水稳是什么作用(CTB-50水泥稳定碎石抗冻性能研究)
Posted
篇首语：若我是万千繁星其中一个，你便是我的星轨，使我昼夜不知停。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水稳是什么作用(CTB-50水泥稳定碎石抗冻性能研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
水稳是什么作用(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
粗集料 | 表观相 | 针片状颗 | 吸水 | 压碎 | 磨耗 | 坚固 |
| 2.786 | 2.1 | 0.41 | |||
| 2.769 | 7.5 | 0.59 | |||
| 2.761 | 7.1 | 0.91 | 17.9 | 18.9 | 3.8 |
| 2.731 | 12.9 | 12.9 | |||
| 2.729 | - | 0.79 |
表2 细集料技术指标 导出到EXCEL
| 表观相 | 泥块 | 压碎 | 亚甲蓝(MB)值/(g/kg) |
| 2.728 | 0.0 | 16 | 0.8 |
| ≥2.5 | ≤1.0 | ≤20 | ≤1.0 |
表3 水泥技术指标 导出到EXCEL
| 细度%细度% | 安定性mm安定性mm |
| 抗压强度/MPa | 抗弯拉强度/MPa | |||
| 终凝 | 3 d | 28 d | 3 d | 28 d | |||
测试值 | 2.68 | 2.5 | 219 | 426 | 22.30 | 48.20 | 5.80 | 8.06 |
| ≤10.0 | ≤5.0 | ≥45 | ≤600 | ≥21.0 | ≥42.5 | ≥4.0 | ≥7.0 |
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
|
| ||||||||
| 37.5 | 31.5 | 19 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 0.6 | 0.075 | |
CTB-30 | 100.0 | 100.0 | 94.0 | 64.0 | 42.0 | 32.0 | 24.0 | 12.0 | 4.5 |
| 100.0 | 70.0 | - | 60.0 | 42.0 | 34.0 | 26.0 | 14.0 | 4.5 |
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
| 水泥剂 |
| |||||
0 | 1 | 3 | 5 | 7 | 10 | ||
| 1.5 | 9.5 | 9.1 | 8.8 | 8.5 | 8.2 | 8.1 |
| 13.2 | 12.8 | 12.4 | 11.9 | 11.6 | 11.4 | |
| 15.6 | 15.3 | 14.7 | 14.2 | 13.7 | 13.6 | |
| 1.5 | 8.2 | 7.8 | 7.5 | 7.0 | 6.7 | 6.6 |
| 10.9 | 10.5 | 10.0 | 9.5 | 9.2 | 8.9 | |
| 13.6 | 13.2 | 12.6 | 12.0 | 11.4 | 11.3 | |
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
| 水泥剂 |
| |||||
0 | 1 | 3 | 5 | 7 | 10 | ||
| 1.5 | 1.00 | 0.96 | 0.93 | 0.89 | 0.86 | 0.85 |
| 1.00 | 0.97 | 0.94 | 0.90 | 0.88 | 0.86 | |
| 1.00 | 0.98 | 0.94 | 0.91 | 0.88 | 0.87 | |
| 1.5 | 1.00 | 0.95 | 0.91 | 0.85 | 0.82 | 0.80 |
| 1.00 | 0.96 | 0.92 | 0.87 | 0.84 | 0.82 | |
| 1.00 | 0.97 | 0.93 | 0.88 | 0.84 | 0.83 | |
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
|
| ||
K∞ | γ | 相关系数R2 | |
CTB-50 | 0.845 | 0.083 | 0.915 |
| 0.795 | 0.080 | 0.913 |
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
|
| |||||
0 | 1 | 3 | 5 | 7 | 10 | |
1.5 | 1.16 | 1.17 | 1.18 | 1.21 | 1.22 | 1.23 |
| 1.21 | 1.22 | 1.24 | 1.25 | 1.27 | 1.27 |
| 1.15 | 1.16 | 1.16 | 1.19 | 1.20 | 1.20 |
| 1.17 | 1.18 | 1.19 | 1.22 | 1.23 | 1.23 |
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。
参考文献
[1] 周浩，沙爱民.半刚性材料疲劳性能材料组成影响因素分析[J].武汉理工大学学报，2012,34(1):41-45.
