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半刚性基层抗裂技术研究 天津市市政 公路 工程研究院赵可工学博士正高级工程师注册咨询工程师电话 022 233495432 问题的提出 没有较好的评价半刚性基层抗裂能力的指标 规范确定的半刚性材料级配范围太宽 室内试验的试件成型方式与现场碾压工艺不配套 二灰碎石混和料配合比设计没有量化方法 3 静压与振动成型方式下混和料路用性能及优化结果对比 解决方法原则 强度满足要求 抗裂能力最佳 4 半刚性材料抗裂指标 半刚性材料拉应力和拉应变之间存在一定量关系 即劈裂模量ep 其中 p 劈裂拉应力 mpa h 试件直径 mm l 试件侧向回弹变形 mm 干缩应力抗裂系数公式 其中 pmax 试件劈裂破坏时产生的极限拉应力 d 干缩试验试件失水率达到2 5 时的平均干缩应变 ep 劈裂模量 干缩应变抗裂系数 其中 max 为试件劈裂破坏时的极限应变 d 干缩试验试件失水率达到2 5 时的平均干缩应变 干缩抗裂系数 干缩抗裂系数越大 半刚性材料抗裂能力越强 干缩抗裂系数必须大于1 如小于1 说明材料在2 5 的失水率下因拉应力及拉应变过大而破坏 5 静压法研究内容 0 075mm通过率对水泥碎石强度及干缩特性影响 级配及水泥剂量对水泥碎石强度及干缩特性的影响 用干缩系数评价水泥碎石混和料抗干缩能力 提出静压法优化水泥碎石混和料配合比优化结果 6 0 075mm通过率不同的水泥稳定碎石级配表 7 0 075mm通过率对水泥碎石强度及干缩特性影响研究结论 数据见鉴定资料之二第5页表4 2 第6页图4 1 水泥剂量相同 0 075mm通过率增加 混和料最佳含水量 最大干密度增大 0 075mm通过率相同 水泥剂量增加 混和料最佳含水量 最大干密度增大 0 075mm通过率大小对混合料7天 28天无侧限抗压强度影响较小 而对90天 180天无侧限抗压强度影响显著 表现为0 075mm通过率越大 强度越高 由最大干缩应变比值可以看出 水泥稳定碎石混合料中0 075mm通过率增加 最大干缩应变增大 8 级配及水泥剂对强度及干缩特性影响研究结论 数据见鉴定资料之二第6页表4 4及第7页图4 2 级配表 9 结论 水泥剂量增加 混合料早期强度增大 对于级配a b 水泥用量每增加1 混合料无侧限抗压强度增加平均约为40 由级配a b的体积指标分析结果可知 级配b更接近于骨架密实结构 而级配a为悬浮密实结构 因此理论上说 在相同水泥含量下 级配b应比级配a有更高的抗压强度 但由显著性水平为0 05的无重复试验方差分析结果得到的结论为 水泥剂量对混合料无侧限抗压强度有显著影响 而级配对混合料无侧限抗压强度无显著影响 由于以上原因 实际施工时如只考虑混合料强度特征 那么只需重视水泥剂量足够 室内静压成型试件强度一般都可以达到要求 而级配则可以在很大的范围内调整 但由此造成的负面影响 混合料抗裂能力差 一般很少考虑 水泥剂量增加 水泥稳定碎石混合料干缩应变及干缩系数增大 级配b混合料干缩应变 干缩系数小于级配a混合料 10 用干缩抗裂系数指标评价水泥稳定碎石混合料抗干缩能力 由上表 相同水泥剂量下 级配b混合料干缩抗裂系数为级配a混合料的1 32倍 证明相同水泥剂量下 级配b混合料抗干缩能力优于级配a混合料 11 静压法优化结果 在所研究范围内 0 075mm通过率对强度有影响 表现为0 075mm通过率增加 长龄期试件强度增大 但0 075mm通过率大 混合料干缩应变增大 水泥剂量对强度影响显著 要提高强度 增加水泥剂量是最有效的措施 但水泥剂量增加也混和料干缩应变及干缩系数增大 级配对强度无显著影响 但级配b抗裂能力优于级配a 所以依据强度满足要求 抗裂性能最佳的原则进行水泥稳定碎石混合料配合比设计 由以上分析 静压法提出的最优配合比为 级配采用级配b 0 075mm通过率为0 综合考虑抗裂特性及强度 水泥剂量为5 