CN108646006B - 一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法，按照先后顺序包括如下步骤：步骤一：确定水泥稳定碎石级配及最佳含水率和最大干密度，确定水泥的剂量；步骤二：计算水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量；步骤三：制作试件，成型好的水泥砂浆试件进行养生；步骤四：养生完之后，置于干缩室中测量干缩量和失水率；步骤五：由测得的失水率和干缩量来计算泥砂浆试件干缩应变和干缩系数，评价水泥稳定级配碎石的干缩性能。

Description

一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法

技术领域

本发明属于交通土建工程技术领域，涉及一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法。

背景技术

水泥稳定碎石基层具有强度较高、承载力大、抗疲劳性能良好等特点，在我国道路路面建设中大量采用，据统计，我国近二十年来，新建的高等级公路和城市主干道路面基层及底基层采用水泥稳定碎石的比例高达2/3以上。

水泥稳定碎石基层材料的缺点是抗变形能力低、脆性大，易因失水干缩和温度收缩产生裂缝。这种裂缝在路面使用期内会反射到沥青面层，从而造成路面的结构使用性能恶化。如何控制水泥稳定碎石基层材料的开裂，保证其路用性能耐久、稳定，成为当前亟待解决的问题。

干缩是指半刚性基层材料因内部水分变化而引起体积收缩现象。一般认为：由于蒸发和混合料内部的水化作用，混合料的水分会不断减少，进而导致毛细管作用、吸附作用、分子间力作用等引起半刚性材料产生体积收缩。当干缩变形严重时会产生网裂、龟裂，以后会进一步发展呈裂缝。

影响水泥干缩性的主要因素是水泥的矿物成分和水泥的细度。在水泥熟料当中，以C₃A干缩性最大，以C₄AF干缩性最小。在水泥稳定材料当中引起干缩现象的基本原理为水的蒸发而发生的毛细管张力、层间水、吸附水及分子间力以及碳化脱水等作用。水分减少程度越大，减少速度越快，产生的干缩应力就越大。

覃峰研究橡胶粉水泥稳定碎石基层的抗裂性能，通过压力机成型Φ100mm×400mm圆柱体试件，每组试件4个，其中2个试件用于测试收缩变形，2个试件用于测试含水量变化。试件脱模养生后测试随暴露时间增长试件的干缩变形和失水率。

孙兆辉针对水泥稳定碎石基层在湿度变化时易产生干缩裂缝这一缺陷，展开了相关试验研究。采用静压成型方法制备尺寸为Φ150mm×150mm的圆柱体试件，试件从试模内脱出并称量后，立即用塑料薄膜包裹，养生完后进行干缩对比试验。

王艳针对水泥稳定碎石基层不可避免会产生收缩裂缝问题进行了试验研究，混合料收缩性能与失水率、温度、水泥剂量、级配等因素之间的关系，其中干缩试验在室温条件下进行。成型梁式试件，尺寸为100mm×100mm×400mm，贴片上采用2片电阻应变片串连使用，以提高试验精度。试验开始后通过电脑控制数据采集，同时记录参照试件的含水量变化。

顾善东就水泥稳定再生集料基层的收缩性能进行了实验研究，提出采用高低温湿交变试验箱对其干燥收缩和温度收缩性能进行试验分析。室内试验测试按最佳含水量、最大干密和98％压实度采用静压法制作100mm×100mm×400mm的梁式试件，养生完毕后过测量不同时间的试件失水量变化和变形值来计算水稳基层材料的干燥收缩系数和温度收缩系数。

刘朝晖针对不同级配类型的水泥稳定碎石底基层的路用性能进行了对比分析研究，通过拟定的3中不同的配合比进行性能验证，其中干缩性能试验按照最佳含水率和最大干密度和98％压实度成型圆柱型试件，试验中利用千分表在三角支架上测定试件的干缩量。将试件放在试验室内，上、下面均需要整平，把千分表固定在其表面，在常温下让水分自由散失，每天称试件的质量，直到水分散失完。

