基于成熟度的水泥稳定碎石微裂时间确定方法.pdf
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1、为确定水泥稳定碎石微裂的施工时间,针对水泥稳定碎石微裂技术进行大量室内实验,研究水泥稳定碎石微裂时间、微裂程度与微裂后无侧限抗压强度恢复程度之间的关系。首先结合成熟度理论,通过对实验数据拟合得到水泥稳定碎石早期无侧限抗压强度预测模型,在此基础上得到水泥稳定碎石微裂后强度恢复程度随微裂前成熟度的变化规律;然后利用电子计算机断层扫描技术(CT)对不同成熟度下的微裂水泥稳定碎石内部结构进行观察分析;最后通过实验验证预测模型的准确性。结果表明:水泥稳定碎石微裂后无侧限抗压强度恢复程度随微裂程度增大而减小;基于成熟度建立的无侧限抗压强度预测模型拟合程度较好;通过成熟度确定微裂时间的方法较目前按天划分的时
2、间更加准确,可随工程实际情况灵活调整;最佳微裂程度为 30%,最佳微裂时间为成熟度达到 1 434 Kh时;不同成熟度时微裂的水泥稳定碎石内部结构的自愈情况不同。关键词:水泥稳定碎石;微裂技术;结构自愈;成熟度;强度模型中图分类号:U416.1文献标志码:A文章编号:1673-9787(2023)4-179-9Determination method of micro-crack time of cement stabilized macadam based on maturityMA Shibin,ZHAO Hongliang,QING Longbang,HE Miao(School of
3、Civil and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract:To determine the micro-crack time of cement stabilized macadam,a great deal of indoor tests were carried out for the microcracking technique of cement stabilized macadam,and the relationships between the micro-crac
4、k time,micro-crack degree and the recovery degree of unconfined compressive strength after microcracking were studied.Combined with maturity theory,the prediction model of early unconfined compressive strength of cement stabilized macadam was obtained by fitting the test data,on this basis,the varia
5、tion law of the recovery degree of cement stabilized macadam after micro-crack with the maturity before micro-crack was obtained.Then,the internal structure of cement stabilized macadam with different maturity was observed and analyzed by using computed tomography(CT).Finally,the accuracy of the pre
6、diction model was verified by tests.The results showed that the recovery degree of unconfined compressive strength 马士宾,赵宏良,卿龙邦,等.基于成熟度的水泥稳定碎石微裂时间确定方法 J.河南理工大学学报(自然科学版),2023,42(4):179-187.doi:10.16186/ki.1673-9787.2021100046MA S B,ZHAO H L,QING L B,et al.Determination method of micro-crack time of ce
7、ment stabilized macadam based on maturity J.Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2023,42(4):179-187.doi:10.16186/ki.1673-9787.2021100046收稿日期:2021-10-20;修回日期:2021-12-27基金项目:国家自然科学基金资助项目(51779069);天津市交通运输科技发展计划项目(2019-08)第一作者简介:马士宾(1973),男,河北保定人,博士,教授,主要从事道路工程方面的教学和研究工作。Email:O S I
8、 D2023 年第 42 卷河南理工大学学报(自然科学版)of cement stabilized macadam decreased with the increase of microcrack degree.The unconfined compressive strength prediction model based on maturity method had a good fitting degree.The method of determining the micro-crack time by maturity was more accurate than the cur