100 6 100 12 振动法优化水泥稳定碎石混合料配合比研究内容 振动频率30hz 偏心块夹角30度 激振力7612n 静面压力140kpa 振幅1 4mm 振动总时间2min 选用a b两种级配 用振动法确定最佳含水量及最大干密度 后成型试件测无侧限抗压强度及干缩应变 干缩系数 振动成型方式下级配及水泥剂量对混和料强度影响 振动成型方式下级配及水泥剂量对混和料干缩特性影响 振动法优化水泥稳定碎石混和料配合比结果 13 振动成型水泥稳定碎石混合料强度影响研究结果 试验数据见鉴定资料之二第8页表4 6 级配相同时 水泥剂量越大 混合料强度越高 对于级配a 混合料强度由水泥剂量为3 时的4 9mpa增加到水泥剂量为6 时的8 88mpa 即水泥剂量增加1 混合料强度平均提高12 对于级配b 混合料强度由水泥剂量3 时的6 51mpa增加到水泥剂量为6 时的10 08mpa 水泥剂量增加1 混合料强度平均提高18 2 水泥剂量相同时 级配a混合料7天无侧限抗压强度均小于级配b混合料 比值平均为1 25 显著性水平为0 05的无重复试验方差分析结果表明 对于振动成型试件 水泥剂量及级配对混合料的7天无侧限抗压强度均有显著影响 14 振动成型方式下级配及水泥剂量对混和料干缩特性影响 数据见鉴定资料之二第9页图4 4 4 5 试验结果表明 无论级配如何 相同失水率下的振动成型试件干缩应变及干缩系数均小于静压成型试件的干缩应变及干缩系数 成型方式相同的条件下 级配b的干缩应变及干缩系数均小于级配a的干缩应变及干缩系数 15 振动法优化水泥稳定碎石混合料配合比结果 在所研究范围内 级配及水泥剂量对强度均有显著影响 即水泥剂量相同时级配b无侧限抗压强度大于级配a 水泥剂量增加 强度增加 相同水泥剂量下 振动成型试件干缩应变 干缩系数小于静压成型试件 且以b级配振动成型试件干缩应变 干缩系数最小 综合分析振动法强度及干缩试验结果认为 最优级配为级配b 优化水泥剂量为3 5 100 4 5 100 与静压法不同 振动法研究结果表明水泥稳定碎石混合料可以达到强度及抗裂能力同时增加的最优效果 只要级配合理 没有必要通过增加水泥用量 牺牲一部分抗裂能力为代价换取强度的合格 用振动法优化的水泥稳定碎石混合料达到了抗裂能力最佳 水泥剂量少 强度合格及工程造价降低的最佳效果 16 静压与振动成型方式下混和料路用性能及优化结果对比 静压法与振动法确定的水泥稳定碎石混合料最佳含水量 最大干密度比较静压法与振动法成型试件强度特征比较静压法与振动法成型试件吸水率大小比较静压法与振动法成型试件劈裂强度及抗压模量比较静压法与振动法成型试件抗干缩能力比较分析击实与振动作用对级配衰退的影响分析振动法与静压法优化水泥稳定碎石混合料配合比结果比较 17 振动法确定的最大干密度均大于重型击实法确定的最大干密度 且级配b最大干密度的增加更大 说明骨架密实型水泥碎石混合料更适合于振动成型 且在振动成型方式下此混合料能获得更大的密实度 水泥剂量相同 振动成型试件7天饱水无侧限抗压强度比静压成型有很大提高 级配a b混合料无侧限抗压强度振动成型方式下平均分别为静压成型试件的1 99倍 2 39倍 同为振动成型试件 级配b强度比级配a强度增大更多 振动成型试件的吸水率远小于静压成型试件的吸水率 相同失水率下a b两种级配的振动成型试件干缩应变及干缩系数均小于静压成型试件的干缩应变及干缩系数 由试验结果 振动法对级配变化影响比击实法影响要小 尤其对2 36mm以下的级配变化已没有影响 依据强度满足要求 抗裂性能最佳的原则 用静压成型方式优化的水泥稳定碎石混合料配合比结果为 级配采用级配b 0 075mm通过率为0 综合考虑抗裂特性及强度 水泥剂量为5 6 而对于振动成型方式 综合分析混合料强度及干缩特性认为 最优级配为级配b 优化水泥剂量为3 5 4 5 与静压法不同 振动法研究结果表明水泥稳定碎石混合料可以达到强度及抗裂能力同时增加的最优效果 