查旭东就抗裂型水泥稳定碎石配合比设计进行了研究，并对其性能进行验证，其中干缩试验采用100mm×100mm×400mm的梁式试件进行了2种级配水泥稳定碎石混合料的干缩和温缩试验。

专利申请号为201510590525.X的发明专利公开了一种乳化沥青水泥稳定碎石，所述的乳化沥青水泥稳定碎石由乳化沥青，水泥，碎石和水组成，其中以与碎石重量比计，乳化沥青掺量为2～4，水泥掺量为3.5～5.5，用水量为4.5～6.0，碎石为100。本发明的乳化沥青水泥稳定碎石兼有刚柔相济特性和良好的抗水损坏性能，与普通水泥稳定碎石相比，混合料的抗压和劈裂强度有所下降，弯拉强度在常温(20℃)时相近，在低温(5℃)时明显增大；干缩失水率、干缩系数和动态模量下降。

现有干缩系数测试方法中存在以下问题：

(1)梁式试件成型时易发生离析，特别是在较粗的设计级配下，导致试验数据的变异性很大。

(2)梁式试件脱模时易发生损坏，梁的两端很难保持完整的正方形断面。

(3)称重时试件易掉渣，导致称量重量不准，失水量计算不准。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法，弥补道路工程无机稳定材料干缩测试方法中梁式试件测试误差大的不足。本方法采用的测量工具为千分表，量程为0-1mm，精度为0.001mm；试件采用静压法成型，试件尺寸为Φ100mm×100mm圆柱形试件。将成型好的试件在标准条件下养生6d后，浸入20℃的恒温水浴中养生1d，将表面水分擦干后，将6个相同试件中的3个放在支座上用千分表测量干缩变形，将另外3个放在相同条件下，每隔一定时间进行称重，以平均值进行计数。

本发明提供了如下的技术方案：

一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法，按照先后顺序包括如下步骤：

步骤一：确定水泥稳定碎石级配及最佳含水率和最大干密度，确定水泥的剂量；

步骤二：计算水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量；

步骤三：制作试件，成型好的水泥砂浆试件进行养生；

步骤四：养生完之后，置于干缩室中测量干缩量和失水率；

步骤五：由测得的失水率和干缩量来计算泥砂浆试件干缩应变和干缩系数，评价水泥稳定级配碎石的干缩性能。

优选的是，步骤一中，由《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20—2015中的推荐级配确定水泥稳定碎石的级配，利用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51—2009无机结合料稳定材料击实试验方法确定水泥稳定碎石最佳含水率和最大干密度，选定水泥剂量；

优选的是，步骤二中，依据确定的水泥稳定碎石级配中细集料的比例，计算成型水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量。

上述任一方案优选的是，步骤三中按照静压法制作水泥砂浆试件。

上述任一方案优选的是，步骤三中按照静压法制作试件时静压速率为1mm/min。

上述任一方案优选的是，步骤三中将成型好的水泥砂浆试件套袋后在标准养护条件下养生。

上述任一方案优选的是，成型好的水泥砂浆试件在标准条件下养生6d，最后1天浸入20℃的恒温水浴中养生。

上述任一方案优选的是，标准养护条件中温度为20℃，湿度≥95％。

上述任一方案优选的是，步骤四：测量干缩量和失水率的具体方法为：将水泥砂浆试件表面水分擦干后至于干缩室中，将6个相同水泥砂浆试件中的3个放在干缩试验装置上测量干缩量，将另外3个放在相同条件下，每隔一定时间进行称重测量失水率，以平均值进行计数。

上述任一方案优选的是，干缩试验装置两侧设有磁性表座，磁性表座上部设有支架，千分表通过横杆固定在支架上，千分表下部设有固定杆，固定杆用于固定试件，干缩试验装置的磁性表座为带有开关的磁铁，磁性表座下部设有铁块，铁块固定在底部基面上，打开磁性表座的开关就能吸住底下的铁块，使整体结构不发生移动，上边的两个支架，调节合适位置即可固定千分表。