9、rent time divided by day,and could be flexibly adjusted according to the actual situation of the project.The best micro-crack degree was 30%,and the best micro-crack time was when the maturity reached 1 434 K h.The autogenous self-healing of the internal structure of the micro-cracked cement stabili
10、zed macadam was different at different maturity.Key words:cement stabilized macadam;micro-cracking technique;self-healing;maturity;strength model0引言在我国,大部分等级公路基层采用水泥稳定碎石(cement stabilized macadam,CSM)1-2,受材料本身特性影响,公路 CSM 早期易出现大量收缩裂缝,进而发展为反射裂缝,导致路面破坏,严重影响道路的使用寿命 3。目前,国内外学者已提出许多解决 CSM 早期收缩的方法,如通过改变结合料
11、或集料类型减少早期收缩裂缝4-6,还可以通过掺加外加剂改善 CSM 的收缩性能7-9。由于水泥水化反应是早期收缩的主要诱因,因此依靠改进材料完全消除 CSM 基层开裂十分困难。许多学者还采用具有抗裂性能的道路结构对基层收缩进行改善10,虽然这些技术在一定程度上减少了反射裂缝的产生,但增加了路面的施工成本和技术复杂性,因而对于经济欠发达地区和技术水平有限的工程项目有很大的局限性。微裂技术是在 CSM 基层施工早期使用振动压路机碾压基层,人为制造大量微裂缝(宽度 0.5 mm),使 CSM 的无侧限抗压强度(unconfined compressive strength,Rc,以下简称强度)产生一
12、定程度的下降,释放早期收缩应力,达到减少开裂的目的11。由于微裂发生在基层铺筑早期,未水化的水泥颗粒随着渗透水到达裂缝内部继续反应,生成以 CSH 凝胶为主、含有少量钙矾石和氢氧化钙的水化产物12,对微裂缝起到覆盖和填充作用,从而使裂缝宽度减小直至愈合,不会对其路用性能造成影响。张静等13-14研究了微裂技术对基层铺筑早期干缩应变的影响,并应用到实际工程中,验证了 CSM 基层微裂技术在基层施工早期对释放材料收缩应力具有良好的控制效果;马士宾等15建立了微裂程度控制的响应面模型,通过室内干、温缩实验研究了微裂对水泥粉煤灰稳定碎石材料收缩特性的影响,分析和评价了不同微裂时间、微裂程度作用下水泥粉
13、煤灰稳定碎石收缩性能的变化规律。CSM 基层自愈实际上是水泥进一步水化的过程,这一过程受到微裂缝宽度、角度、微裂程度和微裂时间的影响16-19。其中,工程应用中的最大制约是确定微裂前 CSM 基层强度是否达到室内实验设计的最佳水平。目前工程中对微裂时间的确定较为粗放,一般选择为 1,2,3 d20,没有充分考虑施工中的温度和龄期变化对 CSM 水化反应过程的影响,因此导致实际施工效果与室内实验结果差异较大。国内外学者通过理论分析与大量实验,对温度-龄期共同作用下的水泥水化反应过程进行了研究,通过成熟度方法得到了各种强度预测模型21-22,并对成熟度函数进行了改进23。本文基于成熟度,针对现有
14、CSM 微裂技术不足,研究早期强度增长规律,提出 CSM 早期强度预测模型,并采用成熟度方法得到 CSM 微裂时间的确定模型,通过实验验证模型的准确性,以期对微裂技术在工程中的应用推广提供参考。1实验1.1实验材料采用产自唐山的玉丰牌 P.O 42.5普通硅酸盐水泥,初凝时间 127 min,终凝时间 173 min,3 d抗折强度 6.1 MPa,抗压强度 26.0 MPa。使用外掺法,质量分数为 5%。集料岩性为玄武岩,考虑到结构的合理性,根据 公路路面基层施工技术细则(JTG/T F20-2015)24中表 4.5.4推荐的级配,本研究采用的集料级配曲线见图 1。根据实验需求,合成级配落
15、在级配的上下限区间内。集料成型后形成致密的骨架结构。1.2试件成型、微裂与 CT扫描实验根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)25,采用图 2(a)所示的 DZY-09 型振动压实仪制成直径 100 mm、高 100 mm 的圆柱形试件,振动频率 28 Hz,静压力 1 900 N,激振力 7 200 N,振幅 25 mm。首先采用振动压实仪振动压实 120 s,测得 CSM 最大干密度为 2.248 g/180第 4 期马士宾,等:基于成熟度的水泥稳定碎石微裂时间确定方法cm3,最佳含水量为 3.1%;然后根据测得的最大干密度和最佳含水量进行试件成型,将拌和均匀
16、的CSM 材料在振动压实仪上振动压实 20 s,使压实度达到 98%,并静置 2 h 后脱模。最后,为尽可能与实际施工环境保持一致,将成型试件放置在事先洒水的室外空地上,并覆盖塑料薄膜,每天洒水4 次进行养护,保持养护环境中空气湿度大于95%,试件强度计算式为Rc=P/A,(1)式中:Rc为试件强度,MPa;P 为最大破坏载荷,N;A为试件截面面积,mm2。对于室外养护的 CSM 试件,为得到微裂前后CSM 强度的增长与恢复情况,微裂前,首先测量并记录同组未经微裂试件的强度,作为微裂实验的初始对比强度。然后按照微裂时间不同将试件分为 1,2,3 d 三组,使用图 2(c)所示的微裂模具夹紧待微