[2] 蒋应军，曹帆，陈浙江，等.垂直振动成型水泥稳定碎石疲劳特性及应用[J].长安大学学报：自然科学版，2014,34(4):1-6.
[3] 蒋应军.基于振动法设计的抗裂型水泥稳定碎石基层应用研究[J].公路，2008,(12):36-41.
[4] Deng C,Jiang Y,Lin H,et al.Mechanical-strength-growth law and predictive model for cement-stabilized macadam[J].Construction and Building Materials,2019,215(AUG.10):582-594.
[5] 雷力.大粒径集料嵌锁型材料的防裂扩展机理及应用研究[D].武汉理工大学，2019.
[6] 胡力群，沙爱民.骨架密实结构水泥稳定碎石粗集料抗破碎性能研究[J].公路，2005,(6):153-157.
[7] 国计凯.超大粒径嵌挤结构水稳破口砾石路面基层试验研究[D].河北工程大学，2018.
[8] 关笑楠.大粒径水泥稳定碎石抗裂性能试验研究[D].浙江大学，2006.
[9] 蒋应军，李明杰，张俊杰，等.水泥稳定碎石强度影响因素[J].长安大学学报：自然科学版，2010,30(4):1-7.
[10] 蒋应军，王富玉，刘斌.水泥稳定碎石强度特性的试验研究[J].武汉理工大学学报，2009,31(15):52-57.
[11] 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):1-4+8.
[12] Jiang Y,Tian T,Deng C,et al.Effects of Cement Content,Curing Period,Gradation,and Compaction Degree on Mechanical Behavior of Cement-Stabilized Crushed Gravel Produced via Vertical Vibration Test Method[J].Advances in Civil Engineering,2020,2020(2):1-13.
[13] 上官宇浩.超大粒径CTB-50水泥稳定碎石路用性能及设计方法研究[D].长安大学，2021.
[14] Xu B,Yang Z,Zhao L,et al.Study on the antifreeze performance of porous cement stabilized macadam[J].Construction and Building Materials,2019,208:13-22.
[15] Setzer M J .Micro-Ice-Lens Formation in Porous Solid[J].Journal of Colloid and Interface Science,2001,243(1):193-201.
[16] 林敏，郑学文，宋云连.早强水泥稳定碎石材料抗冻性能试验研究[J].硅酸盐通报，2015,34(2):475-480.
[17] 马士宾，高建强，魏建慧，等.低温早强水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度和抗冻性能研究[J].硅酸盐通报，2019,38(3):756-761.
[18] 盛燕萍，李亮亮，关博文，等.高寒地区水镁石纤维早强型水泥稳定碎石的路用性能研究[J].冰川冻土，2018,40(2):355-361.
[19] 熊锐，杨晓凯，房建宏，等.高寒地区超早强水泥稳定碎石力学性能试验研究[J].材料导报，2015,29(S2):542-545.
[20] 宋云连，刘雁军，林敏.路用早强水泥稳定碎石材料抗冻性能试验研究[J].公路，2015,60(6):193-198.
[21] 宋云连，李龙生，刘雁军，等.早强剂对水泥稳定材料抗冻性能的影响[J].公路交通科技，2016,33(3):18-23.
[22] Pham N P,Toumi A,Turatsinze A .Effect of an enhanced rubber-cement matrix interface on freeze-thaw resistance of the cement-based composite[J].Construction and Building Materials,2019,207(MAY 20):528-534.
[23] 张祺，裴向军，张晓超，等.黏度时变水泥稳定碎石材料抗冻性能试验研究[J].长江科学院院报，2019,36(11):152-156.
[24] 介少龙，岳祖润，孙铁成，等.水泥稳定碎石基床冻融劣化试验及模型研究[J].科学技术与工程，2021,21(8):3318-3324.
[25] 梁春雨，郭有蒙，张利东，等.季冻区多指标水泥稳定碎石性能评价及级配优选[J].吉林大学学报：工学版，2020,50(3):998-1005.
[26] 黄祯敏，肖敏，彭波，等.基于细集料填充系数的水泥稳定碎石性能研究[J].公路，2017,62(3):29-35.
[27] 朱文强.冻融条件下水泥稳定碎石力学性能变化规律试验研究[D].哈尔滨工业大学，2015.
