试验选择内蒙古阿拉善左旗某高速公路采用的P·O42.5水泥, 水泥各项性能指标满足GB175—2007《通用硅酸盐水泥》要求。为最大限度提高CT扫描图像的清晰度, 结合实体工程原材料供应情况, (5~10) , (10~20) , (20~30) mm粗集料采用石灰岩, (0~5) mm细集料采用河砂 (中砂) 。经实体工程检验, 粗集料压碎值、针片状含量等指标满足JTG/TF 20—2015《公路路面基层施工技术细则》要求, 并采用西安地区的饮用水。

大量室内研究和工程实践表明, 骨架密实型水泥稳定碎石混合料可有效降低水泥剂量、提高路面基层的承载力、降低温缩干缩裂缝, 故实体工程应用较多。选用实体工程采用的骨架密实型水泥稳定碎石级配, 根据筛分试验结果 (0~5) mm∶ (5~10) mm∶ (10~20) mm∶ (20~30) mm=45%∶22%∶21%∶12%, 合成级配如表1所示。按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》, 以重型击实试验确定最大干密度2.435g/cm³对应的含水量为4.1%, 以7d无侧限抗压强度≥6.0MPa为控制条件确定水泥剂量为4.5% (水泥∶集料=4.5∶100) 。

1) 静压法成型试件 按照98%压实度换算成型试件所需的水泥稳定碎石混合料质量。圆柱体试件150mm×200mm (高) 、梁式试件200mm (高) ×200mm (宽) ×600mm (长) , 静压成型试件最大荷载300kN, 荷载增加速率2.0kN/s, 从加载开始至最大荷载300kN需要2.5min, 达到最大荷载后持续静压5min, 然后以2.0kN/s速率逐渐卸载, 静压成型一个试件需要10min。在标准养护条件下养护到所需龄期后钻取、切割试样。

2) 振动法成型试件 振动压实成型仪主要工作参数为:振动频率30Hz, 振幅0~25mm, 名义振幅为1.5mm, 静面压力3 500N, 激振力10 000N, 振动击实125s, 振动成型试件时间90s, 成型试件尺寸150mm×200mm (高) 、梁式试件200mm (高) ×200mm (宽) ×600mm (长) , 室温放置6h脱模后在 (20±2) ℃、相对湿度98%标准养护室内养护到所需龄期。

3) 路面芯样 现场施工时水泥稳定碎石压实分为初压、复压、终压, 初压阶段采用22t振动压路机前进静压后退弱振1遍, 22t振动压路机弱振1遍, 复压阶段32t振动压路机强振3遍, 终压阶段37t胶轮压路机碾压2遍, 压实后检测压实度代表值为99%, 部分点位压实度超100%。实体工程摊铺养护7d后钻取100mm×200mm (高) 圆柱体、切割200mm (高) ×200mm (宽) ×600mm (长) 梁式芯样, 将芯样放置在保温 (25℃) 潮湿环境箱内, 并快速运输到实验室, 在标准条件下养护到所需龄期, 试验前切割标准尺寸试样。

1) 力学性能 根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》, 无侧限抗压强度试验试件尺寸为100mm×100mm (高) , 试验加载速率1mm/min, 养护龄期为7, 28, 60, 90d。弯拉强度试验采用100mm (高) ×100mm (宽) ×400mm (长) 的梁式试件, 在MTS液压万能试验机上进行, 试验加载速率50mm/s。抗压回弹模量采用100mm×100mm (高) 圆柱体试件, 按照T0808—1994无机结合料稳定材料室内抗压回弹模量试验方法 (顶面法) , 不同试件成型方式下的水泥稳定碎石力学性能试验结果如图1所示。

图1试验结果表明: (1) 振动、静压、芯样3种成型方式下水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、抗压回弹模量均随养护龄期增加而不断增大, 强度与养护龄期之间指数函数关系拟合优化度>0.90。在7~28d养护龄期内, 水泥稳定碎石强度随养护龄期增加而增大的趋势较明显, 随后强度增长率随养护龄期增加而逐渐减小, 无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、抗压回弹模量随养护龄期增加有相似的变化规律, 当养护龄期达到60d后, 水泥稳定碎石强度增长率已经明显减小, 强度增长曲线趋于平缓, 最终接近于极限值。 (2) 试验级配、水泥掺量和养护龄期相同时, 3种成型方式下路面芯样的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、抗压回弹模量均最大;振动成型的强度次之;静压成型的强度值最小。相同养护龄期下, 振动压实水泥稳定碎石试件的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度最接近路面芯样, 振动压实、路面芯样比静压成型试件60d无侧限抗压强度提高约11.2%, 17.6%;60d弯拉强度提高约16.8%, 19.5%;60d劈裂强度提高38.8%, 41.8%;60d抗压回弹模量提高6.2%, 7.5%。 (3) 对比静压和振动成型方式与路面芯样的强度差异, 采用静压成型方法以7d无侧限抗压强度确定水泥稳定碎石的最佳水泥用量, 该方法过于保守, 振动压实试验方法能够最大限度模拟水泥稳定碎石实际碾压效果, 同时有一定富余度, 提高了室内设计与施工现场的一致性。

