水泥稳定碎石细观骨架结构特征研究_李智.pdf

第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）水泥稳定碎石细观骨架结构特征研究李智1，刘勇1，刘健2（1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641；2.弗吉尼亚理工大学 土木工程与环境工程系，弗吉尼亚 黑堡 VA24061）摘要：为了探究不同因素对水泥稳定碎石细观骨架结构的影响，应用 CT扫描和数字图像处理技术，从细观角度提出新的水泥稳定碎石骨架结构评价指标，并进行有效性验证，利用该指标对不同成型方式下的混合料骨架结构进行评价。结果表明：该指标评价结果与工程实际和以往研究相符合，旋转压实成型方式在达到一定压实次数后骨架指标趋于稳定，振动成型达到一定的振动时长后获得较好的骨架结构，继续振动反而会导致集料竖向离析。旋转压实能获得较好的横断面骨架指标，振动成型获得的纵断面指标更优。用该指标评价不同成型方式的骨架特征具有一定指导意义。关键词：水泥稳定碎石；数字图像处理；骨架结构；成型方式中图分类号：U416.214文献标志码：AA文章编号：1673-9787（2023）2-175-7Research on characteristics of meso-skeleton structure of cement-stabilized rock materialLI Zhi1，LIU Yong1，LIU Jian2（1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China；2.Department of Civil and Environmental Engineering，Virginia Polytechnic Institute and State University，Blacksburg 24061，Virginia，USA）Abstract：In order to evaluate the influences of different factors on the meso-skeleton structure of cement-stabilized rock material（CCRM），a new evaluation index for the skeleton structure of CCRM was proposed from a meso-level perspective and its validity was verified.The results showed that the evaluation results of this index were consistent with engineering practice and previous research.The skeleton index tended to be stable after the rotary compaction molding method reached a certain number of compactions，and a better skeleton structure was obtained after the vibration molding reached a certain vibration time.Continued vibration would cause the aggregate to segregate vertically.Rotary compaction could obtain better cross-sectional skeleton indicators，and vibration molding could obtain better longitudinal cross-sectional indicators.Using this index to evaluate the skeleton characteristics of different molding methods had certain guiding significance.Key words：cement-stabilized rock material；digital image processing；skeleton structure；molding method李智，刘勇，刘健.水泥稳定碎石细观骨架结构特征研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：175-181.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021010132LI Z，LIU Y，LIU J.Research on characteristics of meso-skeleton structure of cement-stabilized rock material J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：175-181.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021010132收稿日期：2021-01-29；修回日期：2021-05-12基金项目：国家自然科学基金资助项目（52378223）第一作者简介：李智（1971），男，黑龙江克山人，博士，副教授，主要从事道路工程材料设计与性能评价方面的教学和研究工作。Email：O S I D2023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）0引言水泥稳定碎石结构的强度主要由骨料级配形成的骨架结构和水泥浆体形成的黏结填充作用构成1。