上述任一方案优选的是，所述千分表的量程为0-1mm，精度为0.001mm。

上述任一方案优选的是，所述干缩室温度为20℃±1℃，相对湿度为60％±5％。

上述任一方案优选的是，所述千分表用支架架在试件顶面直径位置的至少一端。

上述任一方案优选的是，所述千分表用支架架在试件顶面直径位置的至少两端。

上述任一方案优选的是，经试验测得的数据按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51—2009中式(T 0854‐1)‐式(T 0854‐5)处理。

上述任一方案优选的是，所述步骤五之后还包括：综合干缩应变和干缩系数确定最佳水泥剂量。从而保证水泥稳定级配碎石的干缩性能最好。

上述任一方案优选的是，所述泥砂浆试件为圆柱体，且尺寸为Φ100mm×100mm的。

有益效果：弥补道路工程无机稳定材料干缩测试方法的不足。

本申请确定水泥稳定碎石干缩系数的方法，解决了干缩试验中梁试件成型时易离析，试验操作误差大，试验数据变异性大等问题；具有方法简单，易操作，精度高等优点，且对实验室及现场进行基层干缩试验具有指导意义。

本申请的干缩系数测试方法还存在以下优点：

(1)梁式试件成型时不易发生离析，就算在较粗的设计级配下，试验数据的变异性很小。

(2)梁式试件脱模时不易发生损坏，梁的两端保持完整的正方形断面。

(3)称重时试件不易掉渣，称量重量准确，失水量计算准确。

附图说明

图1为干缩试验装置结构示意图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。

一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法，本方法采用的测量工具为千分表，量程为0-1mm，精度为0.001mm；试件采用静压法成型，试件尺寸为Φ100mm×100mm圆柱形试件。将成型好的试件在标准条件下养生6d后，浸入20℃的恒温水浴中养生1d，将表面水分擦干后，将6个相同试件中的3个放在支座上用千分表测量干缩变形，将另外3个放在相同条件下，每隔一定时间进行称重，以平均值进行计数。按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：确定水泥稳定级配及最佳含水率和最大干密度，确定水泥的剂量；由《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20—2015中的推荐级配确定水泥稳定碎石的级配，利用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51—2009无机结合料稳定材料击实试验方法确定水泥稳定碎石最佳含水率和最大干密度，选定水泥剂量；

步骤二：依据确定的水泥稳定碎石级配中细集料的比例，推算出成型水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量；

步骤三：成型好的试件在标准条件下养生6d，最后1天浸入20℃的恒温水浴中养生；

按照静压法制作试件，静压速率为1mm/min，将成型好的水泥砂浆试件套袋后放入标准养护箱养生，标准养护条件是T＝20℃，湿度≥95％

步骤四：养生完之后，将表面水分擦干后至于干缩室中，将6个相同试件中的3个放在干缩试验装置的支座上用千分表测量干缩变形，干缩试验装置的结构如图1所示。将另外3个放在相同条件下，每隔一定时间进行称重，以平均值进行计数。

干缩试验装置两侧设有磁性表座1，磁性表座1上部设有支架2，千分表3通过横杆4固定在支架2上，千分表3下部设有固定杆5，固定杆5用于固定试件6，干缩试验装置的磁性表座1为带有开关的磁铁，磁性表座1下部设有铁块7，铁块7固定在底部基面上，打开磁性表座1的开关就能吸住底下的铁块7，使整体结构不发生移动，上边的两个支架2，调节合适位置即可固定千分表3。

千分表3的量程为0-1mm，精度为0.001mm，试件养生完后擦干表面水，至于干缩室，干缩室温度为20℃±1℃，相对湿度为60％±5％，由于试件为圆柱体，用支架将两千分表架在试件顶面某一直径位置的两端；

