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昆明水泥制品厂,水泥稳定碎石基层材料微裂力学特性研究

来源:http://www.ygsnc.com/news/56.html       发布时间:2018-05-02

绪论

交通运输部于2015年4月发布的《2014年交通运输行业发展统计公报》显示,截至2014年底,我国公路总里程已达到446.39万km,其中二级及以上公路里程54.56万km,居世界首位。在我国已建成的高等级公路沥青路面中有约90%的沥青路面结构采用半刚性材料作为基层。而在各种半刚性基层中,水泥稳定碎石材料由于具有早期强度高、稳定性好、整体性强的特点,多年来一直是我国路面结构基层的主要类型。

基层作为路面结构承重层,其主要任务是保证在规定的设计使用期内、规定的交通和环境条件下不发生严重破坏。但水稳碎石基层摊铺、碾压完成后的养护期间通常会产生收缩裂缝。这种收缩裂缝,在交通荷载与温度荷载重复作用下,很容易形成长裂缝扩散到面层形成反射裂缝,导致基层强度、刚度下降或路面服务寿命降低,甚至造成整个路面结构的破坏。为了减轻或减少水泥稳定类基层反射裂缝,微裂技术应运而生。

水稳碎石基层材料早期微裂后,其力学强度恢复是一个很复杂的物理和化学过程,要受很多因素影响,包括水泥稳定碎石基层混合料结构类型、水泥剂量、微裂实施时间、微裂损伤程度、微裂荷载作用以及养生条件等。因此,掌握不同影响因素下水稳碎石材料早期微裂力学性能变化规律,是成功实施微裂技术的关键。只有深入研究微裂对水稳碎石基层材料力学性能影响,才能正确的理解和分析微裂技术,为合理、经济地设计沥青路面结构提供理论基础,这对于减轻水泥稳定类基层沥青路面反射裂缝的发生,保证沥青路面使用性能和延长路面使用寿命都具有重要的经济与现实意义,值得研究和推广应用。

水泥稳定碎石基层微裂机理及试验方案设计

水泥稳定碎石基层微裂机理

水稳碎石基层材料微裂后会产生间距很近的微细裂缝网络,在一定程度上可减少基层材料早期收缩应力。并且,由于基层材料微裂进行的比较早,这些细裂缝会随着水泥的水化而自愈,同时水稳碎石材料强度会随龄期继续增加,所以,微裂缝不会影响到路面结构的整体承载能力。微裂技术之所以能够应用于水泥稳定类基层,减少收缩裂缝,主要基于以下3点:①微细裂缝传荷能力比较好,也不会反射到路面,能减少裂缝宽度,预防大的有害裂缝的形成,也可以减少基层材料开裂的总量;②早期养护期间,水泥稳定材料强度只是暂时损失,其强度会在之后的养护期间自愈,完全能满足路面结构对强度的要求;③微裂技术对基层材料整体性结构并没产生影响。

水泥稳定碎石基层微裂试验方案设计

试验原材料。本研究选用天津水泥厂生产的骆驼牌矿渣硅酸盐水泥,依据规范对水泥各项性能进行了质量检测,具体检测结果满足规范要求。集料来自于沧州市吴桥公路站料场,集料粒径分0~5、5~10、10~20、20~31.5mm四挡,岩性都是石灰岩,对集料主要指标检测满足规范要求。

微裂技术试验方案设计。水泥稳定碎石基层微裂技术受多种因素影响。通过对不同龄期和不同水泥剂量试件进行微裂可知,养生1d后进行微裂的试样微裂损伤程度最大在15%~20%,养生2d和3d后进行微裂的试样微裂损伤程度最大35%~45%,而研究实验设计要求20%~40%微裂程度,因此微裂实施时间选择2~3d。

本文拟定室内试样成型和微裂损伤程度控制试验所采用DZY—09型振动压实仪的主要振动参数为:振动频率30Hz、静压力1900N、振幅为25mm。微裂损伤程度控制通过振动压实仪振动时间实现[10,11]。通过振动击实试验求得不同水泥剂量(3%、4%和5%)下水泥稳定碎石混合料最大干密度为2.397、2.402和2.405g/cm3及最佳含水量分别为4.23%、4.10%和4.20%。

