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昆明水泥製品廠,水泥穩定碎石基層材料微裂力學特性研究

來源:http://www.tzdongtian.com/news/56.html       發布時間:2018-05-02

緒論

交通運輸部於2015年4月發布的《2014年交通運輸行業發展統計公報》顯示,截至2014年底,我國公路總裏程已達到446.39萬km,其中二級及以上公路裏程54.56萬km,居世界首位。在我國已建成的高等級公路瀝青路麵中有約90%的瀝青路麵結構采用半剛性材料作為基層。而在各種半剛性基層中,水泥穩定碎石材料由於具有早期強度高、穩定性好、整體性強的特點,多年來一直是我國路麵結構基層的主要類型。

基層作為路麵結構承重層,其主要任務是保證在規定的設計使用期內、規定的交通和環境條件下不發生嚴重破壞。但水穩碎石基層攤鋪、碾壓完成後的養護期間通常會產生收縮裂縫。這種收縮裂縫,在交通荷載與溫度荷載重複作用下,很容易形成長裂縫擴散到麵層形成反射裂縫,導致基層強度、剛度下降或路麵服務壽命降低,甚至造成整個路麵結構的破壞。為了減輕或減少水泥穩定類基層反射裂縫,微裂技術應運而生。

水穩碎石基層材料早期微裂後,其力學強度恢複是一個很複雜的物理和化學過程,要受很多因素影響,包括水泥穩定碎石基層混合料結構類型、水泥劑量、微裂實施時間、微裂損傷程度、微裂荷載作用以及養生條件等。因此,掌握不同影響因素下水穩碎石材料早期微裂力學性能變化規律,是成功實施微裂技術的關鍵。隻有深入研究微裂對水穩碎石基層材料力學性能影響,才能正確的理解和分析微裂技術,為合理、經濟地設計瀝青路麵結構提供理論基礎,這對於減輕水泥穩定類基層瀝青路麵反射裂縫的發生,保證瀝青路麵使用性能和延長路麵使用壽命都具有重要的經濟與現實意義,值得研究和推廣應用。

水泥穩定碎石基層微裂機理及試驗方案設計

水泥穩定碎石基層微裂機理

水穩碎石基層材料微裂後會產生間距很近的微細裂縫網絡,在一定程度上可減少基層材料早期收縮應力。並且,由於基層材料微裂進行的比較早,這些細裂縫會隨著水泥的水化而自愈,同時水穩碎石材料強度會隨齡期繼續增加,所以,微裂縫不會影響到路麵結構的整體承載能力。微裂技術之所以能夠應用於水泥穩定類基層,減少收縮裂縫,主要基於以下3點:①微細裂縫傳荷能力比較好,也不會反射到路麵,能減少裂縫寬度,預防大的有害裂縫的形成,也可以減少基層材料開裂的總量;②早期養護期間,水泥穩定材料強度隻是暫時損失,其強度會在之後的養護期間自愈,完全能滿足路麵結構對強度的要求;③微裂技術對基層材料整體性結構並沒產生影響。

水泥穩定碎石基層微裂試驗方案設計

試驗原材料。本研究選用天津水泥廠生產的駱駝牌礦渣矽酸鹽水泥,依據規範對水泥各項性能進行了質量檢測,具體檢測結果滿足規範要求。集料來自於滄州市吳橋公路站料場,集料粒徑分0~5、5~10、10~20、20~31.5mm四擋,岩性都是石灰岩,對集料主要指標檢測滿足規範要求。

微裂技術試驗方案設計。水泥穩定碎石基層微裂技術受多種因素影響。通過對不同齡期和不同水泥劑量試件進行微裂可知,養生1d後進行微裂的試樣微裂損傷程度最大在15%~20%,養生2d和3d後進行微裂的試樣微裂損傷程度最大35%~45%,而研究實驗設計要求20%~40%微裂程度,因此微裂實施時間選擇2~3d。

本文擬定室內試樣成型和微裂損傷程度控製試驗所采用DZY—09型振動壓實儀的主要振動參數為:振動頻率30Hz、靜壓力1900N、振幅為25mm。微裂損傷程度控製通過振動壓實儀振動時間實現[10,11]。通過振動擊實試驗求得不同水泥劑量(3%、4%和5%)下水泥穩定碎石混合料最大幹密度為2.397、2.402和2.405g/cm3及最佳含水量分別為4.23%、4.10%和4.20%。

