微裂水泥穩定碎石基層材料抗凍性能研究

樊旺生

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 微裂技術的概念及原理

1.1 微裂技術

微裂技術是指水穩基層在剛開始養生的1～3 d內，通過振動壓路機碾壓，使基層出現可見的細微網狀裂縫，通過微裂網絡吸收材料的干縮或溫縮應力，避免水穩基層出現長寬裂縫。材料在微裂技術處理后形成較小間距的細微裂縫網絡，從而阻斷了長寬裂縫的發展路徑，隨著材料在養護期內的反應，生成的物質逐漸填充裂縫，宏觀上形成材料的自愈現象，同時也保障了水泥穩定碎石的強度和承載力。根據水穩碎石的強度形成及微裂技術的原理可知，微裂水穩碎石基層的強度形成及自愈合過程是較為復雜的過程。

1.2 水泥穩定碎石基層微裂機理

水穩碎石基層在采用微裂技術處理后，在小間距內形成的細微裂縫網絡，使半剛性材料的早期收縮應力得以釋放，避免出現長且寬的裂縫。由于水穩碎石材料的微裂往往在養護的早期階段開展，裂縫周邊的材料仍會繼續發生物理和化學反應，形成宏觀上的裂縫自愈效果，基層強度隨著水化反應的不斷進行而提升，保證了基層的整體板結性和承載力不受前期微裂處理的影響。

1.3 微裂技術主要影響因素

(1)結構類型。水泥穩定碎石結構隨著集料類型、級配等的變化而改變，材料的力學性能也隨之變化。研究表明，由于水穩碎石微裂縫往往發生在膠結料與集料的結合處，不同的結構類型對應了不同的比表面積和接合面狀況，當集料受到上部振動壓路機作用時，集料與膠結料的接觸面破壞情況有所差別，導致微裂效果、裂縫愈合情況也不同。

(2)水泥劑量。水泥是水穩碎石材料的主要成分，對材料的強度形成有關鍵影響。水泥劑量對于混合料早期水化反應的進行和初期強度形成有決定性影響，劑量過大會導致水化作用劇烈，大量熱量集中釋放，導致材料過早出現裂縫。合適的水泥劑量能夠保證水化反應在材料的養護期內持續進行，同時微裂技術的開展也是在混合料養護的初期，水泥劑量對材料的微裂效果有影響。

(3)微裂實施時間。在水泥穩定碎石材料養護的初期，材料強度形成速度較快，導致材料收縮特性較為明顯。雖然在養護初期采取微裂技術對最終的強度成長沒有影響，但是由于混合料在初期不同時間的強度、收縮性差異明顯，導致微裂技術形成的裂縫狀態也差別巨大。要獲得最佳的微裂縫網絡，需要通過試驗明確實施微裂技術的最佳時機。

(4)微裂荷載。國內常用于水泥穩定碎石微裂技術的機械是20～30 t位的振動壓路機。但是不同的壓路機力學參數、作用荷載、壓實效果等也有差別。對于微裂技術而言，碾壓荷載過大，容易導致混合料出現不可控的嚴重裂縫，造成基層的粗集料及結構破壞，難以滿足基層承載力要求；若荷載過小，則難以形成有效的微裂縫網狀結構，不能有效組織材料收縮形成的長寬裂縫。因此，碾壓荷載也是保證微裂技術效果、混合料最終強度及耐久性的因素。

2 依托工程與現場檢測情況

以某國道改造項目為工程依托，路面改造的結構為：4 cm AC-13細粒式瀝青混凝土+6 cm AC-16中粒式瀝青混凝土+30 cm水泥穩定碎石+30 cm石灰土。采用SH系列智能數字測溫儀對凍融期內的基層溫度進行監測，時間從當年10月13日至次年4月11日，測溫間隔為5 d。將溫度傳感器進行防水處理后，埋設在基層的上部和下部，如圖1所示。

圖1 傳感器埋設位置

圖2 基層上下部溫度曲線

最終得到的基層上部下部的溫度變化曲線如圖2所示。本次試驗路處于凍深淺的輕凍區，因此主要考慮基層頂部的凍融情況。根據圖2的溫度測量結果可知，水穩碎石基層共經歷三次凍融循環，頂面冰凍最低溫度為-11 ℃，由于凍融循環三次后材料的強度下降損失速率并不明顯，因此室內試驗選擇五次凍融循環，冰凍溫度定為最低溫度-11 ℃。

3 室內試驗

3.1 試驗原材料與混合料

(1)水泥。本次試驗采用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的主要參數如表1所示，水泥劑量選擇5%。