步骤五：由测得的失水率和干缩量来计算圆柱形试件干缩应变和干缩系数，进而来评价水泥稳定级配碎石的干缩性能。经试验测得的数据按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51—2009中式(T 0854-1)-式(T 0854-5)处理。

水泥稳定碎石和二灰稳定碎石是最常用的两种半刚性基层材料，本申请所采用的材料为废旧基层材料，材料包括取自京港澳某高速路段的废旧水泥稳定碎石材料、取自北京某石料厂闲置堆放的废旧二灰稳定碎石材料和0-5mm、5-10mm和10-20mm三档石灰岩新料。根据相关规范对上述材料以不同方式进行冲刷磨耗试验。

本申请实施例主要对石灰岩新料、水稳碎石旧料细集料、二灰碎石旧料细集料和水泥、水拌合形成的水泥砂浆的干缩性能进行了评价。整体掺配方式下，设计级配中的4.75mm以下细集料含量在40％左右，3.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为8.75％，5.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为13.75％；另外设置水泥稳定石灰岩新料作为对照组。

实施例1

本组试验采用水稳碎石旧料细集料，由《公路路面基层施工技术细则》JTG/TF20—2015中的推荐级配确定水泥稳定碎石的级配，利用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51—2009无机结合料稳定材料击实试验方法确定水泥稳定碎石最佳含水率和最大干密度，选定水泥剂量。

依据确定的水泥稳定碎石级配中细集料的比例，推算出成型水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量。具体为依据级配中细集料的比例，将全部集料下确定下的水泥含量及含水量除以细集料的比例，推算出成型水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量。

整体掺配方式下，设计级配中的4.75mm以下细集料含量为40％，3.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为8.75％(8.75＝3.5÷0.4)，5.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为13.75％(13.75＝5.5÷0.4)。

依据最大含水率和最大干密度成型试件，按照静压法制作试件，静压速率为1mm/min，将成型好的水泥砂浆试件套袋后放入标准养护箱养生，标准养护条件是湿度≥95％，养生6d后，浸入20℃的恒温水浴中养生1d，将表面水分擦干后，将6个相同试件中的3个放在支座上用千分表测量干缩变形(此处说的干缩变形为表1中的干缩量)，千分表的量程为0-1mm，精度为0.001mm，试件养生完后擦干表面水，至于干缩室，干缩室温度为20℃，相对湿度为60％，用支架将两个千分表架在试件顶面某一直径位置的两端。

将另外3个放在相同条件下，每隔24h进行称重，测量失水率，以平均值进行计数。

由测得的失水率和干缩量，依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTGE51—2009公式T 0854-3、T 0854-4来计算圆柱形试件干缩应变和干缩系数，测定14d干缩系数，(干缩系数、干缩应变和干缩系数之间的换算为本领域试验规程)进而来评价水泥稳定级配碎石的干缩性能。养生完后测得干缩系数实验结果如下表1-1所示：

表1-1水稳旧料砂浆的干缩试验结果

由表1-1结果可以得出，水稳碎石旧料砂浆干缩应变随着水泥剂量增加而减小，综合干缩应变和干缩系数来看，0-4.75mm细集料采用水稳碎石旧料的再生水泥稳定碎石宜选用的最佳水泥剂量在5.5％左右。15％水泥下的14d平均干缩系数最小，折合整体级配中水泥剂量为5.5％。

实施例2

和实施例1不同的是，本组试验采用二灰碎石旧料细集料，整体掺配方式下，设计级配中的4.75mm以下细集料含量在40％左右，3.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为8.75％，5.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为13.75％；依据最大含水率和最大干密度成型试件，养生完后测得干缩实验结果如下表2-1所示：

