水泥稳定碎石基层材料性能参数的研究
摘要：针对芜宣高速公路半刚性基层水泥稳定碎石材料，通过大量的室内试验，测试分析了回弹模量、强度指标、干缩和温缩特性。结果表明，半刚性基层材料抗压模量和劈裂模量存在较大差异，动态模量约是静态模量的5.3～6倍；抗压强度和劈裂强度之间也存在显著差别，同时回归了抗压强度、劈裂强度随龄期的增长规律，为今后的施工质量控制提供参考依据。
关键词：水泥稳定碎石模量强度收缩性能
1、原材料及混合料组成
1.1试验材料水泥采用安徽芜湖海螺集团生产的普硅325#（海螺牌）；集料采用芜宣高速公路实际使用的由芜湖荆山石料厂生产的石灰岩碎石，共分0～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～37.5mm（方孔筛）四档规格。
1.2混合料配合比试验级配如表1所示。对模量、强度试验采用配合比设计中3种级配进行比较；对于收缩性能试验，为了解水泥碎石在水泥小剂量范围变化的情况下收缩特性，采用推荐的级配2并分别取用3个不同水泥掺量（4%、5%、6%）进行分析比较。
1.3试件制作与养护试件采用静压法成型，试件尺寸分为2种规格[1]，一种为1515cm圆柱体试件，进行抗压模量和劈裂模量、抗压强度和劈裂强度试验；另一种为10cm10cm40cm中梁试件，进行干缩和温缩试验，试件成型参数如表2所示。试件成型后用塑料袋密封，放置于标准养护室（温度为203℃，相对湿度90%以上）保湿养护。
2、回弹模量（静态、动态）试验半刚性基层模量是路面设计和分析中的一个重要参数，它反映了半刚性材料在荷载作用下的变形特性。
国内路面材料模量的测定多以静态实验为主，这种方法中试件受力状态与路面结构真实应力状态差异较大，不能真正反映路面材料实际的力学性质。本次实验采用MTS810材料实验系统，进行了半刚性基层抗压回弹模量（静态、动态）、劈裂模量（静态、动态）试验。
MTS试验系统具有比较完善的动态试验功能，可根据试验需要自行设定动载程式（波形、频率、加载序列、荷载间歇时间等）。系统加载由液压伺服系统控制，荷载频率不宜超过30Hz.国外研究表明路面材料的实际受力频率一般在10Hz左右，适合MTS试验系统的要求。
试验的最大荷载为试件抗压强度的30%并在试验中作适当调整，保证实验过程产生足够的弹性变形同时也可以与同类实验的研究成果相比较。按照《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97），水泥稳定碎石3个月后逐步趋于稳定，设计参数测定以3个月龄期为准。本次试验测定3个月龄期的模量值，试验结果如表3所示。
同一级配不同的水泥用量对模量的影响并不是很大，另外可知压缩试验的动态模量为静载条件下的回弹模量的5.3～6倍；劈裂试验的动态模量为静态模量的3倍左右，显然动态模量和静态模量之间存在明显不同，采用何种模量参数进行路面结构分析，对疲劳寿命影响很大[2]，因此在路面设计中应对拟建道路实际所用材料的性能参数进行系统试验，以反映符合实际情况的参数值。
3、强度试验及增长规律本次试验测试了3种级配的抗压强度和劈裂强度，以资比较。对于推荐级配2，分别测试了6个龄期（7d、14d、28d、60d、90d、180d）的无侧限抗压强度和劈裂强度，平行试件3个，以分析强度随龄期的增长规律。
对于级配2，从各个不同龄期看，在本试验水泥用量4～6%的范围内，抗压强度和劈裂强度均随着水泥掺量增加而增加；抗压强度和劈裂强度之间存在着良好的关系，抗压强度与劈裂强度的比值均在7.833～9.830之间范围内变化。
4、室内收缩试验
4.1干缩试验芜宣高速公路线路区内属长江水系，地表水系较发达，年降雨量较大，年平均湿度为80%，因而研究水泥稳定碎石基层的干缩试验尤为重要。关于半刚性基层材料的干缩特性目前还没有统一的测定标准，本次试验主要利用手持应变仪（精度0.001mm）测量小梁在一定失水率下的收缩变形。
将级配2的三个不同水泥用量（4%、5%、6%）在室内制备试件，试件成型压力为500550KN，试件经过7d保温保湿养护后取出，以20cm为标距，在试件的顶面安装测头，放在天然湿度下风干，本次试验室内温度始终保持在20℃左右。观测不同时间试件的重量和变形，直至含水量不再减小，试件体积基本维持不变为止。
本次干缩试验共测试了14d的变形，根据累积干缩应变计算干缩系数d：d=di/i（公式1）
式中：di累计干缩应变（10-6）；I失水量。
4.2温缩试验
1）本次试验采用同济大学道路与交通工程教育部重点实验室研制的JNZS-2001A路面材料胀缩试验仪测定。将养护14d的试件取出后，安装20cm的测头，然后放置于路面材料温缩试验仪中。
2）温度范围根据芜宣高速公路所经过地段的气候、水文资料，区内多年平均气温16.6℃，多年平均最冷月气温2.7℃～2.0℃，极限最低温度为-8.9℃，多年平均最高月气温为27℃～28.6℃，因此将温度控制范围划为25℃～-5℃，每5℃为一级，每级温度至少静置6h，可以认为试件内外温度达到一致。
3）温缩试验的起始温度为25℃。在设定温度下放置6h后将试件取出，用手持应变仪快速测定试件变形。然后将试件放回温缩仪中，使温缩试验仪密封，调至下一温度设定值，进行下一级试验。
4）根据公式（2）计算温度收缩系数T，其中T为温度间隔Ti+1-TO条件下的试验变形，相同试件的温缩系数取平行试验的平均值。
T=T/（Ti+1-T0）公式（2）
式中：T累计温缩应变（10-6）；Ti+1当前温度（℃）；T0起始温度（℃）。
从表7和图3中可以看到，水泥稳定级配碎石的温缩应变随温度的降低而逐渐增大，在25℃～-5℃温区之间，水泥掺量的变化对水泥碎石的温缩特性的影响并不明显。从总体看，半刚性基层材料的干缩应变与温缩应变相比，在正温度范围内由温度引起的应变相对要小得多。
5、结论
通过对芜宣高速公路水泥稳定碎石基层混合料的模量、强度、收缩性能的试验，建立了抗压强度、劈裂强度随龄期的增长规律方程，具有良好的相关性，可为今后工程施工质量的控制提供参考依据；半刚性基层材料通过不同的试验方法测得的弹性模量相差较大，静态模量和动态模量之间也存在着明显差别；强度指标也存在一定的差异，而路面结构的实际工作状态（力学模型、材料的性质）都与现行的静态力学体系有着较大的差距，因此研究动态荷载作用下的路面结构的动力特性和动力参数显得尤为重要。半刚性基层材料在温度或湿度的变化时会发生收缩，易产生开裂，当沥青路面面层较薄时，易形成反射裂缝，通过干缩和温缩特性的测试，为今后的施工提供重要的指导作用，也为路面开裂的进一步分析提供依据。