【技术】水泥稳定碎石抗压回弹模量影响因素分析
作者：河南长通公路工程勘察设计有限责任公司 杨海正
摘要：基层的抗压特性可以反映出基层承受由路面面层传递下来的竖向荷载的反复作用的能力，低温条件下温度对抗压回弹模量的影响较大，本文通过分析不同养生温度、养生龄期和水泥用量对混合料抗压回弹模量的影响。
关键词：水泥稳定碎石；抗压回弹模量；影响因素分析
半刚性基层沥青路面材料的参数主要是结构层材料的抗压回弹模量，抗压回弹模量不仅是反映路面材料力学性能的主要指标之一，又是路面设计中力学计算和厚度计算的主要参数之一，因此本文通过室内试验对影响抗压回弹模量的因素时行了系统的分析研究。
1.抗压回弹模量试验
原材料主要包括水泥和集料，集料为凝灰岩,水泥为普通 32. 5水泥。经检验，二者各项技术指标均满足规范中相关的要求。级配组成见表1所示。
表1 集料级配组成
|
通过筛孔（mm）的质量百分率/% |
|||||||
|
31.5 |
26.5 |
19 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
0.6 |
0.075 |
|
100 |
93.9 |
77.6 |
52.4 |
36.5 |
27.7 |
12.9 |
4.6 |
本试验通过利用环境箱对 15cm×15cm 的圆柱体试件进行不同温度下的养生，平行试件为4个，在 0℃、5℃、10℃和20℃的环境中养生3天和 7 天，然后测定不同养生温度条件下的抗压回弹强度，试验结果见表2。
表2 抗压回弹模量试验结果
|
水泥用量/% |
养生温度/℃ |
不同龄期/d的抗压强度/MPa |
|
|
3 |
7 |
||
|
3 |
0 |
193 |
407 |
|
3 |
5 |
225 |
606 |
|
3 |
10 |
520 |
874 |
|
3 |
20 |
856 |
1080 |
|
4 |
0 |
225 |
545 |
|
4 |
5 |
382 |
743 |
|
4 |
10 |
876 |
1096 |
|
4 |
20 |
1044 |
1326 |
|
5 |
0 |
330 |
608 |
|
5 |
5 |
523 |
990 |
|
5 |
10 |
1058 |
1199 |
|
5 |
20 |
1282 |
1375 |
2.试验结果数据分析
2.1养生温度对不同龄期抗压回弹模量的影响
不同养生温度条件下的抗压回弹模量随养生温度的变化如图1和图2所示。由图1和图2可见，不论3天还是7天养生龄期，水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量均随养生温度的上升而增长。从图3.10可以看出，养生温度在5℃到10℃这个区间内，水泥稳定碎石的抗压回弹模量增长的比较快，而从图3.11可以看出，养生温度在0℃到10℃这个区间内，水泥稳定碎石的抗压回弹模量增长的比较快。
对于3天龄期而言，0~5℃之间，养生温度对3个水泥用量回弹模量的影响较小，模量增长比较缓慢；5~10℃之间，随着养生温度的升高，混合料模量开始明显增长，5%和6%表现尤为明显；10℃以后，养生温度升高对不同水泥用量混合料的作用基本相同，模量持续增大。
混合料养生7天时，养生温度对混合料模量的影响与3天龄期有所不同。0~10℃之间，养生温度对混合料抗压回弹模量有明显影响，且水泥用量越大，影响越明显，随着温度的升高，影响程度逐渐减弱。5%水泥用量混合料在养生温度高于5℃以后，模量增长的较为明显。当养生温度高于10℃以后，养生温度对混合料模量的影响已很小，而提高养生温度对提高混合料模量的贡献已很小。
从以上分析可以看出，养生温度对抗压回弹模量的影响很大，从模量随温度的变化图可以看出，当养生温度在5℃到10℃之间时，抗压回弹模量增长的最快，因此在工程中，当水泥稳定碎石基层的养生龄期较短时，若不能保证水泥稳定基层的标准养生温度，可以把养生温度控制在5℃以上，这样可以使抗压回弹模量快速的增长，从而满足道路的使用要求。
图1 3天龄期抗压回弹模量与养生温度的关系
图2 7天龄期抗压回弹模量与养生温度的关系
2.2水泥用量对不同龄期抗压回弹模量的影响
随着水泥用量的增大，水泥稳定碎石不同养生温度下的抗压回弹模量变化情况如图3和图4所示。由图3和图4可见，两个养生龄期的混合料，随着水泥用量的增大，不同养生温度的混合料抗压回弹模量均呈增长趋势，而且水泥用量对3天养生龄期的混合料抗压回弹模量影响更明显。在3天养生龄期条件下，养生温度为0℃和5℃时，水泥用量对抗压回弹模量的影响不明显，但当养生温度大于5℃时，水泥用量对抗压回弹模量的影响较大，而在7天养生龄期条件下，当养生温度大于5℃时，水泥用量对抗压回弹模量的影响就开始增大。
