一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法

1.本发明涉及一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，属于道路基础设施性能提升领域。


背景技术：

2.半刚性材料凭借其优异的承载力和低廉的造价成为我国高等级道路的主要基层，我国目前修筑了全世界最多的半刚性基层沥青路面。半刚性基层优异的承载能力有利于分布行车荷载，从而大幅降低路基顶部的压应力和沥青面层底部的弯拉应力。同时，采用半刚性基层能够降低路面结构的工程造价。
3.虽然半刚性基层在我国应用广泛，但其不可避免地会产生干燥收缩和温度收缩。当基层的收缩受到约束时，材料内部呈受拉状态，最终产生脆性断裂。基层开裂后裂缝逐渐反射至面层，形成我国半刚性基层沥青路面的典型病害—反射裂缝。反射裂缝的出现会减低沥青路面的使用性能并缩短使用寿命。
4.反射裂缝问题严重影响道路的使用质量，对于半刚性基层的抗裂方法，目前主要包括在结构设计中优化半刚性基层沥青路面结构、在施工中实施预切缝或预设微裂缝以及优化水泥稳定碎石的收缩性能等措施，这些手段虽然在实际使用中取得了一定的基层抗裂的成果，但一方面现在的抗裂设计在实施难易度和质量控制中存在不足，另一方面抗裂设计主要基于工程经验，难以保证理想的抗裂效果。
5.因此，为从根本上减少反射裂缝的产生，有必要从水泥稳定碎石的收缩开裂机理以及反射裂缝在路面结构中的演化过程出发，开展水泥稳定碎石的材料优化设计。


技术实现要素：

6.发明目的：为了解决目前主要基于工程经验和简单试验的水泥稳定碎石基层抗裂设计导致的材料设计不合理和抗裂性能不稳定等缺陷，本发明提供一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，从构造水泥稳定碎石材料的薄弱界面过渡区的材料设计角度出发，分析总结基层材料和路面结构开裂破坏的能量演化规律，并基于此确定抗裂式水泥稳定碎石的设计理念与设计方法，使水泥稳定碎石材料的抗裂设计更加明确、合理，实现水泥稳定碎石抗裂性能的充分优化并与材料强度性能相平衡，达到减少半刚性基层路面的反射裂缝病害，提高路面使用质量等效果。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.步骤1：获得水泥稳定碎石基层材料的能量演化过程，能量演化包含五个过程，分别是能量输入、能量积聚、能量储存、能量耗散以及能量释放；水泥稳定碎石基层材料能量守恒关系为：
9.w＝u
积
＝u
耗
+u
释
10.其中，w表示外荷载做的功，单位j/m3，
11.u
积
表示基层材料积聚的弹性应变能，单位j/m3，
12.u
耗
表示基层通过微裂缝耗散的能量，单位j/m3，
13.u
释
表示基层材料储存的可释放应变能，单位j/m3；
14.步骤2：获得基层的能量演化机制，基层的能量守恒关系为：
15.u
积
·v基
＝u
耗
·v基
+u
释
·v基
16.其中，
[0017]v基
表示基层的体积，单位m3；
[0018]
步骤3：获得路面整体结构的能量演化机制，能量演化包含六个过程，分别是能量输入、能量积聚、能量耗散、能量储存、能量释放以及能量剩余，路面整体结构能量守恒关系为：
[0019]u释
·v基
＝u
面
·v面
+u
基
·v基
，其中，
[0020]u面
表示面层积聚的弹性应变能，单位j/m3；
[0021]u基
表示基层剩余的可释放弹性应变能，单位j/m3，
[0022]v面
表示面层的体积，单位m3；
[0023]
步骤4：获得路面结构的开裂破坏能量演化模型，路面结构破坏时能量关系为：
[0024][0025]
其中，表示基层储存的可释放弹性应变能极限值，单位j/m3；
[0026]
表示面层积聚的弹性应变能最大值，单位j/m3；
[0027]
所述基层储存的可释放弹性应变能极限值面层积聚的弹性应变能最大值和基层剩余的可释放弹性应变能u
基
计算分别为：
[0028][0029][0030][0031]
基层横截面上的应力σ
基
与面层端部的应力的平衡关系为：
[0032][0033]
此外，引入损伤变量参数描述基层材料破坏时模量与初始模量的关系为：
