基层的抗压回弹模量是路面结构设计一个重要参数, 直接影响路面结构层的选择与相应厚度的确定, 同时也会影响到工程造价。目前我国高等级公路上大量使用的基层以水泥、石灰为结合料, 掺入到粉碎或散状的土内, 经压实、养生后形成的路面结构层, 称为半刚性基层, 具有板体性好、强度高、承载能力大、造价低等优点。这种基层抗压回弹模量受到多种因素的影响, 如结合料的种类、掺量、龄期、养护条件等, 获得可靠的材料抗压回弹模量是路面结构设计与施工的重要工作之一。徐献海通过试验测试了粉煤灰、消石灰粉、水泥稳定煤矸石的抗压回弹模量。曲旭光在统计分析的基础上研究了半刚性基层回弹模量的取值范围。谢洪斌在大量试验的基础上建立沥青稳定碎石的抗压回弹模量预估方法。刘晨辉还通过试验研究了聚丙烯纤维掺量与水泥掺量对稳定碎石抗压回弹模量的影响。近年来我国大量的非洲援外工程都碰到了一种被称为红土砾石的材料, 这种材料性能较好, 经水泥稳定后可用作路面基层材料, 而在国内桂林地区也有一种被称为红土砾石的土样, 其性能如何还待研究。本文以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 (JTG E51-2009) 为依据, 以桂林红土砾石为研究对象, 以水泥、石灰为结合料, 开展了一系列的渗透试验, 获得到不同水泥、石灰掺量下稳定红土砾石的抗压回弹模量, 为分析红土砾石用作用路面基层的可行性提供了一些参考。
1 红土砾石的基本特性
试验土样取自桂林六塘。土样表面呈紫红色, 在现场堆积较杂乱, 并没有明显的层序规律, 砾石颗粒大小差异也比较大, 大部分的砾石呈菱角状。现有研究表明, 桂林红土砾石的组成成分非常复杂, 大部分属于泥盆世岩石, 在地质上形成龙岗地貌, 黏土和砾石是其主要的物质成分, 其中的红土大部分是碳酸盐风华的产物, 结构比较松散。取样后在室内先后完成筛分试验、液塑限、击实试验等试验, 结果表明, 不均匀系数和曲率系数为17.75和0.52, 颗粒组成曲线较为顺滑 (图1) , 为级配不良的砾石土, 其基本物理力学特性见表1。
2试验方案
试验以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 (JTG E51-2009) 为依据, 采用室内抗压回弹模量承载板法测量稳定红土砾石回弹模量值。试验前分别以水泥、石灰为结合料, 按2%、4%、6%、8%的掺量制备试样, 并在规定条件下养生:对水泥稳定土样养生90天, 对石灰稳定土样养生180天后进行试验。养生达到要求后, 将土样取出、放入水中浸泡24h, 再装入到杠杆式压力仪上。预定承载板上的单位压力为0.6MPa, 将其分为6等份进行分级加载, 记录每级荷载加载时的变形量和卸载后的变形量。试验用水泥为325#普通硅酸盐水泥, 石灰为1级消石灰。图3为试验时的照片。
3试验结果与分析
试验后按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 (JTG E51-2009) 给定的数据处理方法计算出各级荷载作用下的回弹模量, 结果表明, 2%、4%、6%、8%水泥掺量的试件弹性模量范围值依次为335MPa~556MPa、502MPa~741MPa、721MPa~1159MPa、1335MPa~2226MPa, 2%、4%、6%、8%水泥石灰掺量的试件弹性模量范围值309MPa~495MPa、432MPa~667MPa、643MPa~1090MPa、947MPa~1590MPa。将各级荷载下的回弹模量绘在同一坐标系内进行对比 (图4) 。分析可条, 两种稳定土样在各结合料掺量的回弹模量有较好的一致性, 各结合料掺量土样的回弹模量均随荷载增加而减小, 同一结合料土样的回弹模量随结合料掺量的增加而增大。进一步对图4 (a) 和图4 (b) 可知, 相同掺量与荷载条件下水泥稳定土样的回弹模量比石灰稳定土样的回弹模量要大。
将相同条件下水泥稳定土样的回弹模量除以石灰稳定土样的回弹模量得到两者的比值, 见图5。可见, 各条件下两者的比值都大于1, 即水泥稳定土样的回弹模量较石灰稳定土样的回弹模量要大, 但当掺量为2%、4%时, 比值变化不大, 在1~1.2之间, 当结合料掺量达到6%时, 比值增加到1.2、1.3以上;当结合料掺量达到8%时, 比值增加到1.4以上。可见低掺量下, 水泥稳定土样的回弹模量较石灰稳定土样的回弹模量增加幅度有限, 但当掺量增大后, 水泥稳定土样的回弹模量增幅有较大的提高。
半刚性基层是我国高等级公路常用的路面结构层, 一般采用水泥、石灰为结合料对具有一定级配的土样进行改良、压实、养生而获得, 具有板体性好、强度高、成本低等优点。回弹模量是路面结构设计的重要参数, 直接影响到结构组成与结构层厚度的选择, 回弹模量高意味着路面结构弯沉值将比较小, 路面可以承受更大的交通荷载。从这点上可以看到, 如果要采用红土砾石为路面结构层的材料, 宜选择水泥作为结合料。
4结论
无机结合料的回弹模量是影响半刚性路面结构设计的重要参数之一。本文以桂林红土砾石为研究对象, 以水泥、石灰为结合料, 开展了一系列的室内试验, 对比分析了两种稳定土回弹模量与结合料掺量的关系, 主要结论有:
1、稳定红土砾石的回弹模量随水泥、石灰掺量的增加而增大。
2、相同掺量下水泥稳定红土砾石的回弹模量较石灰稳定红土砾石的回弹模量要大, 且高掺量时的增幅较低掺量时更明显。
3、稳定红土砾石宜选择水泥作为结合料。
摘要：无机结合料的回弹模量是半刚性基层路面设计的关键参数之一。以水泥、石灰为结合料, 以红土砾石为研究对象, 在室内完成了不同掺量的水泥、石灰稳定红土砾石的回弹模量试验。结果表明, 稳定红土砾石的回弹模量随水泥、石灰掺量的增加而增大;但在低掺量时水泥、石灰试件的抗压回弹模量值差别不大, 高掺量时水泥试件的抗压回弹模量要高于石灰试件的回弹模量。
关键词：红土砾石,回弹模量,稳定土,水泥,石灰
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