公路工程水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性分析

李慧菊

寧夏路橋工程股份有限公司 寧夏 銀川 750004

1 水泥穩(wěn)定碎石作用原理

水泥穩(wěn)定碎石屬于水硬性材料（偏脆性），其以級(jí)配碎石為骨料，利用灰漿與膠凝材料填充骨料空隙，按嵌擠原理攤鋪壓實(shí)，主要以碎石間的嵌擠鎖結(jié)原理形成強(qiáng)度。該材料初期便可擁有較高強(qiáng)度，同時(shí)隨著齡期的增加很快結(jié)成板體，以此提升整體剛度。

水泥穩(wěn)定碎石基層施工成型后，其內(nèi)部會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的物理、化學(xué)反應(yīng)，并且隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度與剛度會(huì)不斷增加。水泥穩(wěn)定碎石對(duì)環(huán)境因素較為敏感，在溫度與濕度變化較大時(shí)，易使基層產(chǎn)生溫縮和干縮現(xiàn)象，此時(shí)在下臥層與其自身之間的磨阻作用下，會(huì)因收縮抑制而于基層內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)該階段水泥穩(wěn)定碎石抗拉極限時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生[1]。

2 水泥穩(wěn)定碎石裂縫產(chǎn)生機(jī)理及其危害

溫度裂縫與干縮裂縫為水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫的主要形式，其中溫度裂縫主要是由結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣相、液相、固相在溫度變化下所產(chǎn)生的不同收縮而引起的綜合效應(yīng)，一般而言，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣相大部分與大氣貫通，因此該影響表現(xiàn)較小，甚至可以忽略；對(duì)于固體礦物，其收縮性一般較小（但粉性礦物收縮性較大），而反應(yīng)生成物中的膠結(jié)物對(duì)溫度較為敏感，收縮程度較大。干縮裂縫主要是材料內(nèi)部因水分喪失而使體積變化所引起的收縮現(xiàn)象，溫度裂縫中的液相因素與其原理相同。由此可知：

（1）影響水泥穩(wěn)定碎石混合料脹縮性能的主要因素為水，收縮系數(shù)因水的存在而增長(zhǎng)明顯；

（2）混合料中各固相成分及其含量為固相收縮系數(shù)的決定性因素，在化學(xué)反應(yīng)新生物結(jié)晶硬化的作用下，使半剛性材料收縮系數(shù)不斷增加，但是隨著混合料強(qiáng)度的增長(zhǎng)，又會(huì)對(duì)水的作用形成一定的制約。

（3）水泥穩(wěn)定碎石基層一旦出現(xiàn)裂縫，便會(huì)在裂縫處基層與面層之間形成一個(gè)薄弱點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力共同作用，瀝青面層底部便會(huì)于該點(diǎn)處形成應(yīng)力集中區(qū)，此時(shí)當(dāng)瀝青面層較薄時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，并且在大氣環(huán)境與行車荷載的反復(fù)作用下，該裂縫最終會(huì)發(fā)育至將瀝青面層貫穿（稱為反射裂縫）[2]。

3 水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂因素分析

3.1 結(jié)構(gòu)類型

基于基層材料收縮機(jī)理的分析，原材料就礦物組成顆粒而言其脹冷縮性一般較小，而水泥漿液與新生膠結(jié)物（如二灰化學(xué)反應(yīng)物）脹冷縮性則表現(xiàn)較大，一般情況下，由于細(xì)集料擁有較大的比表面積，新生膠結(jié)物大部分會(huì)裹覆于其表面，因此可認(rèn)為細(xì)集料與新生膠結(jié)物（以下總稱為砂漿）為造成基層材料收縮主要因素。對(duì)于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)而言，由于混合料所含砂漿較多，因此脹縮性能表現(xiàn)較大，但是又因其為連續(xù)級(jí)配，故而施工質(zhì)量相對(duì)易于控制；對(duì)于骨架空隙結(jié)構(gòu)而言，雖然其脹縮性能因混合料砂漿含量較少而表現(xiàn)最小，但是由于細(xì)集料較少，要想達(dá)到同等強(qiáng)度，必然會(huì)使結(jié)交料增加，同時(shí)對(duì)碾壓工藝要求嚴(yán)格，綜合經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)較差；對(duì)于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)而言，由于混合料所含砂漿適量且結(jié)構(gòu)密實(shí)，粗集料之間結(jié)合緊密，嵌擠作用發(fā)揮充分，因此力學(xué)性能與脹縮性能表現(xiàn)良好，但在施工過(guò)程中應(yīng)注意防止混合料離析。