[28] 王天亮，宋宏芳，郭卓豪，等.水泥掺量和颗粒级配对碎石基床冻融特性影响的试验研究[J].岩土工程学报，2017,39(12):2180-2186.
[29] 刘玉辉，穆乃亮，高峰，等.水泥稳定碎石基层高寒季冻区抗冻性试验研究[J].公路，2016,61(6):211-215.
[30] 田宇翔，马骉，王大龙，等.冻融循环作用下水泥稳定碎石抗冻特性[J].长安大学学报：自然科学版，2017,37(4):84-91.
声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。
相关参考
水稳是干什么用的(高速公路路面施工标准化管理手册（八）水泥稳定碎石底基层、基层)
...应对路槽进行修整和检测，达到规范要求后方可开始施工水稳层。本篇选自《路桥工程》专栏，第12节“标准化实施手册”专题，资料内容永保更新↓3、在雨季施工时，应特别注意气候变化，勿使水泥和混合料遭雨淋。降雨时，...
拌合站细分为稳定土拌合站、水稳拌合站、沥青拌合站、混凝土拌合站等类别。稳定土拌合站分为移动式和固定式。移动式的拌合站各料仓带轮胎可以牵引行走，转场方便灵活，生产能力较低。固定式稳定土拌合站，需要用混凝...
水稳碎石混合料计算(振动搅拌技术在水泥稳定碎石基层中的应用)
摘要为研究振动搅拌技术对水泥稳定碎石性能的影响，本文以某公路水泥稳定碎石基层施工为背景，通过检测水泥稳定碎石原材料性能并进行室内强度试验，来研究水泥稳定碎石在实际工程中的施工工序及施工应用效果。研究结...
水泥稳定碎石密度是多少(待功高速公路大厚度水泥稳定碎石基层设计与施工)
...众号“沥青路面”引 言水泥稳定碎石基层具有强度高、水稳性好、整体性好、抗冲刷和抗冻性能强等优点，被广泛应用于高速公路路面。在传统的水泥稳定碎石基层施工作业中，设计厚度超过30cm的基层一般采用分层施工，即...
水泥稳定碎石28天抗压强度(基于高寒地区气候特征的水泥稳定碎石基层冻融强度分析)
...的水泥稳定碎石具有良好的抗冻性。关键词：高寒地区；水稳碎石；冻融强度1.试验方案材料的抗冻能力可以用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征，但是这些指标与冻融方法有关。该试验采用未掺入...
名词解释：水稳：即水泥稳定碎石，是以级配碎石作骨料，采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料的空隙，按嵌挤原理摊铺压实。其压实度接近于密实度，强度主要靠碎石间的嵌挤锁结原理，同时有足够的灰浆体积...
水稳层和二灰的区别(知其然，知其所以然：水稳（路面结构层之一）)
上期我们看了好的水稳层是什么样的，这期，我们简单了解一下。施工完成的水稳层（养护期）水稳是水泥稳定碎石的简称，如名字一样有水泥和碎石（多种粒径不同的碎石），为半刚性材料（也叫无机结合料稳定材料）的一种...
水稳拌合站水泥怎么标定(水稳碎石基层施工标准化管理，越是小工程越要精细)
水泥稳定碎石具有良好的整体性，它的抗冻性和水稳性都相对石灰稳定碎石要好，而且强度也会随着龄期增长而增加。本着施工就要精细标准、规范着来的原则，来一起看看现场施工有哪些细节要注意吧。一、原材料1、石料厂...
水稳基层需要做弯沉检测吗(水泥稳定碎石基层精细化施工管理，这个必须收藏了)
...越高，而水泥稳定碎石具有良好的整体性，它的抗冻性和水稳性都相对石灰稳定碎石要好，它的强度也会随着龄期增长，那如何进行有效的水泥稳定碎石基层精细化施工管理？一起来探讨探讨吧。一、原材料1、石料厂要固定厂...
水稳拌合站标定(一次性搞懂水稳碎石基层施工技术及施工期易发问题)
水稳碎石全称即为“水泥稳定碎石”，水泥稳定碎石具有良好的板体性，它的水稳性和抗冻性比石灰稳定土要好，但是又会经常因为水分的变化而引起干缩裂缝。还是老规矩，我们今天会从半刚性基层特性及强度原理，配合比设...