根据测定的水稳碎石混合料的最大干密度和最佳含水量,选择压实度98%,通过振动压实仪成型直径×高为150mm×150mm的圆柱形试件,试件成型后脱模。将脱模后的水稳碎石试件放于标准养护室进行养生。在制备不同微裂损伤程度试件过程中,同一水平试件数量为6个。求抗压强度降低百分率的平均值作为该水平下的微裂程度。

微裂后水稳碎石材料力学特性变化规律

研究早期微裂后的水稳碎石是一种存在微损伤并且有一定自愈能力的材料。在不同的养生龄期内,不同水泥剂量和不同微损伤程度的水稳碎石材料力学强度恢复能力也存在差异。而微裂后的水稳碎石材料力学性能能否恢复,关系到了微裂技术的成败。本文主要研究多因素作用下微裂技术对水稳碎石材料强度的影响,并总结出微裂后水稳碎石材料自愈力学规律。

微裂后水稳碎石材料无侧限抗压强度变化规律

标准养生2d后微裂的试样无侧限抗压强度发展规律。针对3种水泥剂量3%、4%和5%的水稳碎石材料,每种水泥剂量微裂实施时间为2d和3d,每种微裂时间有3种抗压强度损伤程度20%、30%和40%,通过对微裂后的试件分别进行7d、14d和28d养护龄期的无侧限抗压强度试验。将不同微裂程度的试件标准养生至规定龄期的前一天,浸水24h后取出并把试件表面水分擦干净,放到万能试验机的升降台上,通过万能试验机计算机程序控制升降台以1mm/min的速率加载至试件破坏,并记录试件破坏时的压力。通过试件无侧限抗压强度抗压强度公式得到无侧限抗压强度。

可以看出:对水泥剂量3%~5%,微损伤程度20%和30%左右的试样,养生7d后无侧限抗压强度可分别恢复到标准养生龄期强度的86%~88%和82%~86%左右,且完全满足规范强度标准要求,再养生7d可分别恢复到标准养生龄期强度的93%~96%和90%~93%左右,养生至28d强度可恢复到标准养生龄期强度的97%~98%和95%~97%,已基本愈合;对于40%微裂损伤程度的试样,养生7d后抗压强度恢复到标准养生龄期强度的80%~84%左右,再养生7d后强度恢复到标准养生强度的85%~88%左右,养生至28d强度恢复不到标准养生强度的90%,还达不到微损伤程度为20%和30%的试样14d的恢复程度,可见40%微裂损伤程度的试样由于微损伤程度过大,强度得不到完全恢复。

标准养生3d后微裂的试样无侧限抗压强度发展规律。

针对3%~5%水泥剂量,对于20%和30%微裂损伤程度的试样,养生7d后抗压强度能分别恢复至标准养生龄期强度的85%~87%和82%~85%左右,再养生7d后强度能分别恢复到标准养生龄期强度的90%~93%和88%~90%左右,养生至28d强度可恢复到标准养生强度的94%~96%和92%~95%,对比不同微裂养生龄期的抗压强度回复程度可以看出,标准养生3d后微裂的试样强度愈合能力要低于养生3d的强度愈合能力;对于40%微裂损伤程度的试样,养生7d后抗压强度恢复到标准养生龄期强度的76%~81%左右,再养生7d强度恢复到标准养生强度的84%~87%左右,养生至28d强度同样恢复不到标准养生强度的90%,即微损伤程度过大,强度得不到完全恢复。

微裂后水稳碎石材料劈裂强度变化规律

针对3种水泥剂量3%、4%、5%的水稳碎石材料,每种水泥剂量微裂实施时间为2d和3d,每种微裂时间有3种抗压强度损伤程度20%、30%和40%,通过对微裂后的试件分别进行7、14,28d养护龄期的无侧限抗压强度试验。将不同微裂程度的试件标准养生至规定龄期的前一天,浸水24h后取出并把试件表面水分擦干净,先将装有上下压条的夹具放到压力试验机的升降台上,之后再把试件横置在上下压条之间并调整两压条与试件的接触线位于试件直径两端。通过压力试验机控制升降台以1mm/min的速率加载至试件破坏,并记录试件破坏时的最大压力。通过试件间接抗拉强度公式Ri=0.004178Ph(MPa)得到劈裂强度。