3.2 粗集料含量

對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石混合料而言，其強(qiáng)度主要來(lái)源于水泥砂漿黏結(jié)力與集料顆粒間摩阻力，二者間用量比例對(duì)混合料強(qiáng)度影響過(guò)程為：

（1）當(dāng)集料用量較少時(shí)，混合料強(qiáng)度以水泥砂漿黏結(jié)力為主要表現(xiàn)，此時(shí)粗集料分散于砂漿中形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)；

（2）在集料用量增加初級(jí)階段，粗集料顆粒間摩阻力逐漸增大，此時(shí)由于水泥砂漿含量基本未變，故而混合料強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。而當(dāng)集料用量增加到一定程度時(shí)，水泥砂漿黏結(jié)力與粗集料顆粒間摩阻力均得到了充分發(fā)揮，混合料強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)最大值，此時(shí)則形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；

（3）在集料用量繼續(xù)增加情況下，此時(shí)粗集料顆粒空隙不足以被水泥砂漿完全填充，骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性表現(xiàn)較差，混合料強(qiáng)度主要來(lái)源于骨架結(jié)構(gòu)的嵌擠作用，形成骨架空隙結(jié)構(gòu)，此時(shí)強(qiáng)度反而會(huì)降低。

對(duì)于不同性質(zhì)的粗集料，由于在松散堆積狀態(tài)下其空隙率并不一致，因此最佳用量也并不相同。

3.3 膨脹劑

混合料摻加膨脹劑后，其抗裂機(jī)理主要表現(xiàn)為微膨脹作用（補(bǔ)償收縮）與致密性作用。

（1）微膨脹作用

水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與膨脹劑反應(yīng)生成的鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H20）礦物晶體為膨脹劑膨脹作用的主要來(lái)源，由于該晶體具有固相膨脹特征，因此可對(duì)混合料因水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的體積收縮形成有效的補(bǔ)償效果。

對(duì)于水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的來(lái)源，其主要是通過(guò)水泥中硅酸二鈣(C2S)與硅酸三鈣(C3S)與水反應(yīng)所產(chǎn)生，如下式（1）與（2）所示：

而鈣礬石的形成則通過(guò)下式（3）由膨脹劑與Ca(OH)2反應(yīng)生成：

在水泥組成成分中，由于C3S含量約占40%，且其水化反應(yīng)較快，因此（2）式反應(yīng)主要發(fā)生在水化初期，并且生成Ca(OH)2

較多，與膨脹劑反應(yīng)生成鈣礬石速率較快，對(duì)混合料干縮補(bǔ)償能力較強(qiáng)，干縮系數(shù)明顯小于普通水泥穩(wěn)定碎石；而C2S含量約占35%，但其水化反應(yīng)較慢，故而（1）式反應(yīng)主要發(fā)生在水化后期，并且生成Ca(OH)2較少，與膨脹劑反應(yīng)生成鈣礬石速率較慢，對(duì)混合料干縮補(bǔ)償能力相對(duì)較弱，干縮系數(shù)減小緩慢。

（2）致密作用

膨脹劑與Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣礬石晶體，對(duì)材料內(nèi)部毛細(xì)管道進(jìn)行填充，以此增強(qiáng)材料致密性為膨脹劑致密作用的主要體現(xiàn)。由于毛細(xì)管數(shù)量減少、張力降低，從而使水泥穩(wěn)定碎石因毛細(xì)管作用引起的干燥收縮減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的提升，其過(guò)程需做好施工任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)控制，以此提升基層路用性能。