表1 試驗所用水泥的主要參數

(2)集料。集料采用石灰巖，要求具備較少的針片狀含量和良好的粒形，確保混合料能夠形成良好的級配結構。集料的參數指標如表2所示。

表2 試驗所用集料的主要參數

(3)級配組成。本次試驗水穩碎石混合料結構選擇懸浮密實結構，結合相關規范，最終確定的集料級配如表3所示。

表3 級配組成表

3.2 室內試驗方法

室內試驗采用DZY-09型振動壓實儀進行水穩碎石的微裂處理，微裂時間為養生初期的兩小時后。試件養護天數分為7、14、28、60、90 d共5種，微裂程分為0%、20%，30%、40%共4種，共計20個試驗組。根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，本次試驗采用的抗凍性評價指標為抗凍系數和質量損失率。

4 抗凍試驗結果

4.1 抗凍系數

對試件進行抗壓強度實驗，測定凍融前后抗壓強度的變化情況，計算抗凍系數BDR，結果如表4所示。

表4 凍融前后抗壓強度變化情況

根據表4和圖3可知，凍融循環后的抗壓強度變化情況隨微裂程度的不同而不同。在相同養生天數下，抗凍系數隨著微裂程度的增加而減小，這種差異在養生初期最為明顯。雖然這種差異會持續存在，但是隨著養護的進行，差異會逐漸減少且趨于穩定。對比微裂程度為0(即普通水泥穩定碎石材料)，微裂水穩碎石的抗凍融能力確實有所下降。隨著微裂程度的增大，材料內部的微裂縫及空隙增加，承受的孔道壓力增加，這也導致材料的密實性相比正常水穩材料有所下降，抵抗凍融循環的能力降低。

由圖3可知，對于同一微裂程度的水穩碎石材料，抗凍系數隨著養護天數的增加而增加，但是增長速率逐漸降低。說明凍融循環對材料的強度影響隨著養護的進行而降低。不同微裂程度的抗凍系數的變化情況有所不同，對于微裂程度20%、30%的試件，抗凍系數的變化速率相當接近。當程度達到40%時，材料抗凍系數在60 d之前的變化幅度尤為明顯。在微裂程度較大時，隨著養護的進行，水泥穩定碎石基層的強度恢復較為明顯。對于40%微裂程度的試件，養護28 d的抗凍系數為75.65%，能夠滿足規范要求。對40%微裂程度的抗凍曲線進行分析可知，材料在養護24 d左右時能夠達到75%抗凍系數。

圖3 試件抗凍系數與養生天數的關系

4.2 質量損失率數據分析

通過質量損失率的測定，對微裂技術與試件抗凍性、耐久性間的關系作進一步的分析。表5所示為不同微裂程度、不同養生期下試件的凍融循環損失質量。圖4為據此繪制的質量損失率與養護天數的關系圖。

根據表5和圖4可知，質量損失變化曲線能夠印證抗凍系數的變化結果。對于同一裂縫程度的試件，其質量損失隨著養護的進行而減小。養護天數為90 d時，40%微裂程度試件的質量損失同正常水穩基層的質量損失差異較小，分別為0.16%和0.33%，相差僅0.17%。這也表明，隨著養護的進行，微裂處理對試件的影響逐漸減少。對于微裂程度為20%、30%的試件，其質量損失情況完全滿足規范中5%的要求。對于微裂程度為40%的試件，養護初期的凍融試驗質量損失率達到6.63%，超過了規范的要求，養護達到7 d時，才滿足5%的質量損失率要求。因此對于微裂程度40%的微裂水泥穩定碎石基層，為了滿足規范中對質量損失的要求，施工養護天數不得低于7 d，同時考慮到上一節抗凍系數的要求，微裂水穩碎石基層在進入冰凍期前，養護的天數應不少于24 d。

表5 各條件下的質量損失率

圖4 質量損失率隨養生天數的變化情況

5 結 論

微裂技術能夠在不損失水穩基層強度及承載力的前提下，減少基層的長寬裂縫與反射裂縫的數量。對微裂水泥穩定碎石基層抗凍性能進行研究，測定不同微裂程度、不同養護期試件的抗凍系數和質量損失率。試驗結果表明，采用微裂技術后試件的抗凍能力雖然有所下降，但是仍然能夠滿足規范要求。對于微裂程度為40%的水泥穩定碎石基層，為了同時滿足規范中抗凍系數和質量損失率的要求，應當保證基層在冰凍期前的養護天數超過24 d，微裂程度為20%、30%的水穩碎石基層則沒有受此限制。