[0034][0035]
材料损伤越严重则基层材料破坏时模量越小。
[0036]
所述面层积聚的弹性应变能最大值计算公式为：
[0037][0038]
其中，表示基层材料破坏时应变，e
基
、表示基层材料的初始弹性模量和破坏时的弹性模量，单位mpa，表示损伤变量，[0,1]，值越大表示损伤越严重；e
面
表示面层的抗拉弹性模量，单位mpa；h
面
、h
基
表示面层与基层的厚度，单位m；
[0039]
步骤5：确定界面弱化为抗裂式水泥稳定碎石设计基础，面层积聚的弹性应变能最大值与路面抗裂性能成负相关，并与基层材料的初始弹性模量e
基
成负相关、与损伤变量成正相关；级配根据能量演化关系选择骨架密实型间断级配：采用单一粒径粗集料形成骨架，骨架间隙中填充水泥砂浆，实现界面弱化设计效果。
[0040]
选用粒径为19mm-26.5mm的石灰岩作为粗集料；水泥砂浆中的细集料选择小于4.75mm或小于2.36mm的石灰岩细集料。
[0041]
水泥砂浆填充在粗骨架间隙中的比例，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)中对原材料进行捣实填充试验，根据试验结果不同比例下的水泥稳定碎石体积参数选定；粗集料与水泥砂浆之比介于6：4至8：3之间。
[0042]
步骤6，确定材料的水泥剂量和含水量，水泥剂量为4％-5％；选定高于最佳含水量0.5％-1％作为实际含水量。
[0043]
本发明提供的一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，其有益效果是：
[0044]
(1)本发明提供的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，具有充分的理论基础支持，基于能量守恒定律和应力应变分析，总结了在水泥稳定碎石基层材料收缩导致路面开裂这一过程中基层材料的能量演化规律并建立了路面结构的能量演化机制，合理的计算分析为水泥稳定碎石的抗裂设计提供了明确指导，避免了设计的经验性和盲目性。
[0045]
(2)本发明提供的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法的设计理念是构造弱化的界面过渡区，该理念是基于分析了路面结构中能量输入、能量积聚、能量耗散、能量储存、能量释放和能量剩余等过程的机理，界面弱化能够使基层材料更易产生微损伤与微裂缝，减少路面积聚的能量，避免宏观的脆性断裂。这一设计理念基础使抗裂设计方法更具针对性，通过改变材料的微观性能来提升水泥稳定碎石基层的宏观抗裂性能，设计效果更加理想稳定。
[0046]
(3)按本发明提出的抗裂式水泥稳定碎石设计方法进行水泥稳定碎石的配合比设计，通过采用单一粒径粗集料骨架和适当提高水灰比来弱化集料-砂浆界面过渡区，同时合理配比使材料达到骨架密实状态，令骨架充分嵌挤来提供足够的强度。这一设计方法兼顾材料的抗裂性能和强度性能，对于抗裂式水泥稳定碎石基层的运用与推广具有实际价值，对于改善半刚性基层路面的反射裂缝病害具有良好应用前景。
附图说明
[0047]
图1为本发明基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法流程图；
[0048]
图2为水泥稳定碎石基层材料的能量演化规律；
[0049]
图3为路面结构的能量演化机制；
[0050]
图4为本发明设计的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石的级配曲线；
[0051]
图5a为本发明设计的抗裂式水泥稳定碎石薄弱集料-砂浆界面过渡区的光学显微镜照片；
[0052]
图5b为本发明设计的抗裂式水泥稳定碎石薄弱集料-砂浆界面过渡区的扫描电子显微镜照片；
[0053]
图6为本发明设计的抗裂式水泥稳定碎石的干缩试验结果。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0055]
如图1所示为一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法流程图，包括如下步骤：
[0056]