根據測定的水穩碎石混合料的最大幹密度和最佳含水量,選擇壓實度98%,通過振動壓實儀成型直徑×高為150mm×150mm的圓柱形試件,試件成型後脫模。將脫模後的水穩碎石試件放於標準養護室進行養生。在製備不同微裂損傷程度試件過程中,同一水平試件數量為6個。求抗壓強度降低百分率的平均值作為該水平下的微裂程度。

微裂後水穩碎石材料力學特性變化規律

研究早期微裂後的水穩碎石是一種存在微損傷並且有一定自愈能力的材料。在不同的養生齡期內,不同水泥劑量和不同微損傷程度的水穩碎石材料力學強度恢複能力也存在差異。而微裂後的水穩碎石材料力學性能能否恢複,關係到了微裂技術的成敗。本文主要研究多因素作用下微裂技術對水穩碎石材料強度的影響,並總結出微裂後水穩碎石材料自愈力學規律。

微裂後水穩碎石材料無側限抗壓強度變化規律

標準養生2d後微裂的試樣無側限抗壓強度發展規律。針對3種水泥劑量3%、4%和5%的水穩碎石材料,每種水泥劑量微裂實施時間為2d和3d,每種微裂時間有3種抗壓強度損傷程度20%、30%和40%,通過對微裂後的試件分別進行7d、14d和28d養護齡期的無側限抗壓強度試驗。將不同微裂程度的試件標準養生至規定齡期的前一天,浸水24h後取出並把試件表麵水分擦幹淨,放到萬能試驗機的升降台上,通過萬能試驗機計算機程序控製升降台以1mm/min的速率加載至試件破壞,並記錄試件破壞時的壓力。通過試件無側限抗壓強度抗壓強度公式得到無側限抗壓強度。

可以看出:對水泥劑量3%~5%,微損傷程度20%和30%左右的試樣,養生7d後無側限抗壓強度可分別恢複到標準養生齡期強度的86%~88%和82%~86%左右,且完全滿足規範強度標準要求,再養生7d可分別恢複到標準養生齡期強度的93%~96%和90%~93%左右,養生至28d強度可恢複到標準養生齡期強度的97%~98%和95%~97%,已基本愈合;對於40%微裂損傷程度的試樣,養生7d後抗壓強度恢複到標準養生齡期強度的80%~84%左右,再養生7d後強度恢複到標準養生強度的85%~88%左右,養生至28d強度恢複不到標準養生強度的90%,還達不到微損傷程度為20%和30%的試樣14d的恢複程度,可見40%微裂損傷程度的試樣由於微損傷程度過大,強度得不到完全恢複。

標準養生3d後微裂的試樣無側限抗壓強度發展規律。

針對3%~5%水泥劑量,對於20%和30%微裂損傷程度的試樣,養生7d後抗壓強度能分別恢複至標準養生齡期強度的85%~87%和82%~85%左右,再養生7d後強度能分別恢複到標準養生齡期強度的90%~93%和88%~90%左右,養生至28d強度可恢複到標準養生強度的94%~96%和92%~95%,對比不同微裂養生齡期的抗壓強度回複程度可以看出,標準養生3d後微裂的試樣強度愈合能力要低於養生3d的強度愈合能力;對於40%微裂損傷程度的試樣,養生7d後抗壓強度恢複到標準養生齡期強度的76%~81%左右,再養生7d強度恢複到標準養生強度的84%~87%左右,養生至28d強度同樣恢複不到標準養生強度的90%,即微損傷程度過大,強度得不到完全恢複。

微裂後水穩碎石材料劈裂強度變化規律

針對3種水泥劑量3%、4%、5%的水穩碎石材料,每種水泥劑量微裂實施時間為2d和3d,每種微裂時間有3種抗壓強度損傷程度20%、30%和40%,通過對微裂後的試件分別進行7、14,28d養護齡期的無側限抗壓強度試驗。將不同微裂程度的試件標準養生至規定齡期的前一天,浸水24h後取出並把試件表麵水分擦幹淨,先將裝有上下壓條的夾具放到壓力試驗機的升降台上,之後再把試件橫置在上下壓條之間並調整兩壓條與試件的接觸線位於試件直徑兩端。通過壓力試驗機控製升降台以1mm/min的速率加載至試件破壞,並記錄試件破壞時的最大壓力。通過試件間接抗拉強度公式Ri=0.004178Ph(MPa)得到劈裂強度。