2) 疲劳特性 采用间接拉伸疲劳试验研究不同成型方式的水泥稳定碎石混合料抗疲劳耐久性能, 养护龄期为60d, 圆柱体试件尺寸100mm×100mm (高) , 应力水平S选择0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 加载频率为15Hz, 疲劳试验在MTS 810型液压伺服疲劳试验机上进行, 应力水平S与疲劳寿命之间的双对数拟合曲线如图2所示。试验结果表明, 在0.4, 0.5, 0.6, 0.7应力水平下, 振动成型试件比静压成型试件的疲劳寿命大36.8%, 40.1%, 49.2%, 55.0%, 路面芯样比静压成型试件的疲劳寿命大46.8%, 44.0%, 53.1%, 61.9%, 振动成型试件可较大幅度提高水泥稳定碎石混合料在高应力水平下的疲劳寿命。随着应力比增大, 水泥稳定碎石混合料疲劳寿命与应变水平在双对数坐标系内呈现良好的线性负相关关系, 拟合优化度R²>0.98。各应变水平下, 静压成型试件的水泥稳定碎石混合料疲劳寿命最小, 振动成型试件与路面芯样的疲劳寿命相差≤4%~7%, 振动成型试件与路面芯样吻合程度最好。

本次研究采用Y.CT Precision高精密CT系列, 借助能够提供高分辨率的微焦点X-Ray系统及高精密的机械运动结构, 采用锥束扫描方式, 得到准确、稳定、可重复的三维数据。将CT获取的图像信息导入Y.CT Precision系列工业CT平台推荐配置的三维可视化软件VGStudio MAX 2.0中进行三维重构, 经图像去噪、图像增强、图像分割以及特征提取等步骤获取粗集料、空隙的空间特征。

水泥稳定碎石混合料中粗集料占比>70%~80%, 粗集料为容纳细集料和水泥砂浆提供了载体。根据填充理论, 只有达到“平躺”排列时粗集料之间的嵌挤状态才最稳定, 骨架效应才能最大限度发挥。此外, 在重复荷载作用下裂纹走势往往会“绕过”集料, 破裂面发生在集料与水泥砂浆接触界面或水泥砂浆内部, 集料在“平躺”排列时裂纹的行走路径最长, 裂纹完全贯穿时所需要积累的能力越大, 相应的混合料抗裂性能越好。由于集料多为立方体的多面体, 实际形态更接近椭球体, 存在“长轴”和“短轴”, 王宏等对不同成型方式下获取的工业CT图像进行分析, 如图3所示, 按照式 (1) ~ (3) 计算主轴距离D_max、水平轴偏角 (α) 、径向轴偏角 (θ) 。每种成型方式共获取5×1 000张CT图像, 经统计拟合分析, 粗集料取向角的概率分布函数服从高斯 (Gauss) 分布, 对不同成型方式的水泥稳定碎石混合料按照式 (4) Gauss函数计算概率分布, 结果如图4~5、表2所示。