对于相同养生温度，水泥用量越大抗压回弹模量越大，这是因为水泥用量的增加使得水泥水化反应的产物增加，反应生成的胶结物在增加，水泥与骨料间的作用也在增加，所以抗压回弹模量在增大。如图3.12 所示，4个养生龄期的强度变化曲线基本相似，当养生温度为0℃时，5%水泥用量比3%水泥用量混合料的模量高出0.7倍，当养生温度为5℃时，5%水泥用量比3%水泥用量混合料的模量高出1.32倍，但当养生温度为10℃时，5%水泥用量比3%水泥用量混合料的模量只高出1.03倍，7天养生的混合料也有类似现象。这就说明水泥用量对抗压回弹模量的影响程度也是一个先增大后减小的过程，当温度在5℃到10℃时，水泥用量对回弹模量的影响效果最好。同时可以看出，4%水泥用量的模量受温度影响变化较明显，所以推荐最小水泥用量为4%。
图3 3天龄期抗压回弹模量与水泥用量的关系
图4 7天龄期抗压回弹模量与水泥用量的关系
2.3影响因素综合分析
由前述分析可知，对不同温度条件下抗压回弹模量影响较大的因素有养生温度、养生龄期和水泥用量，为了便于应用，通过对所得试验数据进行回归,得出不同温度条件下抗压回弹模量与养生温度、养生龄期和水泥用量的关系式：
式中：——不同温度条件下的抗压回弹模量，MPa；
c——水泥用量，%；
d——养生龄期，天；
T——养生温度，℃。
公式相关性R2=0.922，利用回归公式计算得出的抗压回弹模量与实测值对比见表 3.8。
表3 抗压回弹模量实测值、计算值及误差
|
水泥用量/% |
养生龄期/d |
养生温度/℃ |
实测值/Mpa |
计算值/Mpa |
误差/% |
|
3 |
3 |
0 |
193 |
172 |
11.9 |
|
3 |
3 |
5 |
225 |
237 |
5.1 |
|
3 |
3 |
10 |
520 |
512 |
1.5 |
|
3 |
3 |
20 |
856 |
902 |
5 |
|
3 |
7 |
0 |
407 |
393 |
3.6 |
|
3 |
7 |
5 |
606 |
588 |
3.1 |
|
3 |
7 |
10 |
874 |
783 |
11.6 |
|
3 |
7 |
20 |
1080 |
1172 |
7.8 |
|
4 |
3 |
0 |
225 |
265 |
15.1 |
|
4 |
3 |
5 |
382 |
410 |
6.8 |
|
4 |
3 |
10 |
876 |
775 |
13 |
|
4 |
3 |
20 |
1044 |
1065 |
1.9 |
|
4 |
7 |
0 |
545 |
556 |
1.9 |
|
4 |
7 |
5 |
743 |
750 |
0.9 |
|
4 |
7 |
10 |
1096 |
965 |
135 |
|
4 |
7 |
20 |
1236 |
1335 |
7.4 |
|
5 |
3 |
0 |
330 |
348 |
5.1 |
|
5 |
3 |
5 |
523 |
643 |
18.6 |
|
5 |
3 |
10 |
1058 |
938 |
12.8 |
|
5 |
3 |
20 |
1282 |
1227 |
4.4 |
|
5 |
7 |
0 |
608 |
708 |
14.1 |
|
5 |
7 |
5 |
990 |
913 |
8.4 |
|
5 |
7 |
10 |
1199 |
1108 |
8.2 |
|
5 |
7 |
20 |
1375 |
1498 |
8.1 |
通过对水泥稳定碎石无侧限抗压强度试验与分析，得出混合料无侧限抗压强度随养生龄期、水泥用量和养生温度的增加而增大。标准养生条件下，养生龄期对无侧限抗压强度的影响更明显，应注意7天龄期到28天龄期这个阶段的养生环境；不同温度条件下，养生温度对无侧限抗压强度的影响较大，在工程实际应用中，应尽量提高3天养生龄期内的养生温度，大于3天龄期时，只要保证养生温度在7℃以上，温度对强度的形成就不会造成明显影响。
3.结论
由水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量试验得出，抗压回弹模量随养生龄期、水泥用量和养生温度的增加而增大。在低温环境下，施工中建议水泥稳定碎石基层的最小养生温度为5℃，最小水泥用量为4%。
[1]呙贵春等.水泥稳定碎石无侧限抗压强度与抗压回弹模量的关系[J].公路,2007.1
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