水泥穩定碎石基層混合料的膨脹性分析

姚愛玲,韓方元,許 敏,王軍偉,于少勇

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室， 西安 710064； 2.內蒙古阿拉善盟交通投資有限公司， 阿拉善左旗 750306； 3.上海市政設計研究總院(集團)有限公司西安分公司， 西安 710064)

阿拉善盟等沙漠戈壁地區，夏季酷暑高溫，冬季寒冷干燥，地處鹽漬土地區并且有鹽析現象[1-2]。近年來，不同等級的水穩碎石基層瀝青路面均出現了隔一定距離在不同程度上的橫向隆起開裂。對于隆起病害，目前行業內研究較少。廖雄文等[3]、張長江[4]調研分析發現，瀝青路面的隆起開裂主要是由水穩碎石基層的拱脹引起的；趙昕等[5]基于薄板失穩和壓桿失穩理論對水泥穩定碎石基層的拱脹進行了理論分析；張宏等[6]研究發現鹽漬土路基的鹽脹也可能引起瀝青路面的隆起開裂；但姚愛玲等[7]通過實地調查與研究，發現以沙漠戈壁為代表的額濟納旗瀝青路面的隆起開裂是由水穩碎石基層的高溫拱脹引起的，并非由當地鹽漬土路基的鹽脹引起，因此該地區瀝青路面橫向隆起開裂的主要原因是水穩碎石基層的拱脹。姜濤[8]、黃西民[9]對京新高速臨白段進行研究，發現水穩基層拱脹是由于晝夜溫差大、環境無法調節引起的溫度應力所致。目前，針對水穩碎石混合料本身膨脹性的研究較少，并且研究地區氣候環境復雜，基于此，引起水穩碎石混合料本身膨脹性的原因較為復雜。通過模擬當地的氣候及水文地質條件設計試驗，研究在設定的溫度變化條件下級配類型、水泥劑量、養生齡期[10-12]及硫酸鹽含量對水穩碎石基層本身膨脹性的影響，以期為該地區以及該類地區水穩碎石基層瀝青路面的設計與施工提供指導與依據。

1 水穩碎石混合料試驗方案設計

為了使研究結果更加可靠，前期對目標地區的水文地質條件以及京新高速臨白段的路面各結構層的溫度進行了調查與監測。發現該地區的地表水中以硫酸鹽為主，含量為3 210 mg/mL且有鹽析現象。溫度監測數據顯示在7—8月的 17：00 左右，基層溫度普遍為40～50 ℃，最高溫度為58.1 ℃[7]。

1.1 原材料檢驗

試驗所用的集料全部取自內蒙古阿拉善盟地區，依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)[13]檢測各項指標；水泥來自秦嶺牌符合硅酸鹽水泥P·C 32.5，初凝時間為4 h，終凝時間為 6 h；試驗用水全部為西安市普通自來水。經檢測，原材料的技術指標均符合《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[14]的要求。硫酸鹽為廣東光華科技股份有限公司的無水硫酸鈉，無色透明結晶。

1.2 膨脹性試驗方案設計

考慮到當地水的含鹽量比較高，試驗時，在水中加入了不同含量的無水Na2SO4，分析其對水穩碎石混合料膨脹性的影響。影響水穩碎石混合料溫縮性能的主要因素是級配、水泥劑量和養生齡期等[10-12]，因此試驗主要研究在設定溫度變化條件下級配類型、水泥劑量、養生齡期以及硫酸鹽含量4個因素分別與水穩碎石混合料膨脹性的關系。

1.2.1 膨脹試驗的溫度變化程序設計

由現場的監測數據可知，在夏季炎熱時期，基層的溫度普遍達到40～50 ℃，最高時達到58.1 ℃，然而當地基層的施工溫度一般在10 ℃左右，參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[15]的溫縮試驗方法，溫度變化區間設定在10～60 ℃，分為5個溫度級別，逐級升高，升溫速率為0.5 ℃/min，在每一個溫度下保溫2 h，降溫與升溫對稱，如圖1所示。每5 min記錄一次變形量數據，溫度變化及數據采集程序利用路面材料干溫縮變形測量儀實現，如圖2所示。