标准养生2d后微裂的试样劈裂压强度发展规律。

针对3%~5%水泥剂量,对于20%和30%抗压强度损伤程度的试样,养生7d后劈裂强度能够分别恢复到标准养生龄期强度的79%~81%和72%~77%左右,再养生7d后劈裂强度可恢复到标准养生龄期强度的88%~91%和84%~88%左右,养生至28d强度能恢复到标准养生强度的94%~97%和92%~96%左右,基本可以愈合;而对于40%抗压强度损伤程度的试样,养生7d后劈裂强度可恢复到标准养生龄期强度的67%~73%左右,再养生7d后强度恢复到标准养生强度的80%~85%左右,养生至28d劈裂强度只恢复到标准养生龄期强度的89%。即微损伤程度过大,劈裂强度得不到完全恢复。

标准养生3d后微裂的试样劈裂压强度发展规律。

针对3%~5%水泥剂量,对于20%和30%抗压微裂损伤程度的试样,继续养生4d后劈裂强度能分别恢复到标准养生龄期强度的75%~81%和61%~70%左右,再养生7d后劈裂强度能恢复到标准养生龄期强度的85%~89%和77%~85%左右,养生至28d强度能恢复到标准养生强度的92%~95%和86%~94%左右,标准养生3d后微裂的试样强度愈合能力要低于标准养生2d后微裂的试样愈合能力;对于40%微裂损伤程度的试样,继续养生4d后抗压强度恢复到标准养生龄期强度的53%~59%左右,再养生7d后强度恢复到标准养生强度的71%~77%左右,养生至28d强度同样恢复不到标准养生强度的90%。即微损伤程度过大,劈裂强度得不到完全恢复。

小结

不同影响因素作用下的水稳碎石材料强度随养生龄期的恢复能力也不同。本文主要对不同水泥剂量(3%、4%和5%)、不同微裂实施时间(未微裂、标准养生2d后微裂和标准养生3d后微裂)以及不同微裂损伤程度(20%、30%和40%)的水稳碎石基层材料的抗压强度和劈裂强度这两个主要路用性能指标随养生龄期的变化规律进行了详细的试验研究,对微裂后水稳碎石力学性能演化规律总结如下:

①对于标准养生2d和3d后进行微裂、抗压强度损伤程度为20%~30%左右的试样,养生至7d,测得的试样无侧限抗压强度和劈裂强度基本都能恢复至标准养生龄期的80%和75%以上,养生至14d则能恢复到标准养生龄期强度的90%和85%以上,养生至28d强度可恢复到标准养生龄期的95%左右,基本可以完全恢复。对于40%抗压强度损伤程度的试样,养生至28d强度不能恢复到标准养生龄期强度的90%,微损伤程度过大,强度得不到完全恢复。因此,对于标准养生2d和3d后进行微裂,抗压强度损伤程度为20%~30%左右时,试样的28d抗压强度和劈裂强度基本能够恢复到标准养生龄期强度,但40%抗压强度损伤程度却无法恢复到标准养生龄期强度。

②就微裂后基层材料的抗压强度和劈裂强度愈合能力而言,标准养生2d后进行微裂的试样强度的恢复能力要高于标准养生3d后进行微裂的试样强度的恢复能力;20%~30%的抗压强度损伤程度的愈合能力要强于40%及以上微裂损伤程度的愈合能力。此外,水泥剂量在3%~5%时,对于相同龄期和相同微裂损伤程度的试样,无侧限抗压强度和劈裂强度恢复能力都随水泥剂量的增加而增大。因此,就水稳碎石试样微裂后强度的恢复情况而言,在应用微裂技术过程中,选择水泥剂量为5%,养生2d后进行微裂,对应的抗压强度损伤程度在20%~30%较为合适。

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