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水泥稳定掺石灰土碎石力学性能试验分析

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水泥稳定掺石灰土碎石力学性能试验分析 叶培春 ,黄祯敏2,汪明福 (1.江西科力咨询监理有限公司,江西南昌(2.江西省交通科学研究院,江西南昌(3.中国第四冶金建设有限责任公司,江西330038) 330200) 南昌330025) 摘要:水泥稳定掺石灰土碎石的力学性能直接影响其应用公路等级及结构层位。依据混合料设 计强度要求,并结合工程实践经验预定试验水泥剂量,对水泥稳定细集料掺100% ̄灰土、掺50% 石灰土和不掺石灰土碎石混合料进行了力学性能试验及分析,表明水泥稳定细集料掺50%N灰 土碎石在提高材料密实度、抗压强度的同时减小了刚度,增强了基层材料的抗裂性能,具有更优 的应用效果;另外,三种类型混合料的7d抗压强度与各自90d劈裂强度及90d抗压回弹模量具 有良好的线性关系。 关键词:道路工程;水泥稳定碎石;废旧石灰土;力学性能;级配 0前言 1.1石灰土技术性质 将旧路面石灰稳定土底基层铣刨、破碎后过 4.75ram方孑L筛,并对过筛料进行比重试验、界限含 半刚性基层沥青路面是我国各等级公路的重 要路面结构形式,其中不少公路相继进入维修或改 建阶段。随着我国经济的大发展,各级公路交通量 及交通组成均发生了较大变化,重载、超载现象屡 禁不止。并受气候、水纹等条件的影响,使得我国各 等级公路路面在未达到使用寿命时产生较严重的 水率试验(0.6ram下颗粒)和击实试验,试验结果 如表1所示。同时,为检验石灰稳定土活性.对其进 行了EDTA滴定试验,发现石灰稳定土中结合料有 效剂量几乎为零,表明旧路面石灰稳定土经长时间 使用后结合料已基本反应完全。 表1 粉碎石灰土技术性质 破坏 ,提前进人了维修或改建阶段,并由此产生 了大量的废旧道路材料.关于废旧道路材料如何处 治利用一直是业界研究的热点问题。石灰稳定土在 以往低等级公路修建过程中常作为底基层材料,在 对旧路进行改造过程中.应考虑对其进行再生利 用.实现路用资源利用最大化。水泥稳定旧路材料 因具有优良性能而在我国旧路改造中得到较广泛 应用。为进一步确定水泥稳定旧路材料的适用性, 本文开展了不同水泥剂量、养生龄期下水泥稳定细 集料掺100%石灰土、掺50%石灰土和不掺石灰土碎 石的抗压强度、劈裂强度及抗压回弹模量试验,并 对三种类型混合料早期抗压强度与长龄期劈裂强 度及抗压回弹模量建立关系,实现多指标再生混合 料组成设计及施工过程质量控制。 本着旧路面材料再利用原则.本文对比研究了 细集料中掺不同比例石灰土水泥稳定碎石混合料 的力学性能。试验方案为将0~4.75mm石灰土全部或 50%替代0~4.75mm石屑,各档碎石掺配比例不变, 即细集料为100%石灰土、50%石屑+5O%石灰土或 100%石屑:4.75mm~9.5ram碎石:9.5mm~19mm碎 石:19~3 1.atom碎石=30:14:26:30。并依次表示为1# 混合料、2#混合料和3#混合料。考虑水泥稳定掺石 灰土碎石的应用公路等级及结构层位。依据混合料 1 水泥稳定掺石灰土碎石组成设计 作者简介:叶培春(1983一),男,江西余都人,工程师,毕业于长沙理工大学本科学历,现主要从事工程监理工作。 ·43· 设计强度,以此预定试验水泥剂量。结合工程实践 经验,水泥剂量采用3.5%、4.0%、4.5%,对不同水泥 剂量、石灰土掺量的水泥稳定碎石混合料进行重型 黻型歇 船一 雕徘 击实试验,试验结果,如表2所示。 表2不同石灰土掺量水泥稳定碎石混合料击实试验结果 ∞ ¨ m 协 m 如 ∞ 4 由表2可知.水泥剂量、各档集料掺配比例相同 时.水泥稳定细集料掺50%石灰土碎石混合料的最 大干密度最大.含水率适中;三种混合料的最大干 密度和最佳含水率均随水泥剂量的增加而增加,但 增加幅度不大。这与石灰土颗粒级配较石屑粗细有 关,比表面积大在相同条件下需水量大,更有利于 填充粗骨料空隙,形成密实整体。 2水泥稳定掺石灰土碎石抗压强度 抗压强度是无机结合料稳定材料组成设计指 标,同时早期抗压强度也是施工质量控制的重要指 标。