无侧限抗压强度试验原理(CTB-50水泥稳定碎石抗冻性能研究)

Posted 2023-05-28

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无侧限抗压强度试验原理(CTB-50水泥稳定碎石抗冻性能研究)

杨明 蒋应军 李明杰 陈浙江 何岩 王煜鑫 田甜

河南省交通基本建设质量检测站 长安大学公路学院 金华交通投资集团有限公司 许昌市公路事业发展中心

摘 要：为评价最大粒径为53 mm的水泥稳定碎石(CTB-50)抗冻性能，研究了冻融循环次数、级配类型、水泥剂量对水泥稳定碎石抗冻性能的影响，并建立了冻融强度劣化系数预测模型。结果表明：随冻融循环次数增加，水泥稳定碎石抗冻性能先急剧降低，冻融7次后抗冻性能不再有显著变化；水泥稳定碎石存在冻融强度极限劣化系数，CTB-50为0.845,比CTB-30的0.795提升了约6.3%;相同冻融次数后CTB-50与CTB-30无侧限抗压强度比值至少为1.15,且随冻融次数增加，强度比值增大，可达1.27;随水泥剂量增加，水泥稳定碎石冻融强度劣化系数有所增大，但并不明显。

关键词：CTB-50水泥稳定碎石;抗冻性能;冻融强度极限劣化系数;无侧限抗压强度;

基金：陕西省交通科技项目,项目编号21-48k;河南省交通科技项目,项目编号2020J-2-295;

水泥稳定碎石半刚性基层具有强度高、刚性大、稳定性好、材料来源广泛等优点，在公路建设中得到了广泛地应用。目前，我国常用水泥稳定碎石最大粒径为37.5 mm(CTB-30)[1,2,3,4]。力学观点和表面积理论认为，颗粒粒径越大，集料稳定性、嵌挤情况越好，且颗粒比表面积越小、所需的水泥剂量越低，理论上有较好的路用性能[5,6]。国计凯[7]、关笑楠[8]经研究认为，最大粒径为53 mm的水泥稳定碎石抵抗开裂能力优于最大粒径为37.5 mm的水泥稳定碎石。相关研究也认为，集料粒径的大小和相互间的嵌挤情况等均影响水泥稳定碎石的力学强度、耐久性[9,10,11,12],粒径越大，其路用性能越好。因此，最大粒径为53 mm的CTB-50比传统的CTB-30有更好的路用性能，有可能会成为未来的一个研究方向[13]。抗冻性能是水泥稳定碎石重要路用性能之一，境内外学者对水泥稳定碎石抗冻性能进行了大量研究：Xu等[14]分析了冻融循环对多孔水泥稳定碎石物理、力学性能的影响规律；Setzer[15]建立了一种微冰透镜模型，从微观角度阐述了水稳材料的冻融破坏的机理；林敏等[16]、马士宾等[17]、盛燕萍等[18]、熊锐等[19]、宋云连等[20,21]、Pham等[22]、张祺等[23]分别研究了早强剂、共聚物涂覆的改性橡胶、黏度时变(SJP)胶结材料对水泥稳定碎石抗冻性能的影响，认为以上外掺剂的加入均能提高水泥稳定碎石的抗冻性能；介少龙等[24]建立了基于Morgan-Mers-Flodin(MMF)模型的路基水泥稳定碎石基床冻融耐久性劣化模型，认为无侧限抗压强度和抗折强度可表征水泥稳定碎石的冻融耐久性劣化规律；梁春雨等[25]、黄祯敏等[26]经研究发现，骨架结构的抗冻性能明显优于悬浮结构，细集料含量多的水泥稳定碎石抗冻性能差；朱文强[27]通过室内试验研究了冻融作用下水泥稳定碎石力学性能变化规律，并分析了冻融循环对水泥稳定碎石疲劳性能的影响；王天亮等[28]、刘玉辉等[29]、田宇翔等[30]研究了养生温度、颗粒粒径、水泥剂量、冻融循环次数等因素对水泥稳定碎石抗冻性能的影响。但以上有关抗冻性能的研究多基于最大粒径≤37.5 mm的水泥稳定碎石展开，对最大粒径为53 mm的CTB-50抗冻性能研究未有报道。鉴于此，本文以垂直振动法成型水泥稳定碎石试件，研究了冻融循环次数、级配类型、水泥剂量等对其抗冻性能的影响，成果可供工程实践参考。

1 试验方案

1.1原材料及混合料组成

1.1.1原材料

粗集料为石灰岩，按粒径大小分为5档，其技术指标见表1。细集料技术指标见表2。水泥为普通硅酸盐水泥P.O 42.5,技术指标见表3。

表1 粗集料技术指标 导出到EXCEL

表2 细集料技术指标 导出到EXCEL

表3 水泥技术指标 导出到EXCEL

1.1.2混合料组成

CTB-50混合料级配见表4。表4中还给出了CTB-30级配。

表4 矿料级配 导出到EXCEL

水泥剂量拟采用1.5%、2.5%、3.5%。

1.2试验方法

1.2.1试件成型方法

垂直振动击实仪如图1所示。其工作参数要求：振动频率为30 Hz; 名义振幅为1.2 mm; 上下车质量分别为122 kg、180 kg。

图1 垂直振动击实仪 下载原图

采用垂直振动击实仪成型尺寸为ϕ200 mm×h200 mm的圆柱体试件，振动时间为120 s。

1.2.2冻融试验方法

冻融试验方法按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行。

(1)将制备好的试件置于温度为20℃±2℃、相对湿度为95%的环境中进行养生。

(2)将养生至规定龄期前(n+1)×24 h的试件从养生室中取出，其中n为冻融循环次数。将试件置于温度为20℃±2℃水中浸泡24 h后，取出试件置于-18℃环境箱中冻16 h, 然后取出试件放置温度为20℃±2℃水中8 h。该过程为冻融循环1次。如此冻融循环n次。