式中:f (x) 为高斯函数;x_i, y_i为二维坐标系下任意点的x和y轴坐标;a_m为粗集料取向角峰值;y₀, x, A, W为高斯函数拟合参数。

图4~5、表2试验结果表明: (1) 水泥稳定碎石混合料粗集料取向角服从高斯函数分布, 拟合优化度R²>0.96, 采用高斯函数模型可较好揭示成型方式对水泥稳定碎石混合料内部粗集料取向角的影响规律。 (2) 成型方式对水泥稳定碎石混合料粗颗粒取向角有显著影响, 静压试件有65.5%的粗集料取向角<35°, 振动成型试件和路面芯样分别有75.3%, 76.1%的集料颗粒取向角<35°, 受骨架嵌挤作用和集料自身形状的不规则性等因素影响, 严格意义上很少有集料取向角能够达到0°, 集料主轴方向取向角与这一结论吻合。静压、振动、路面芯样3种成型方式下取向角为0°~5°的集料比例分别为1.3%, 2.7%, 3.2%, 采用振动压实方法可减小水泥稳定碎石混合料内部的集料取向角, 振动压实与路面芯样压实获得的集料取向角大小最为接近。 (3) 对比不同成型方式下集料取向角的高斯函数概率分布曲线, 对静压、振动压实和路面芯样, 概率分布峰值对应的集料取向角a_m分别为29.14°, 19.73°, 19.56°, 静压、振动压实和路面芯样峰值概率对应分布的95%保证率下的粗集料取向角范围分别为24.1°~32.4°, 12.3°~25.5°, 11.9°~26.1°, 振动成型和路面芯样2种成型方式下有更多、更宽范围内的集料取向角接近峰值取向角a_m, 集料取向角分布较为均匀、主轴方向集中, 大部分约分布在19°, 具体表现为:振动成型和路面芯样2种成型方式下高斯函数峰值附近曲线变化较为平缓, 静压成型试件集料取向角分布离散性大。计算静压试件、振动成型试件、路面芯样的集料取向角加权值分别为18.45°, 14.8°, 14.2°。

因为静压成型过程中, 集料取向角受装料时粗、细集料均匀性等人为因素影响较大, 集料主要在竖向荷载作用下发生竖向位移和少量的转动, 振动压实是在振动荷载作用下, 粗、细集料及水泥砂浆受迫振动, 集料颗粒有水平、竖向位移, 并自由转动压缩水泥砂浆, 振动成型过程中集料重新排列、相互嵌挤, 实现最密实、稳定状态后集料转动位移停止。施工现场碾压过程中, 在振动压路机、静压压路机交替作用下, 集料颗粒在成型时可发生竖向位移并水平转动, 运动趋势与室内振动压实状况最为接近, 但室内成型受侧模边缘效应影响, 导致部分集料取向角偏大。压实过程中集料在外界荷载和自身重力作用下克服颗粒之间的摩阻力实现紧密排列。水泥砂浆饱和填充的过程中, 集料取向角越小, 其在水泥稳定碎石混合料内部的分布越接近“平躺”状态, 受荷时发生水平、竖向位移和转动的可能性越小, 集料的分布状态越稳定, 由此可见, 采用振动成型可提高水泥稳定碎石混合料内部集料骨架嵌挤结构的稳定性, 室内振动成型与路面芯样的集料分布状态最为接近, 能够模拟施工现场的真实压实状态, 压实效果最为理想。

空隙占水泥稳定碎石混合料的比例虽小, 但其影响了材料受荷时荷载分散均匀程度和荷载力链在水泥稳定碎石混合料内部的应力集中程度, 空隙的形状特征、分布均匀程度、大小等都对水泥稳定碎石混合料强度及疲劳特性有显著影响。由于集料、水泥砂浆、空气3种物质的密度差别较大, 根据工业CT射线途经物质能量衰减规律, 材料密度越大CT图像亮度越高, 可通过阈值分割较好分辨这三者。为减小人为因素扰动和成型过程中侧模边缘效应及周边开口空隙对试验结果的干扰, 取试件中间100mm×100mm (高) 部分用于CT扫描 (龄期为90d) , 每组取8个平行试样, 将X-Ray获取的图像信息经图像对比增强、去噪、阈值分割、三维表示与分区、边缘检测后导入工业CT平台配置的三维可视化软件VGStudio MAX 2.0进行三维重构 (见图6) , 打开VG软件的缺陷检测模块, 待计算完成后输出Excel计算表单。

平均空隙直径是指水泥稳定碎石混合料内部所有空隙体积的当量球直径, 计算时将每个独立的空隙假定为球体, 计算如式 (5) 和式 (6) 所示。每种成型方式下水泥稳定碎石混合料空隙约4×5.5万个, 空隙等效直径0~3.5mm连续分布, 经初步拟合分析, 水泥稳定碎石混合料的平均空隙直径与空隙体积累计百分率之间满足Exponential函数模型 (见式 (7) ) , 试验结果如图7所示, 拟合参数如表3所示。