根据不同剂量水泥稳定细集料掺100%石灰土、 掺50%石灰土和不掺石灰土混合料重型击实试验结 果,依次成型3.5%、4.0%、4.5%水泥剂量的 150ram ̄150ram圆柱体试件,每种水泥剂量成型27 个试件,标准养生7d、28d、90d后分别进行无侧限抗 压强度试验。试验结果如表3和图1所示。 表3不同水泥剂量和养生龄期三种类型 混合料抗压强度试验结果 养生龄期(d) 不同水泥髓‘ 合料抗压强度 混合料类型 1#2# 3# 1# 7 3-3 3.5 3.6 3.7 3.9 28 3.9 4.4 4.3 4.2 4.6 90 4-4 4.9 4.8 4.6 5.3 备注:为无侧限抗压强度代表值。 ·44· 图1 三种类型混合料抗压强度随水泥剂量 和养生龄期的变化曲线 由表3及图l可知,三种类型水泥稳定碎石的抗 压强度随水泥剂量的增加而增大,并随养生龄期的 延长而增大:水泥剂量、养生龄期、各档集料掺配比 例相同时。水泥稳定细集料掺100%石灰土碎石的抗 压强度最小.水泥稳定细集料掺50%石灰土碎石的 早期抗压强度略小于不掺石灰土水泥稳定碎石,但 前者的后期抗压强度大于后者。由于石灰土级配偏 细。其替代细集料用量较大时比表面积较大,水泥 剂量相同时,集料颗粒裹附水化产物数量较少,集 料问的粘结力较弱;而50%石灰土替代石屑时,优化 了细集料级配,充分填充了粗集料骨架空隙,形成 优良的骨架密实结构。 3水泥稳定掺石灰土碎石劈裂强度 劈裂强度是沥青路面结构设计指标。根据不同 剂量水泥稳定细集料掺100%石灰土、掺50%石灰土 和不掺石灰土混合料重型击实试验结果.依次成型 3.5%、4.0%、4.5%水泥剂量的150mm ̄150mm圆柱 体试件,每种水泥剂量成型27个试件,标准养生7d、 28d、90d后分别进行劈裂强度试验。试验结果,如表 4和图2所示 表4不同水泥剂量和养生龄期三种类型混合料 劈裂强度试验结果 养生龄期(d) 不同水泥剂量(%)下混合料劈裂强度 (MPa)混合料类型 1掸2# 3# 1# 2# 3# 1# 2# 3# 7 0.21 O.27 0.29 0.24 O-3 1 0.34 0.28 0.36 0-37 28 0_33 0_39 O.42 O.38 0.43 0.46 0.43 0.45 0.48 90 0,41 0.49 0.5 1 0.47 0.5 l 0.55 0.49 0.54 0.57 图2三种类型混合料劈裂强度随水泥剂量 和养生龄期的变化曲线 由表4及图2可知,水泥剂量、养生龄期、各档集 料掺配比例相同时,细集料中石灰土替代量越多, 水泥稳定掺石灰土碎石的劈裂强度越小。但水泥稳 定细集料掺50%石灰土碎石的劈裂强度与不掺石灰 土水泥稳定碎石的劈裂强度较接近。水泥稳定材料 劈裂强度主要与集料间的粘结力有关,水泥稳定掺 石灰土碎石中细集料比表面积较大,水泥剂量相同 时,细集料颗粒裹附水化产物数量较少,而且其本 身吸水率较大.部分水泥浆体被细集料颗粒吸收, 表现出集料间粘结力相对较弱。另外,增加水泥剂 量和延长养生时间,均能增加水化产物数量,提高 集料间的粘结力,故三种类型混合料随水泥剂量和 养生龄期变化劈裂强度增长较迅速。 4水泥稳定掺石灰土碎石抗压回弹 模量 抗压回弹模量是沥青路面结构设计指标。根据 不同剂量水泥稳定细集料掺100%石灰土、掺50%石 灰土和不掺石灰土混合料重型击实试验结果,依次 成型3.5%、4.0%、4.5%水泥剂量的 ̄150mm ̄15Omm 圆柱体试件。每种水泥剂量成型9个试件,标准养生 90d后分别进行抗压回弹模量试验。试验结果,如表 5所示 表5不同水泥剂量和养生龄期三种类型混合料 抗压回弹模量试验结果 养生龄期 不同水泥剂量(%)下混合料抗压回弹模量 (d)(MPa) 混合料类型1#2#3# l#2#3# l#2#3# 90 1032 1188 1249 l109 l202 1325 1167 1298 1427 由表5可知,水泥剂量、养生龄期、各档集料掺 配比例相同时,细集料中石灰土替代量越多。水泥 稳定掺石灰土碎石的抗压回弹模量越小:与强度指 标相比,水泥稳定掺石灰土碎石抗压回弹模量随水 泥剂量变化的增长幅度不大。对于水泥稳定碎石基 层材料,往往由于材料本身刚度过大而容易发生开 裂,细集料中掺入石灰土能减小材料刚度,有利于 提高基层材料的抗裂性能。 