质检验

骨料物理性质为：碎石为石灰岩，压碎值为11.8%，表观密度为2.78g/cm3;砂砾压碎值为25.6%，表观密度为2.62g/cm3。试验所用土的液限为43%，塑限为25%，塑性指数为16%；骨料级配通过率见表1，水泥和粉煤灰的检验结果见表2和表3。

表1 骨料级配通过率（%）

表2 水泥检验结果

表3 粉煤灰检验结果

由表知，原材料满足规范要求。

表4 半刚性材料击实、抗压强度试验结果

2 混合料力学强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(057-94)的规定,进行各种半刚性混合料的击实、成型和养生。混合料试件采用等密度静力压实成型。养生温度为20℃±2℃,相对湿度为90%。冻融抗压试验是为了探讨各种混合料抗冻性能,冻融循环一次为48小时,冻结时间为24小时,温度为-20℃±2℃,融化时间为24小时。温度收缩、干燥收缩和疲劳试验的试件尺寸为10cm×10cm×40cm,试件采用振动成型[3]。疲劳试验在MTS上进行,见表4。

路面暴露于大气中,经受冻融、行车荷载及温度荷载的反复作用,产生拉、压应力,为检验半刚性材料的抗冻性能,进行了冻融试验,结果见表5。同时,还进行了弯拉和疲劳试验,观察半刚性材料的耐久性[2], 并根据试验结果进行回归分析,得出疲劳方程,结果见表6,温度收缩系数试验结果见表7。

表5 半刚性材料冻融抗压强度试验结果

表6 弯拉强度及疲劳试验结果

3 试验结果分析

3.1 抗压试验结果分析

1)水泥砂砾强度随水泥含量的增加而增加,但3%和4%含量在28天、90天强度相接近,5%和6%含量在7天、28天、90天强度分别接近。强度均随着龄期增长而增加。

2)二灰碎石强度均随着龄期增长而增加。90天二灰碎石强度试验的配合比中,有5个已经达到或超过水泥砂砾的强度,而7天水泥砂砾的强度均高于二灰碎石的强度,28天强度水泥砂砾的强度均高于大部分配合比二灰碎石的强度,这进一步说明,二灰之间的火山灰反应主要是发生在28天以后。

3)二灰砂砾、二灰土后期强度均低于水泥砂砾和二灰碎石,早期强度二灰碎石与二灰土相近。二灰砂砾7天强度均在饱水时崩解了,180天强度二灰砂砾与二灰土相近,但是远远低于水泥砂砾(90天)和二灰碎石的强度。

3.2 冻融抗压强度试验结果分析

1)由3:97 和5:95 水泥砂砾,以及5:15:80 ,8:32:60 ,10:40:50二灰碎石试验结果可以看出,水泥砂砾28天耐冻系数大于二灰碎石28天的耐冻系数;水泥砂砾90天耐冻系数与28天相比几乎没有增长;二灰碎石90天耐冻系数是28天的1.7～3.3倍,这说明二灰碎石的抗冻性能随着龄期的增长而增长,水泥砂砾这种趋势不是很明显.二灰碎石强度在90天以后还会有很大增长,如果采用180天强度,二灰碎石的耐冻系数还会有很大的增长。

2)根据抗冻性能试验结果可推知,抗冻性最好的材料应该是5∶95的水泥砂砾,这样从公路建设的经济性和实用性考虑都合算。二灰碎石90天耐冻系数的大小依次为5∶15∶80 ,8∶32∶60 ,10∶40∶50。

3.3 抗弯拉、抗疲劳性能结果分析

1) 抗弯拉强度由大到小的顺序是:水泥砂砾5:95>二灰碎石8:32:60>10:40:50。

2) 由疲劳方程可知：疲劳衰减速率依次是二灰碎石10:40:50<二灰碎石8:32:60<水泥砂砾5:95,这说明在相同的应力水平条件下,抗疲劳能力依次是: 二灰碎石10:40:50>二灰碎石8:32:60>水泥砂砾5:95。

3)极限弯拉强度较高者应该有较好的疲劳寿命。这说明,水泥砂砾抗弯拉强度比二灰碎石高,在一定程度上,能弥补其疲劳寿命比二灰碎石衰减过快的缺陷。

3.4 温度收缩试验结果分析

1) 从表7可以看出,二灰碎石在最佳含水量状态下,28天温度收缩系数随着碎石含量减少有增加的趋势;90 天这种趋势不是很明显。含水量发生大的变化,温度收缩系数也会发生很大的变化,本试验中,半风干状态下的温度收缩系数要明显小于饱水状态和最佳含水量状态下的温度收缩系数,仅为其1/3左右。

2)水泥砂砾在最佳含水量和饱水状态下,28天、90天温度收缩系数随龄期变化很小,在最佳含水量状态下,90天是28天温度收缩系数的1.07倍,在饱水状态下是0.99倍。最佳含水量状态和饱水状态90天的温度收缩系数是半风干状态的2倍多,由此可见,含水量变化对水泥砂砾温度收缩系数影响也非常大。

4 结论

1)水泥砂砾早期强度高,后期增幅比二灰碎石小。二灰碎石后期强度高,强度随着时间的增长,强度增幅大。二灰碎石抗疲劳性能与水泥砂砾相近。这表明,如果工程进度要求紧,那么,水泥砂砾是首选的基层类型。对于其他情况,则应该根据施工机具和地产材料的情况来选择基层类型。

2) 含水量对半刚性材料温度收缩性能有极大影响,因此,从抗开裂角度出发,半刚性材料的含水量不宜过大。

3)根据试验推荐的基层材料配合比为:二灰碎石(5～8):(15～32):(60～80),水泥砂砾(5～6):(94～95)。

参考文献：

[1] 沙爱民.半刚性路面材料结构与性能[M].北京:人民交通出版社, 1998.

[2] 丛林,等.半刚性基层材料性能参数的试验研究[J]. 建筑材料学报, 2001,4(4).

[3] 公路无机结合量材料试验规程(JTJ057-94)[M].北京:人民交通出版社,1994.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。