(1)分析水泥稳定碎石基层材料的能量演化规律，如图2所示，具体包含五个过程，分别是能量输入，能量积聚，能量储存，能量耗散和能量释放。外荷载做的功w积聚为基层材料中的弹性应变能u
积
。积聚的能量一部分转化成微裂纹的表面能u
耗
耗散掉，剩余能量则作为可释放应变能u
释
储存在材料中。这一过程存在能量守恒关系为：
[0057]
w＝u
积
＝u
耗
+u
释
。
[0058]
(2)分析路面结构的能量演化机制，如图3所示，具体包含六个过程，分别是能量输入和能量积聚，能量耗散和能量储存，以及能量释放和能量剩余。基层从外界湿空气吸收能量并储存，能量在路面结构中流动，形成能量流，最终流向面层，使面层开裂，形成反射裂缝。基层积聚的弹性应变能u
积
发生耗散和存储时存在能量守恒关系：
[0059]u积
·v基
＝u
耗
·v基
+u
释
·v基
。
[0060]
路面结构采用弹性层状体系假设，受层间约束作用，基层一部分可释放应变能u
释
释放到面层，剩余能量继续储存在基层内。能量释放和剩余过程存在能量守恒关系为：
[0061]u释
·v基
＝u
面
·v面
+u
基
·v基
[0062]
基层先前储存的可释放弹性应变能u
释
为面层积聚的弹性应变能u
面
和基层剩余可释放弹性应变能u
基
，基层储存的可释放弹性应变能u
释
随基层的持续收缩而增加，释放至面层并积聚的弹性应变能u
面
也随之增加。当基层储存的可释放弹性应变能u
释
达储能极限时，面层弹性应变能u
面
也达到最大值能量守恒关系为：
[0063][0064]
(3)分析路面结构的开裂破坏机理。为了抑止反射裂缝，应减少面层积聚的弹性应变能，即越小越好。基层储存的可释放弹性应变能极限值面层积聚的弹性应变能最大值和基层剩余的可释放弹性应变能u
基
计算分别为：
[0065]
[0066][0067][0068]
由路面结构受力平衡，基层横截面上的应力σ
基
与面层端部的应力在水平方向上构成力学平衡，同时面层与基层长度相等，体积之比、面积之比等于厚度之比，平衡关系为：
[0069][0070]
此外，引入损伤变量参数描述基层材料破坏时模量与初始模量的关系为：
[0071][0072]
根据能量守恒关系、能量计算公式和力学平衡关系，最终表示为：
[0073][0074]
基于对的计算，分析影响路面结构开裂的影响因素。对于半刚性基层沥青路面而言,面而言,比较稳定，为减小改善路面的抗裂性能，须增大设计的水泥稳定碎石材料的初
[0075]
始弹性模量e
基
和损伤程度
[0076]
水泥稳定碎石的粗集料与水泥砂浆之间存在较薄弱的界面过渡区，该区域存在较多的孔隙或微裂缝，并且水泥水化程度比水泥砂浆区域更低。将界面过渡区进一步弱化，材料将更容易产生微裂纹损伤，即损伤变量增大；同时，材料的初始模量e
基
也会降低。基于界面弱化设计的水泥稳定碎石可以减少基层的储能极限和面层能量合理改善抗裂性能。
[0077]
(4)根据上述步骤对能量演化的计算分析，基于界面弱化进行抗裂式水泥稳定碎石设计，首先确定材料的级配类型和组成。级配类型选为骨架密实型间断级配：采用单一粒径粗集料形成骨架，骨架间隙中填充水泥砂浆，骨料与砂浆黏结薄弱，在收缩时界面过渡区更易损伤产生微裂缝，耗散能量。
[0078]
选用粒径为19mm-26.5mm的石灰岩作为单一粒径骨架粗集料。水泥砂浆中的细集料，选择小于4.75mm或小于2.36mm的石灰岩细集料。水泥砂浆填充在粗骨架间隙中的比例，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)中对原材料进行捣实填充试验，根据试验结果不同比例下的水泥稳定碎石体积参数选定。根据试验情况，粗集料与水泥砂浆之比一般介于6：4至8：3之间，并可根据材料的强度试验结果综合确定级配组成。
[0079]
(5)基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计，还需确定材料的水泥剂量和含水
量。
[0080]
水泥剂量越低，水泥砂浆、界面过渡区的强度越低，材料的抗裂性能越好而强度越低。水泥剂量可预设为占水泥砂浆的10％-15％，并检验该水泥剂量下水泥稳定碎石的强度，一般水泥剂量为4％-5％。