5长龄期力学指标预估 7d抗压强度作为无机结合料稳定材料的质量 控制指标,为了利用长龄期劈裂强度和抗压回弹模 量等材料力学指标能够起到控制无机结合料稳定 材料质量的目的,实现水泥稳定掺石灰土碎石的多 指标质量控制目的。试验水泥剂量为3.5%~4.5%,水 泥稳定掺石灰土碎石的7d抗压强度与90d劈裂强 度、90曲℃压回弹模量的回归曲线关系,见图3。^Bd芝v 嘿i受§{;po钟  O O O 0 0 O O 6 S 4 3 2 1 0 0 .048x+0.340 === =O.o脚9 ——二=j =:二一————一’ y 0R.0 41x +O.347 。994一… 一lI :R2=0.885 一掺100% 灰土 ◆掺50%石荻t ▲掺O%打扳_t 3 S 7d抗压强度(MPa) 7d抗压强度(MPa) 图3不同力学指标间的回归关系曲线 ·45· ▲S O 由图3可知,水泥稳定细集料掺100%石灰土、掺 泥稳定细集料掺1 00%石灰土、掺50%石灰土和不掺 50%石灰土和不掺石灰土碎石混合料的7d抗压强度 与各自90d劈裂强度及90d抗压回弹模量具有良好 的线性关系(除掺50%石灰土混合料的7d抗压强度 与90d劈裂强度线性关系较弱外)。从而可通过不同 石灰土掺量水泥稳定碎石混合料的7d抗压强度预 估材料的90d劈裂强度及90d抗压回弹模量。 石灰土碎石混合料的7d抗压强度与各自90d劈裂强 度及90d抗压回弹模量具有良好的线性关系。 参考文献: 【1】廖晓峰,陈忠达,蒋应军,雷茂锦.施工期间高速公路水泥 稳定碎石基层裂缝研究『J】.广西大学学报(自然科学版), 2012,37(4):716-722. 6结语 通过对水泥稳定细集料掺100%石灰土、掺50% 石灰土和不掺石灰土混合料进行不同水泥剂量、养 生龄期的抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量试 [2]王艳,倪富健,李强,李再新.水泥稳定碎石基层横向收缩 裂缝控制研究【J】.公路交通科技,2008,25(2):45_49. 【31岳红宇,陈加富.水泥稳定碎石基层成型早期内部温度场 解析与温缩裂缝控制[J1.公路交通科技,2008,25(7):32— 36. 验.试验结果表明:水泥稳定细集料掺50%石灰土碎 石混合料的最大干密度、长龄期抗压强度最大;水 泥稳定细集料掺50%石灰土碎石的早期抗压强度、 劈裂强度和抗压回弹模量略小于不掺石灰土水泥 稳定碎石,说明水泥稳定细集料掺50%石灰土碎石 在提高材料抗压强度的同时减小了刚度,增强了基 层材料的抗裂性能,具有更优的应用效果。此外.水 +。+ +一+ +“+一+一+-+*+一+·— 一+ +-+-+··+一+*+一+一+“+.-+一+一+ +[4]李明杰,蒋应军,戴经梁.水泥稳定碎石缩裂机理及在级配 设计中应用[J】.武汉理工大学学报,2010,32(3):1 ,8. 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University of Hong Kong,Hong Kong,2006. 性能是有利的,对泡沫沥青再生基层路面结构设计 起到一定的指导作用 参考文献: [8邓学钧.路基路面工程【8]M】.北京:人民交通出版社, 2005,116-159. 【9】严金海,倪福建,杨梅坤.乳化沥青冷再生混合料的间接拉 伸疲劳性能[J】.建筑材料学报,2011,01:58—61. …1曹翠星,何桂平,孙成仁.泡沫沥青冷再生技术【J】.公路, 2003,11:99—102. 【l0]栗关裔.泡沫沥青冷再生技术的应用研究【D】.【硕士学位 论文1.上海:同济大学,2008. 【1 1】Bowering R H,Martine C L.Foamed bitumen production of mixtures evaluation and performance of pavements fJ]. Materials Science Forum.2012,724:147—150. [2】徐金枝.泡沫沥青及泡沫沥青冷再生混合料技术性能研究 【D】:【博士学位论文】.西安:长安大学,2007. f3】Lancaster J,Arthur L,Warwich R.The experience with ·46· 

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