標準養生2d後微裂的試樣劈裂壓強度發展規律。

針對3%~5%水泥劑量,對於20%和30%抗壓強度損傷程度的試樣,養生7d後劈裂強度能夠分別恢複到標準養生齡期強度的79%~81%和72%~77%左右,再養生7d後劈裂強度可恢複到標準養生齡期強度的88%~91%和84%~88%左右,養生至28d強度能恢複到標準養生強度的94%~97%和92%~96%左右,基本可以愈合;而對於40%抗壓強度損傷程度的試樣,養生7d後劈裂強度可恢複到標準養生齡期強度的67%~73%左右,再養生7d後強度恢複到標準養生強度的80%~85%左右,養生至28d劈裂強度隻恢複到標準養生齡期強度的89%。即微損傷程度過大,劈裂強度得不到完全恢複。

標準養生3d後微裂的試樣劈裂壓強度發展規律。

針對3%~5%水泥劑量,對於20%和30%抗壓微裂損傷程度的試樣,繼續養生4d後劈裂強度能分別恢複到標準養生齡期強度的75%~81%和61%~70%左右,再養生7d後劈裂強度能恢複到標準養生齡期強度的85%~89%和77%~85%左右,養生至28d強度能恢複到標準養生強度的92%~95%和86%~94%左右,標準養生3d後微裂的試樣強度愈合能力要低於標準養生2d後微裂的試樣愈合能力;對於40%微裂損傷程度的試樣,繼續養生4d後抗壓強度恢複到標準養生齡期強度的53%~59%左右,再養生7d後強度恢複到標準養生強度的71%~77%左右,養生至28d強度同樣恢複不到標準養生強度的90%。即微損傷程度過大,劈裂強度得不到完全恢複。

小結

不同影響因素作用下的水穩碎石材料強度隨養生齡期的恢複能力也不同。本文主要對不同水泥劑量(3%、4%和5%)、不同微裂實施時間(未微裂、標準養生2d後微裂和標準養生3d後微裂)以及不同微裂損傷程度(20%、30%和40%)的水穩碎石基層材料的抗壓強度和劈裂強度這兩個主要路用性能指標隨養生齡期的變化規律進行了詳細的試驗研究,對微裂後水穩碎石力學性能演化規律總結如下:

①對於標準養生2d和3d後進行微裂、抗壓強度損傷程度為20%~30%左右的試樣,養生至7d,測得的試樣無側限抗壓強度和劈裂強度基本都能恢複至標準養生齡期的80%和75%以上,養生至14d則能恢複到標準養生齡期強度的90%和85%以上,養生至28d強度可恢複到標準養生齡期的95%左右,基本可以完全恢複。對於40%抗壓強度損傷程度的試樣,養生至28d強度不能恢複到標準養生齡期強度的90%,微損傷程度過大,強度得不到完全恢複。因此,對於標準養生2d和3d後進行微裂,抗壓強度損傷程度為20%~30%左右時,試樣的28d抗壓強度和劈裂強度基本能夠恢複到標準養生齡期強度,但40%抗壓強度損傷程度卻無法恢複到標準養生齡期強度。

②就微裂後基層材料的抗壓強度和劈裂強度愈合能力而言,標準養生2d後進行微裂的試樣強度的恢複能力要高於標準養生3d後進行微裂的試樣強度的恢複能力;20%~30%的抗壓強度損傷程度的愈合能力要強於40%及以上微裂損傷程度的愈合能力。此外,水泥劑量在3%~5%時,對於相同齡期和相同微裂損傷程度的試樣,無側限抗壓強度和劈裂強度恢複能力都隨水泥劑量的增加而增大。因此,就水穩碎石試樣微裂後強度的恢複情況而言,在應用微裂技術過程中,選擇水泥劑量為5%,養生2d後進行微裂,對應的抗壓強度損傷程度在20%~30%較為合適。

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