式中:V为每个独立空隙的体积 (mm³) ;n为空隙个数 (个) ;d为平均空隙直径 (mm) ;A, B, C为拟合参数。

表3、图7试验结果表明: (1) 水泥稳定碎石混合料平均空隙直径<0.8mm、<1.0mm的空隙数量分别占总空隙数量的90%, 94%以上, 水泥稳定碎石混合料空隙分布特征呈现空隙数量多、微孔数量比例大的特点。 (2) 水泥稳定碎石混合料平均空隙直径与空隙分布百分比之间服从洛伦兹函数统计分布, 平均空隙直径与空隙累计百分率之间满足Exponential函数模型关系, 拟合优化度R²>0.97, 应用该模型可实现空隙特征的数学模型表征。 (3) 试件成型方法对水泥稳定碎石混合料平均空隙直径有显著影响, 静压、振动、路面芯样的平均空隙直径依次是0.804, 0.738mm, 室内振动成型方法与现场路面芯样的平均空隙直径大小吻合程度最高, 因此振动成型压实方法作为水泥稳定碎石混合料的设计成型方法是合理的。原因为试件静压成型过程中集料、水泥砂浆主要发生竖向位移, 从CT扫描图像 (见图8) 中可以看出, 粗集料骨架嵌挤石-石接触界面周围由于没有足够多的水泥砂浆填充骨架空隙, 导致大空隙 (V>100~200mm³) 出现, 振动压实成型的试件, 粗集料形成稳定的骨架嵌挤结构后, 水泥砂浆在振动荷载作用下能够有效填充骨架空隙, 减小了出现大空隙的可能性。

研究表明, 路面材料的细微观结构决定了混合料的宏观力学性能和路用性能及疲劳特性。

由于工业CT扫描试件属于无损检测范畴, 对进行CT扫描后的试件进行无侧限抗压强度试验 (2个试件/组) 、劈裂强度试验 (2个试件/组) 和0.5应力比水平下的间接拉伸疲劳试验 (4个试件/组) , 试验结果如表4所示。不同试件成型方法水泥稳定碎石混合料细微观结构与宏观性能拟合曲线如图9~10所示。

试验结果表明, 集料取向角与无侧限抗压强度、劈裂强度及疲劳寿命之间的线性拟合关系良好, 无侧限抗压强度随粗集料取向角增大呈线性关系减小, 拟合优化度R²>0.9;劈裂强度随集料取向角增大呈线性关系减小, 拟合优化度R²=0.84;疲劳寿命随集料取向角增大呈线性关系减小, 拟合优化度R²>0.90;平均空隙直径与无侧限抗压强度、劈裂强度及疲劳寿命之间的线性拟合关系良好, 无侧限抗压强度随平均空隙直径增大呈线性关系减小, 拟合优化度R²>0.95;劈裂强度随平均空隙直径增大呈线性关系减小, 拟合优化度R²=0.94;疲劳寿命随平均空隙直径增大呈线性关系减小, 拟合优化度R²>0.95。

原因是无侧限抗压强度主要取决于水泥稳定碎石混合料内部粗集料嵌挤和骨架效应形成的内摩擦角σ和水泥水化产物生成的黏聚力c, 在受压为主的受力模式下, 强度主要取决于粗集料的骨架效应, 而劈裂强度拉压受力模式下强度取决于黏聚力和内摩擦角, 振动压实成型试件过程中, 粗集料在达到自身最稳定状态的同时, 水泥砂浆也能有效填充粗集料之间的骨架空隙, 粗集料与水泥砂浆分布更加均匀, 减少了大空隙数量, 降低了出现大空隙的概率。可见本文选取集料取向角和平均空隙直径指标来评价成型方法对水泥稳定碎石混合料细微观结构性能影响是合理可行的。

1) 振动压实水泥稳定碎石试件的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度最接近路面芯样, 振动压实试验方法能够最大限度模拟水泥稳定碎石实际碾压效果, 同时有一定富余度。振动成型试件与路面芯样的疲劳寿命相差≤4%~7%, 振动成型试件与路面芯样吻合程度最好。力学性能和疲劳性能试验结果表明, 振动压实方法能够最大限度模拟水泥稳定碎石混合料施工现场的碾压效果。

2) 水泥稳定碎石混合料内部粗集料取向角服从高斯函数分布, 静压、振动、路面芯样3种成型方式下取向角为0~5°的集料比例分别为1.3%, 2.7%, 3.2%, 采用振动压实方法可减小水泥稳定碎石混合料内部的集料取向角, 振动压实与路面芯样压实获得的集料取向角大小最为接近, 能够模拟施工现场的真实压实状态, 压实效果最为理想。

3) 水泥稳定碎石混合料平均空隙直径与空隙分布百分比之间服从洛伦兹函数统计分布, 平均空隙直径与空隙累计百分率之间满足Exponential函数模型关系。采用振动成型方法能够减小水泥稳定碎石混合料内部的平均空隙直径, 减小大孔隙出现的概率。

4) 集料取向角、平均空隙直径与无侧限抗压强度、劈裂强度及疲劳寿命之间的线性拟合关系良好, 试件成型方法对水泥稳定碎石强度的影响机理在于成型方式改变了集料取向角、平均空隙直径等细微观结构性能。