只要级配合理 没有必要通过增加水泥用量 牺牲一部分抗裂能力为代价换取强度的合格 用振动法优化的水泥稳定碎石混合料达到了抗裂能力最佳 水泥剂量少 强度合格及工程造价降低的最佳效果 18 试验工程结论 混和料强度检测结果 现场振动压实混和料强度与室内振动混和料强度相当 19 2 研究优化级配现场振动压实后整体强度高 见鉴定资料之三第54页表6 8 20 3 优化的混合料施作的基层抗裂能力强一个月后对试验段1进行了调查 结果表明试验段无裂缝 而与试验段1相接的非试验段采用原设计级配 水泥用量与试验段相同 发现600m内有5条裂缝 21 4 优化的混和料施作的基层板体性好 整体强度高 22 5 优化的混和料在振动作用下容易压实 23 本课题根据振动法提出的优化级配可应用于现场施工 且施作的基层有良好的路用性能 使用优化级配的混合料现场压实度应以振动击实的最大干密度作为标准来控制 根据试验段及生产段检测结果可以看出课题提出的骨架密实型混合料具有如下优点 压实容易 强度高 抗裂性能好 基层板体性好 整体强度高 水泥稳定碎石混和料基层施工中含水量对压实度有直接影响 含水量过小 混和料难以压实 结论 24 25 26 二灰碎石混和料抗裂技术研究 27 研究内容 二灰碎石混和料配合比设计方法研究成型方式对二灰碎石混和料路用性能影响对比研究二灰碎石混和料早强技术研究 28 设计基本原则 将二灰碎石分成二个组成结构层次 第一层次 由石灰 粉煤灰 水和细集料组成的二灰砂浆 它是二灰碎石中的主要粘结成分 必须具有足够的强度和粘结力 起填充 粘结作用 第二层次 粗集料颗粒紧密排列形成良好的骨架结构 砂浆填充骨架的空隙 并将骨架粘结成一个稳定的整体 既充分发挥了粗集料的骨架作用 又利用了砂浆的粘结力 29 设计方法 结合料比例的确定 二灰砂浆配合比的确定 安排了3因素4水平的正交试验 细集料级配按k法计算 k值分别取0 6 0 65 0 7 0 75 二灰与细集料重量比分别为50 50 60 40 70 30 80 20 二灰中石灰粉煤灰重量比分别为1 2 1 2 6 1 3 1 4 以二灰砂浆的无侧限抗压强度为判据选择最佳的二灰砂浆配比 粗骨料级配的确定 以振实密度最大的粗集料级配作为粗集料最佳级配形式 粗细集料比例的确定 按照前述设计思想 按照体积法进行骨料与砂浆的配比的计算 使得设计的二灰碎石混和料以主骨料形成骨架嵌挤 使其空隙率最小 二灰砂浆以最大密实度填充于主骨料空隙中 从而形成骨架密实结构的二灰碎石混合料 30 设计结果 石灰 粉煤灰 集料 5 15 80 31 强度比较 不同配比二灰碎石混合料抗压强度 mpa 由上表可以看出 两种不同级配配比的混合料无侧限抗压强度随龄期的增长而增大 且本研究优化的级配其抗压强度在各龄期均大于规范推荐级配配比的抗压强度 因此从无侧限抗压强度来考虑 本文优化的二灰碎石混合料级配配比优于 规范 推荐的级配配比 32 干缩特性比较 33 结论 研究提出的骨架密实型二灰碎石混合料具有如下特点 细集料少 粗集料形成紧密骨架结构 结合料含量根据空隙率大小计算确定 排除了随意性 确保胶结料既达到最大密实 又不对集料产生撑持作用而破坏骨架结构 从而使骨架密实结构二灰碎石混合料具有强度高 抗裂能力强的优点 34 成型方式对二灰碎石混合料路用性能影响对比研究 振动成型试件最佳含水量 最大干密度均大于静压成型试件 振动作用下二灰碎石混合料强度有极显著的提高 振动成型混合料抗压强度变异系数小于静压成型混合料 振动成型试件吸水率只是静压成型试件吸水率的四分之一 1 强度 35 2 干缩应变 用千分表法分别测量优化级配及配比为20 80的静压 振动成型试件的干缩应变 由干缩试验结果 两种不同成型方式的二灰碎石混合料其干缩应变在相同失水率下差别很大 振动成型的二灰碎石其干缩应变在不同失水率下均小于规范推荐级配的二灰碎石混合料 因此如以干缩应变为判据 振动成型二灰碎石混合料具有良好的抗裂特性 3