表2-1二灰旧料砂浆的干缩试验结果

由表2-1结果可以得出，二灰旧料砂浆的干缩系数随水泥剂量的增加先增大再减小再增大，综合干缩应变和干缩系数来看，0-4.75mm细集料采用二灰碎石旧料的再生水泥稳定碎石宜选用的最佳水泥剂量在4.5％左右。12％水泥下的14d平均干缩系数最小，折合整体级配中水泥剂量为4.5％。

实施例3

作为对照组，本组试验采用新料细集料，整体掺配方式下，设计级配中的4.75mm以下细集料含量在40％左右，3.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为8.75％，5.5％的水泥剂量换算到水泥砂浆中为13.75％；依据最大含水率和最大干密度成型试件，养生完后测得干缩实验结果如下表3-1所示：

表3-1新料砂浆的干缩试验结果

由表3-1结果可以得出，新料细集料的干缩系数随水泥剂量的增加先减小再增大再减小，综合干缩应变和干缩系数来看，0-4.75mm细集料采用石灰岩新料的水泥稳定碎石宜选用的最佳水泥剂量在3.5％左右，即水泥砂浆中含量为8.75％。9％水泥下的14d平均干缩系数最小，折合整体级配中水泥含量为3.5％。

需要说明的是，实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种确定水泥稳定碎石干缩系数的方法，其特征在于：按照先后顺序包括如下步骤：

步骤一：确定水泥稳定碎石级配及最佳含水率和最大干密度，确定水泥的剂量；

步骤二：计算水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量，依据级配中细集料的比例，将全部集料下确定的水泥含量及含水量除以细集料的比例，推算出成型水泥砂浆试件中水泥的剂量与含水量，其中所述水泥砂浆试件为采用水稳碎石旧料细集料、水泥、水拌合形成的水泥砂浆试件或二灰碎石旧料细集料、水泥、水拌合形成的水泥砂浆试件；

步骤三：制作试件，成型好的水泥砂浆试件进行养生，所述水泥砂浆试件为圆柱体，且尺寸为Φ100mm×100mm；

步骤四：养生完之后，置于干缩室中测量干缩量和失水率，步骤四中测量干缩量和失水率的具体方法为：将水泥砂浆试件表面水分擦干后至于干缩室中，将6个相同水泥砂浆试件中的3个放在干缩试验装置上测量干缩量，将另外3个放在相同条件下，每隔一定时间进行称重测量失水率，以平均值进行计数，干缩试验装置两侧设有磁性表座，磁性表座上部设有支架，千分表通过横杆固定在支架上，千分表下部设有固定杆，固定杆用于固定试件，干缩试验装置的磁性表座为带有开关的磁铁，磁性表座下部设有铁块，铁块固定在底部基面上，打开磁性表座的开关就能吸住底下的铁块，使整体结构不发生移动，上边的两个支架，调节合适位置即可固定千分表；

步骤五：由测得的失水率和干缩量来计算水泥砂浆试件干缩应变和干缩系数，评价水泥稳定级配碎石的干缩性能，综合干缩应变和干缩系数确定最佳水泥剂量。

2.如权利要求1所述的确定水泥稳定碎石干缩系数方法，其特征在于：步骤三中按照静压法制作水泥砂浆试件。

3.如权利要求2所述的确定水泥稳定碎石干缩系数方法，其特征在于：步骤三中按照静压法制作试件时静压速率为1mm/min。

4.如权利要求1所述的确定水泥稳定碎石干缩系数方法，其特征在于：步骤三中将成型好的水泥砂浆试件套袋后在标准养护条件下养生。

5.如权利要求1所述的确定水泥稳定碎石干缩系数方法，其特征在于：成型好的水泥砂浆试件在标准条件下养生6d，最后1天浸入20℃的恒温水浴中养生。

6.如权利要求5所述的确定水泥稳定碎石干缩系数方法，其特征在于：标准养护条件为温度20℃，湿度≥95%。

7.如权利要求1所述的确定水泥稳定碎石干缩系数方法，其特征在于：所述干缩室温度为20℃±1℃，相对湿度为60%±5%。

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