17、裂试件后,放置在振动压实仪的加载台上进行微裂,微裂实验中振动压实仪参数与成型实验相同。微裂程度以试件强度受振动损失分为20%,30%和 40%,微裂时间分别为 20,30,45 s。完成微裂后卸下微裂模具,分别测量同等微裂后的试件强度和养护 7 d后的强度。为进一步探究不同成熟度对微裂后强度恢复影响的机理,使用电子计算机断层扫描技术(CT)对不同成熟度微裂后的 CSM 内部结构进行分析,CT 扫描实验采用图 3(a)所示的河北工业大学YXLON FF35 型工业 CT 进行,使用锥束扫描技术,主要规格参数见表 1。微裂前,采用锥束扫描对振动成型的 CSM 试件进行扫描,电压设定为 220 kV
18、,电流为 200 A,取试件 25 mm 处的图片进行观察分析,如图 4 所示。由图 4(a)可知,未微裂的 CSM 试件经过振动成型后,压实度提高,内部结构变密实,25 mm 处截面上没有裂缝状孔隙,集料-水泥之间结合紧密,界面比较模糊。2 实验及结果分析按照前文所述的实验方法,使用 MTS(Mate图 1 集料级配曲线Fig.1 Gradation curves of aggregate图 2 试件成型、养护及微裂Fig.2 Molding,curing and crack processing of specimens表 1 YXLON FF35型工业 CT主要规格参数Tab.1 Mai
19、n specification parameters of YXLON FF35 CT项目Y.FXE225.48折射管YXLON Panel 1515 UHS探测器检测部件相关参数最大管电压/kV最高功率/W细节可见性/m有效面积/mm2像素间距/m像素矩阵帧率/(帧s1)最大部件尺寸(高直径)/(mmm)最大部件重量/kg值22532041461461271 1521 152583005005图 3 YXLON FF35型工业 CT及其扫描示意Fig.3 YXLON FF35 CT and schematic diagram of scanning1812023 年第 42 卷河南理工大学学
20、报(自然科学版)rial Test System)对试件进行测试。由表 2和图 5(b)可知,微裂相同时长后,试件达到的微裂程度存在较大偏差。微裂 2 d 试件的微裂程度随振动时长变化与 1,3 d相比差距较大,微裂程度随振动时长的增长规律与 1,3 d 微裂的明显不同。以往研究中,一般微裂程度范围为5%26,此范围内微裂程度不会对微裂后试件或基层强度的恢复造成较大影响,但微裂程度与振动时长之间的关系不明确,使得微裂技术在工程应用中过多依赖施工人员的经验。这是因为无法在微裂前后对同一个试件进行强度测试,因此无法准确获得微裂前的试件强度从而准确判断达到目标微裂程度需要的微裂时间。对微裂前后的试件
21、继续养护 7 d 后,分别测量其强度,并计算微裂后试件的强度恢复程度,微裂后试件养护 7 d强度恢复情况如表 3 所示,微裂程度与强度恢复程度关系如图 5(c)所示。由图 5 可知,CSM 微裂后强度恢复程度随着微裂程度增长呈现下降趋势,这是因为微裂是通过振动在试件中人为制造大量微裂缝,微裂程度越高,需要更长龄期的养护使 CSM 自愈27。虽然强度恢复程度随微裂程度增加而下降的趋势一致,但强度恢复程度关于微裂程度下降的函数类型具有较大不同,第一天与第三天微裂时表现为双曲线型,第二天为抛物线型。这是因为早期室外养护的试件受到温度与龄期的共同作用,强度发展差异极大。由于第二天为水泥水化反应的高峰期
22、,因此其强度恢复程度与微裂程度表现出独特的抛物线关系。由表 3 可知,对于微裂后试件,其 7 d 强度均能满足规范中的要求。但是对于 CSM 微裂后的自愈性能而言,表中列出的强度通过不同试件测得,且实验室条件下的微裂在微裂试模中进行,与实际施工中的无侧限条件具有较大不同,因此对微裂后的 CSM 结构自愈与强度恢复情况需要做深入研究,通过合理的强度预测方法得到 CSM 微裂前强度,进而确定最佳微裂时间。3基于成熟度的 CSM 微裂时间确定方法构建3.1基于成熟度的 CSM强度预测方法构建实际施工中,水泥的水化程度受施工环境中养护温度和龄期影响。以往研究证明温度与龄期的增长均会促进水泥水化,但施工
23、环境下温度与龄期对 CSM 强度的共同作用目前还不明确,强度预测较为困难。成熟度方法可以通过度时积方程将养护温度和养护龄期两个参数进行有机结合,进而计算出不同龄期的 CSM 强度,是一种在不损坏基层完整性情况下得到较为准确强度数据的方图 5 强度及微裂试验数据Fig.5 Data of Rc and micro-cracking tests表 3 微裂后试件养护 7 d强度恢复情况Tab.3 Recovery of Rc of specimens cured for 7d after micro-cracking微裂时间/d123Rc/MPa微裂程度0%8.4258.5468.827微裂程度2
24、0%7.6757.8797.988微裂程度30%7.1617.8637.453微裂程度40%6.9107.6027.410图 4 25 mm处截面图像Fig.4 Section image at 25 mm 表 2 微裂后 CSM的强度平均值Tab.2 Rc of CSM before and after micro-cracking微裂时间/d123Rc/MPa微裂程度0%3.5296.1847.152微裂程度20%2.8475.0305.886微裂程度30%2.4684.2475.092微裂程度40%2.0653.8044.140182第 4 期马士宾,等:基于成熟度的水泥稳定碎石微裂时间
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