提高水泥用量虽然能提高结构层抗压强度，但由温缩、干缩等造成的开裂风险也随之而来。材料设计过程中，平衡水泥用量和骨架结构设计是保证强度、避免开裂的关键环节。一些学者从材料设计阶段出发，提出不同的材料设计方法以期达到良好的骨架结构2-4。也有学者对不同成型方式下的试件性能进行分析，发现室内静压法成型试件与现场实际路面压实效果不匹配，不同成型方式及压实功大小对试件性能影响不同5-9。这些研究结果多以宏观试验评价，难以判断强度变化的具体原因，内部细观结构的骨架特征也缺少合理分析，而混合料的宏观性能主要由其内部细观结构决定。针对上述问题，从细观角度对水泥稳定碎石骨架结构特征进行研究，提出全面合理的骨架结构评价指标，对于探究试件宏观性能变化规律与细观结构特征间的内在联系显得尤为必要。本文通过 CT 扫描技术对水泥稳定碎石试件进行横纵断面扫描，对断面粗集料颗粒进行等效圆处理，并据此提出新的水泥稳定料横纵断面骨架评价指标。对不同压实功成型的试件进行骨架指标评价，探究压实功对于混合料骨架质量的影响，并和已有研究结果对比，验证评价指标的可靠性。最后，对不同成型方式的各个骨架指标进行对比分析，探究成型方式和级配设计对于整体骨架质量的影响。1水泥稳定碎石骨架结构指标CT 扫描技术作为一种获取结构内部信息的手段，在分析混合料内部结构方面已有大量应用10。本文首先利用 CT扫描技术，对成型的水泥稳定试件横纵断面扫描，所用 CT设备为 Compact-225 型工业 CT。为减少图像处理的工作量，仅取代表性横纵断面进行分析。断面选取规则如下：横断面部分以距顶部 5 mm 位置为起点，以 10 mm向下递增，共取 15 个断面；纵断面部分以距边缘10 mm 位置起，以 10 mm 递增，并补充 45 mm 和55 mm处两个位置，共 11个断面，见图 1。1.1横断面骨架指标本文骨架指标用骨架的紧密程度表征，该指标一方面与粗集料尺寸有关，另一方面与骨架颗粒间的相对位置有关。由于 CT 扫描断面的集料形状不规则，几何形状信息难以提取且计算复杂，因此将粗集料颗粒等效为圆形颗粒，该等效圆形颗粒以粗集料质心为圆心，以粗集料面积换算的等面积圆半径为等效半径。为判断横断面上某颗粒在混合料骨架结构中影响力的大小，定义以某粗集料质心为圆心、以其 n 倍等效半径为半径的圆所覆盖区域为该颗粒的骨架紧密影响域。影响域内覆盖的质心越多，认为该颗粒周围的骨架结构越好，因此试件横断面的骨架紧密程度由断面内所有颗粒影响域覆盖的质心总数与颗粒数的比值决定。影响域范围的选取至关重要，影响域太小，包含不到其他颗粒的质心，太大则因覆盖范围过广而无法有效评价。研究表明，两倍等效半径下 的 影 响 域 更 适 用 于 分 析 混 合 料 骨 架 紧 密 程度11，本文选取两倍等效半径影响域进行分析，见图 2。定义横断面骨架紧密系数 C为横断面所有粗颗粒影响域内包含的质心数之和与粗颗粒总数的比值，C=i=1nain，（1）式中：n为横断面内粗集料颗粒数目；ai为粗集料颗粒i影响域覆盖的质心数。骨架结构亦可能存在图 3 所示状态，此时C值很大，但集料集中在某一区域，表现为混合料质量不均匀。因此良好的骨架结构还应使横断面内均匀分布足够多的粗集料。引入粗颗粒面积比Sc概念，SC=i=1nSiS，（2）式中：Si为粗集料颗粒i的面积；S为横断面面积。对水泥稳定碎石横断面的骨架嵌挤质量进行评价时，需要结合以上两个参数进行综合评价，计图 1断面分析位置示意图Fig.1Schematic diagram of section analysis locations176第 2 期李智，等：水泥稳定碎石细观骨架结构特征研究算过程中发现C与SC不在同一数量级，因此采用式（3）计算横断面骨架综合嵌挤系数，SD=1C+52SC，（3）式中：SD为骨架综合嵌挤系数；1，2分别为骨架紧密系数C和颗粒面积比SC的权重系数，且1+2=1。在水泥稳定的碎石结构设计中，骨架结构质量的优劣主要以骨架紧密系数 C 为主，即骨架综合嵌挤系数中认为骨架紧密系数的权重大于粗颗粒面积比的权重，因此（3）中可取1=0.6，2=0.4。用SD表征该横断面上的骨架综合嵌挤系数，对于试件的整体骨架嵌挤质量，采用所有横断面上的骨架嵌挤系数的均值-SD表征。由文献12 可知，当一个试件的断面数量达到 10 个时，能达到 95%保证率，5%误差。1.2纵断面骨架指标合理的骨架结构既需要粗集料之间足够紧密，还要求在荷载等其他外界作用下维持相对稳定。将集料颗粒边界上最远两点的连线设为集料长轴，将集料长轴与水平方向的夹角记为长轴倾角，其值为 0180，见图 4。骨架结构受到竖向荷载作用时，长轴倾角越接近竖直状态的颗粒更倾向于向水平方向倾倒，因此采用混合料纵断面骨架稳定系数表征骨架结构 在 荷 载 等 其 他 因 素 作 用 下 维 持 相 对 稳 定 的能力，=i=1n|0，i 45i-45，45 i 90135-i，90 i 1350，135 i 180n，（4）式中：为纵断面骨架稳定系数；i为粗颗粒长轴倾角；n为粗颗粒数目。用试件所有纵断面骨架稳定系数均值-表征试件的整体稳定性，-越大，说明该纵断面骨架结构稳定性越差。1.3横断面骨架指标验证为了验证上文提出指标的有效性，采用旋转压实成型方式对同一级配采用不同旋转压实次数成型，探究不同压实功下试件横断面骨架指标变化规律，见图 5。由图 5可知，在该评价指标下，旋转压实成型方式中不同试件高度处的横断面骨架质量不一图 22倍等效半径下影响域范围示意图Fig.2Schematic diagram of influence scope under 2 times the equivalent radius图 3骨架不均匀分布Fig.3Uneven distribution of skeleton图 4集料长轴倾角示意图Fig.4Schematic diagram of the inclination o