圖1 膨脹試驗的溫度-時間圖Fig.1 Temperature-time diagram of expansion test

圖2 材料干溫縮變形測量儀Fig.2 Material dry-shrinkage deformation measuring instrument

1.2.2 級配類型的選擇與混合料組成設計

不同級配類型的水穩碎石混合料在組成設計時，混合料的水泥劑量取4.5%。

選擇《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[14]中推薦的C-B-1、C-B-2、C-B-3級配，其中C-B-1、C-B-2屬于懸浮密實結構，C-B-3為骨架密實結構。考慮到骨架空隙結構由于其較大的空隙會對基層的拱脹有一定的削弱作用，嘗試采用骨架空隙結構設計基層，由于《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[14]中沒有推薦骨架空隙結構的級配范圍，故參考了瀝青混合料OGFC-16的級配，做對照試驗。試驗時，4種級配均取級配范圍的中值，具體如表1所示。

1.2.3 水泥劑量的選擇與混合料組成設計

級配采用表1中的C-B-3型骨架密實結構，水泥劑量分別為4.0、4.5%、5.0%和5.5%。

1.2.4 養生齡期的選擇

級配同樣采用C-B-3型級配，水泥劑量為4.5%，養生齡期分別為7、28、90 d。

1.2.5 硫酸鹽含量的選擇

該地區的地表水中的硫酸鹽含量達到3 210 mg/mL，參考《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)[16]不同的鹽漬化程度，Na2SO4含量選用了較大范圍，分別為0%、1%、2%、3%，級配采用C-B-3型，水泥劑量為4.5%。

根據上述混合料的組成設計，通過重型擊實試驗得到不同混合料的最佳含水率和最大干密度，并測定7天無側限抗壓強度，均滿足細則[14]的要求。依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[15]，成型梁式試件，試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，采用壓力機成型，除養生齡期因素外，其余影響因素下的試件均在標準養生條件下養生7 d。

表1 不同類型的水穩碎石級配Table 1 Gradation of different types of cement stabilized macadam

圖3 不同條件下混合料變形圖Fig.3 Deformation diagram of mixtures with different conditions

2 試驗結果與分析

水穩碎石混合料的膨脹性能用膨脹系數來表征，通過膨脹系數對水穩碎石混合料的膨脹性進行研究。

2.1 各因素對膨脹系數的影響

按照膨脹試驗溫度-時間圖(圖1)，設定路面材料干溫縮變形測量儀的變化程序，記錄水穩碎石混合料在各因素下隨時間的變形量，依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JJG E51—2009)[15]中溫縮系數的計算公式[式(1)]，計算各因素下的水穩碎石混合料的膨脹系數。各溫度區間的膨脹變形圖，如圖3所示，膨脹變形量、膨脹系數如表2所示。根據表2，繪制不同因素下混合料在10～60 ℃的膨脹系數，如圖4所示。

(1)

式(1)中：ai為膨脹系數；li+1-li為變形量；L0為總試件的長度；ti+1-ti為溫度變化。

表2 各因素下水穩碎石混合料的膨脹變形量和膨脹系數Table 2 Expansion deformations and expansion cefficients of cement stabilized macadam mixtures under vrious fctors

圖4 不同條件下的混合料膨脹系數Fig.4 Expansion coefficients of mixtures with different conditions

由圖4(a)可看出，級配類型對水穩碎石混合料的膨脹性具有較大的影響，膨脹性最大的是C-B-2型級配，其次是C-B-1型級配和OGFC型級配，膨脹性最小的是C-B-3型級配。C-B-1和C-B-2屬于懸浮密實型結構，黏結力較高，而內摩阻力較小，其中C-B-1的最大公稱粒徑為19.0 mm，C-B-2型級配的最大公稱粒徑為16.0 mm，由于C-B-1最大公稱粒徑較C-B-2大一檔，級配偏粗，集料之間的嵌擠作用更強，內摩阻力更大；OGFC參考的是常用于瀝青混合料的級配，屬于骨架空隙型結構，內摩阻力較大，而黏結力較小；C-B-3屬于骨架密實型結構，黏結力與內摩阻力均較高。由此可以看出在水穩碎石混合料的級配設計中，內摩阻力對膨脹性起著決定性作用。

圖5 混合料在各溫度區間的膨脹系數Fig.5 Expansion coefficients of mixtures different temperature ranges