[0081]
含水量主要改变材料的水灰比，对骨架密实型水泥稳定碎石的整体强度影响较小，而水灰比越大，界面过渡区的水囊和孔隙越多，界面过渡区越薄弱，材料抗裂性能越好，此外适当增加含水量也有助于间断级配水泥稳定碎石的充分拌合。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)进行击实试验，确定材料最大干密度下的最佳含水量。为提高水泥砂浆的水灰比，选定高于最佳含水量0.5％-1％作为实际含水量。
[0082]
下面结合实例对本发明做出进一步的说明。
[0083]
选用粒径为19mm-26.5mm的石灰岩作为单一粒径骨架粗集料。水泥砂浆中的细集料，选择小于4.75mm或小于2.36mm的石灰岩细集料，并预设水泥砂浆中水泥含量为砂浆总质量的12％，含水量为砂浆总质量的10％。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)中对不同粗细集料比例的水泥稳定碎石进行捣实填充试验，并计算体积参数矿料间隙率vca与干密度，同时检验7d无侧限抗压强度，试验结果如表1所示。
[0084]
粗集料(％)细集料(％)水泥剂量(％)vca(％)干密度(g/cm3)抗压强度(mpa)70304.0932.22.2034.1668324.3632.82.2684.4866344.6433.72.3224.7764364.9135.72.3425.3362385.1837.72.3655.9060405.4539.62.4196.41
[0085]
试验数据表明，细集料比例超过34％时，水泥稳定碎石的粗骨料矿料间隙率、干密度、抗压强度军均明显快速增加，表明水泥稳定碎石结构趋近于悬浮密实结构，由水泥砂浆的黏结强度提供主要的强度，这与设计目标不符。因此，选定粗集料与细集料比例为66：34，认为此时水泥稳定碎石为骨架密实结构，抗裂性能和强度性能综合最优。
[0086]
设计的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石的级配曲线如图4所示，对于预设的水泥剂量4.64％，进行击实试验，计算最佳含水量为4.01％，最大干密度为2.365g/cm3。此时水灰比为0.86，为实现界面过渡区的弱化，选定4.51％为最终含水量，水灰比为0.97。测试该配合比的抗裂式水泥稳定碎石的7d无侧限抗压强度为4.98mpa，满足高速公路、一级公路对于重交通的强度要，确定为最终设计配合比。
[0087]
为证明本发明提供的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法的合理性和使用性，分别从材料微观结构和宏观干缩性能加以验证。按本发明设计的抗裂式水泥稳定碎石，分别用光学显微镜和扫描电子显微镜观察界面过渡区，界面过渡区的纤维形貌图片如图5所示。
[0088]
从光学显微镜照片图5a和扫描电子显微镜的照片图5b均可看出，按本发明提供的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法设计的水泥稳定碎石的集料-砂浆界面过渡区存在较多的孔隙并且水泥水化产物偏少，符合本发明的设计理念和设计目的。同时，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)对抗裂式水泥稳定碎石和普通
非抗裂式水泥稳定碎石进行干缩性能试验，如图6所示，试验结果表明，基于界面弱化设计的抗裂式水泥稳定碎石的干缩明显小于普通水泥稳定碎石。
[0089]
按本发明提供的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法设计的抗裂式水泥稳定碎石的微观观测和性能测试表明，本实例设计效果比较理想，设计的骨架密实型水泥稳定碎石具有单一粒径粗骨架和薄弱界面过渡区，能够耗散水泥稳定碎石收缩所积聚的能量，材料抗开裂的优化效果明显，并且具有足够的强度，具有实用可行性。这证明了本发明提供的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法的设计理论的可靠性，设计方法的合理性。