(3)将冻融循环n次后的试件取出，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测定其无侧限抗压强度，记为Rcn。

(4)将养生至规定龄期前24 h的试件从养生室取出并置于温度为20℃±2℃水中浸泡24 h, 按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测定其无侧限抗压强度，记为Rc。

(5)按式(1)计算冻融强度劣化系数Kn:

Kn=RcnRc         (1)Κn=RcnRc         (1)

2 试验结果及分析

2.1试验结果

水泥稳定碎石抗冻试验结果及冻融强度劣化系数分别见表5和表6。

表5 不同冻融次数下水泥稳定碎石无侧限抗压强度 导出到EXCEL

表6 不同冻融次数下水泥稳定碎石冻融强度劣化系数 导出到EXCEL

2.2影响因素分析

2.2.1冻融循环次数的影响

根据表6绘制出水泥稳定碎石的冻融强度劣化系数与冻融循环次数关系，见图2。

由图2可看出，随冻融次数增加，水泥稳定碎石冻融强度劣化系数降低；7次冻融循环后，水泥稳定碎石内部空隙扩张速率减慢，扩张基本停止，冻融强度劣化系数下降速率趋于平缓。从趋势来看存在一个冻融强度极限劣化系数，当冻融次数趋近于无限次时，水泥稳定碎石冻融强度劣化系数接近这个限值。分析其原因为，水泥稳定碎石内部存在许多空隙，若水分充满其内部空隙，结冰后将产生应力以及渗透压力，使得水泥稳定碎石中的空隙扩张，内部产生微小的裂缝，冻融反复作用，水泥稳定碎石的强度则不断下降。

冻融作用下的水泥稳定碎石存在冻融强度劣化系数函数，并存有3个边界条件。

(1)当n=0次时：

Kn=K0 (2)

(2)当n→∞时：

图2 水泥稳定碎石Kn～n之间关系 下载原图

Kn=K∞ (3)

(3)第3个边界条件为：

K0>K∞ (4)

式中：n为冻融循环次数；Kn为水泥稳定碎石冻融循环n次后强度劣化系数；K0为水泥稳定碎石未经冻融循环的强度劣化系数，即为1;K∞为水泥稳定碎石冻融强度极限劣化系数。

根据上述边界条件，建立水泥稳定碎石冻融强度劣化系数与冻融循环次数拟合关系式，见式(5):

Kn=K∞−K∞−1γn2+1         (5)Κn=Κ∞-Κ∞-1γn2+1         (5)

式中：γ为回归参数。

用式(5)拟合得到水泥稳定碎石冻融强度劣化系数预测模型，见图3。其相关参数见表7。

表7 水泥稳定碎石kn预测模型参数 导出到EXCEL

图3 水泥稳定碎石kn拟合曲线 下载原图

由图3可知，水泥稳定碎石冻融强度劣化系数与冻融循环次数之间存在函数关系。

2.2.2级配类型的影响

根据表5数据计算CTB-50和CTB-30冻融前后无侧限抗压强度比值，结果见表8。

表8 CTB-50和CTB-30冻融前后无侧限抗压强度比值 导出到EXCEL

由表8可知，相同冻融次数后CTB-50与CTB-30无侧限抗压强度比值至少为1.15,且随冻融次数增加，强度比值增大，可达1.27。这表明CTB-50混合料比CTB-30能经受更多次数的冻融作用。

由表7可知，CTB-50冻融强度极限劣化系数为0.845,比CTB-30 的0.795提升了约6.3%,也证明了由表8得到的观点。分析其原因为，CTB-50最大粒径为53 mm, 颗粒粒径比CTB-30更大，集料间的相互嵌挤作用更强，触发颗粒移动所需外力也更大，相比于传统CTB-30可以更有效地抵抗因水泥稳定碎石空隙中的水结冰而产生的应力以及渗透压力，因而抗冻性能更强。

2.2.3水泥剂量的影响

由表6可知，随水泥剂量增加，水泥稳定碎石冻融强度劣化系数有所增大，但并不明显。分析其原因为，随着水泥剂量增加，混合料中水化产物增多，集料间的黏结力更大，内部更加密实，抵抗冻融循环破坏能力增加。

3 结语

(1)研究了冻融循环次数与水泥稳定碎石无侧限抗压强度的关系，建立了冻融强度劣化系数预测模型，结果表明：随冻融循环次数增加，水泥稳定碎石抗冻性能先急剧降低，冻融7次后抗冻性能无显著变化；冻融强度劣化系数与冻融次数间具有函数关系。

(2)研究了级配类型对水泥稳定碎石抗冻融性能的影响，结果表明：水泥稳定碎石存在冻融强度极限劣化系数，CTB-50为0.845,比CTB-30 的0.795提升了约6.3%;相同冻融次数后CTB-50与CTB-30无侧限抗压强度比值至少为1.15,且随冻融次数增加，强度比值增大，可达1.27。

(3)研究了水泥剂量对水泥稳定碎石抗冻融性能的影响，结果表明：随水泥剂量增加，水泥稳定碎石冻融强度劣化系数有所增大，但并不明显。

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