由圖4(b)可看出，水泥劑量增加，膨脹系數隨之增大。水泥將集料膠結在一起，形成穩定的結構，劑量越大，水穩碎石混合料的剛度越大，當溫度升高時，產生的位移越大，因此，在相同的溫度差下，水泥的劑量越大，混合料的膨脹系數就越大。同時由圖4(b)中可以看出膨脹系數并不是隨著水泥劑量的增加而線性增大，當水泥劑量高5.0%時，增長速率逐漸減小。

由圖4(c)可看出，隨著養生齡期的增長，膨脹系數逐漸大。養生齡期越長，水泥的水化越充分，膠結作用越強，混合料的板體性能就越好，在相同的溫度差下，相應的溫度應力也就越大，膨脹系數因此越大。同時隨著養生齡期的增長，膨脹系數增長速率減慢，說明混合料中的水泥在后期已經得到充分的水化。

由圖4(d)可看出，硫酸鹽含量與膨脹系數并沒有明顯的規律。分析其原因，當溫度較高時，水穩碎石混合料處于干燥的狀態，硫酸鈉會析出與集料混合在一起，不會對水穩碎石混合料的膨脹產生太大的影響。

2.2 溫度對膨脹系數的影響

研究溫度與膨脹系數的關系對水穩碎石混合料的膨脹性研究非常重要。根據表2，繪制在不同因素作用下各溫度區間膨脹系數的變化，如圖5所示。

由圖5可知，水穩碎石混合料在各溫度區間的膨脹系數不同。總體上，在一定范圍內，膨脹系數隨著溫度的升高而增大，達到一定程度后，隨著溫度的升高，膨脹系數逐漸減小。同時試驗結果表明，不同因素條件下，膨脹系數均在40～50 ℃的溫度區間內達到最大。分析其原因，隨著溫度的升高，混合料產生膨脹變形，結構內產生溫度應力，即脹力。最初溫度較低，脹力也較小，在混合料約束力的作用下，產生的膨脹變形也較小；溫度繼續升高，脹力隨之增大，混合料就會產生較大的膨脹變形；當溫度達到一定程度，雖然脹力會繼續增大，但是混合料之間的束縛力也會隨之增大，對膨脹變形有較強的削弱，產生的膨脹變形就較小。

由于設計的升溫和降溫程序是對稱的，結合圖1，分析圖3中變形與升溫、降溫的關系，發現水穩碎石混合料是溫度敏感性材料，并且在相同的溫度區間內，溫度下降產生的收縮變形比溫度上升產生的膨脹變形要大。當溫度上升時，水穩碎石混合料產生的膨脹變形是連續性的，當溫度下降時，在溫度開始變化的最初幾分鐘，水穩碎石混合料會產生一個膨脹的突變，可推知溫度的下降會對水穩碎石基層產生更大的損傷。

通過分析可以發現，在阿拉善盟的沙漠戈壁地區，道路沒有任何的林蔭遮擋，完全處于裸露的條件下，受溫度升降的影響較大，監測數據顯示在7月基層的平均溫度比廣巴高速[17]約高3～12 ℃。在春夏季，道路處于不斷地升溫過程，水穩碎石混合料基層因升溫而產生膨脹變形，當脹力超過材料本身的約束力時，會使瀝青路面產生隆起。同樣，在寒冷季節時會發生收縮，結構內產生收縮力，該力超過結構允許拉應力時引起路面的橫向開裂。因此，阿拉善沙漠戈壁地區以及類似的這類地區，水穩碎石半剛性基層瀝青路面不僅會產生冬季的低溫開裂，同樣會產生春夏季升溫中的路面隆起。

3 結論

對水穩碎石混合料進行了一系列的試驗并進行分析，得出以下結論。

(1)對水穩碎石混合料的膨脹性起主要作用的是級配類型、水泥劑量和養生齡期，而硫酸鹽含量基本沒有影響。

(2)骨架密實結構C-B-3型級配的水穩碎石混合料膨脹系數最小，其次是骨架空隙結構的OGFC，膨脹系數最大的是懸浮密實結構的C-B-1和C-B-2；在給定試驗范圍內，隨著水泥劑量和養生齡期的增加，水穩碎石混合料膨脹系數增大。

(3)隨著溫度的增加，水穩碎石混合料的膨脹系數逐漸增大，在40～50 ℃的溫度區間達到最大。在相同的溫度區間內，溫度下降產生的收縮變形比溫度上升產生的膨脹變形要大。溫度上升時，膨脹變形是連續的；當溫度下降時，最初會產生一個膨脹的突變，會對水穩碎石基層產生更大的損傷。