[0090]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获得水泥稳定碎石基层材料的能量演化过程，能量演化包含五个过程，分别是能量输入、能量积聚、能量储存、能量耗散以及能量释放；水泥稳定碎石基层材料能量守恒关系为：w＝u
积
＝u
耗
+u
释
其中，w表示外荷载做的功，单位j/m3，u
积
表示基层材料积聚的弹性应变能，单位j/m3，u
耗
表示基层通过微裂缝耗散的能量，单位j/m3，u
释
表示基层材料储存的可释放应变能，单位j/m3；步骤2：获得基层的能量演化机制，基层的能量守恒关系为：u
积
·v基
＝u
耗
·v基
+u
释
·v基
其中，v
基
表示基层的体积，单位m3；步骤3：获得路面整体结构的能量演化机制，能量演化包含六个过程，分别是能量输入、能量积聚、能量耗散、能量储存、能量释放以及能量剩余，路面整体结构能量守恒关系为：u
释
·v基
＝u
面
·v面
+u
基
·v基
，其中，u
面
表示面层积聚的弹性应变能，单位j/m3；u
基
表示基层剩余的可释放弹性应变能，单位j/m3，v
面
表示面层的体积；步骤4：获得路面结构的开裂破坏能量演化模型，路面结构破坏时能量关系为：其中，表示基层储存的可释放弹性应变能极限值，单位j/m3；表示面层积聚的弹性应变能最大值，单位j/m3；计算公式为：其中，表示基层材料破坏时应变，e
基
、表示基层材料的初始弹性模量和破坏时的弹性模量，单位mpa，表示损伤变量，[0,1]，值越大表示损伤越严重；e
面
表示面层的抗拉弹性模量，单位mpa；h
面
、h
基
表示面层与基层的厚度，单位m；步骤5：确定界面弱化为抗裂式水泥稳定碎石设计基础，面层积聚的弹性应变能最大值与路面抗裂性能成负相关，并与基层材料的初始弹性模量e
基
成负相关、与损伤变量成正相关；级配根据能量演化关系选择骨架密实型间断级配：采用单一粒径粗集料形成骨架，骨架间隙中填充水泥砂浆，实现界面弱化设计效果。
2.根据权利要求1所述的基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，其特征在于，还包括步骤6，确定材料的水泥剂量和含水量，水泥剂量为4％-5％；选定高于最佳含水量0.5％-1％作为实际含水量。3.根据权利要求1所述的一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，其特征在于：步骤4中，所述基层储存的可释放弹性应变能极限值面层积聚的弹性应变能最大值和基层剩余的可释放弹性应变能u
基
计算分别为：计算分别为：计算分别为：基层横截面上的应力σ
基
与面层端部的应力的平衡关系为：此外，引入损伤变量参数描述基层材料破坏时模量与初始模量的关系为：4.根据权利要求1所述的一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，其特征在于：步骤5中，选用粒径为19mm-26.5mm的石灰岩作为粗集料；水泥砂浆中的细集料选择小于4.75mm或小于2.36mm的石灰岩细集料；水泥砂浆填充在粗骨架间隙中的比例，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)中对原材料进行捣实填充试验，根据试验结果不同比例下的水泥稳定碎石体积参数选定；粗集料与水泥砂浆之比介于6：4至8：3之间。

技术总结
本发明公开了一种基于界面弱化的抗裂式水泥稳定碎石设计方法，针对当前半刚性基层路面抗裂设计依赖经验、设计流程繁杂、抗裂效果不稳定的问题，提出路面结构的能量演化计算方法和路面开裂破坏机理，再基于能量计算分析来明确抗裂式水泥稳定碎石的配合比设计步骤。依据以上方法设计的抗裂式水泥稳定碎石，由理论计算指导材料设计，抗裂性能优化更具目的性、有效性，综合运用效果更佳，设计流程更合理，有利于路面结构先进抗裂设计的推广应用，有助于抗裂式水泥稳定碎石在实际工程中设计和使用。抗裂式水泥稳定碎石在实际工程中设计和使用。抗裂式水泥稳定碎石在实际工程中设计和使用。


技术研发人员：赵永利 马寅超
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/22