基于SEM試驗的水泥穩定基層拱脹規律探究

程力

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

一、病害調查

（一）調查原則及范圍

基于自然地理條件差異性、溫差差異性、時間差異性和材料及工藝差異性原則，本文選取北疆地區G30連霍高速公路小草湖至烏魯木齊段、塔里木盆地西北緣G3012吐和高速公路阿克蘇至喀什段、S16麥蓋提至喀什高速公路、S13三岔口至莎車高速公路、塔里木盆地南緣G3012墨玉至和田高速公路的路面拱脹病害調查。

（二）病害特征

調查結果表明，路面拱脹有以下幾點特征：

從地域分布來看，拱脹主要發生在環塔里木盆地沿線；從公路等級來看，拱脹主要發生在整體式的高速公路和一級公路；從工程建成年代來看，拱脹主要發生在近幾年建設的水穩基層厚度在30cm以上的、基層強度較高的高等級道路上。此外，在早期建成的水穩基層厚度薄、強度低的各等級公路，未發現水泥穩定基層拱脹的情況。

經過調查分析拱脹發生路段路面結構發現，拱脹路段主要有以下特點：

從易溶鹽含量來看，發生拱脹的基層Na2SO4含量較未發生拱脹的基層平均高出14%、總含鹽量平均高出18%；從混合料級配來看，拱脹主要發生在《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2006）中表格6.1和6.2所規定的級配范圍內基層；從施工期間檢測數據看，拱脹段基層混合料級配普遍偏細；從施工工藝來看，拱脹主要發生在采用分層攤鋪或分層連續攤鋪的路段，上下基層層間結合差，拱脹破壞時會導致上下基層分離。

二、SEM試驗

本文采用掃描電鏡技術（SEM）對比不同水泥用量、含鹽量和含水量條件下水泥穩定材料試件的微觀結構，研究不同因素和水平影響下水泥穩定材料拱脹發展的規律，試驗方案如表1所示。

表1 SEM試驗方案

表1 SEM試驗方案

（一）含鹽量影響

如圖1所示，（a）和（b）是水泥用量為3%、含鹽量分別為0.4%和0.8%的水泥穩定基層材料試件的電鏡掃描圖像。（c）和（d）是水泥用量為4.5%、含鹽量分別為0.8%和0.2%的水泥穩定基層材料試件電鏡掃描圖像，圖中不規則多邊體為Na2SO4·10H2O結晶結構，主背景為集料表面。

圖1 水泥穩定基層材料試件的SEM圖像

對比圖1中SEM圖像可見，含鹽量為0.8%的試件中Na2SO4·10H2O結晶結構的數量顯著多于含鹽量為0.4%的試件，這使得含鹽量較高的水泥穩定基層材料試件在溫度升高后析出的Na2SO4·10H2O更多，晶體間擠壓更為劇烈，使得試件體積膨脹，宏觀上導致含鹽量高的試件拱脹變形更為顯著。對比（c）和（d）的SEM微觀圖像可以看出，當含鹽量小于等于0.2%時，集料表面Na2SO4·10H2O結晶較少，水泥穩定基層材料的拱脹也不顯著，因此基本可以斷定在0%～0.2%的含鹽量范圍內，含鹽量對水泥穩定基層材料拱脹幾乎沒有影響。當含鹽量超過0.4%后，水泥穩定基層材料拱脹變形愈發明顯，因此選用水泥穩定基層材料時必須要嚴格控制含鹽量指標。

（二）水泥用量影響

含鹽量為0.4%，水泥用量分別為3%、4.5%和6%的水泥穩定基層材料試件放大1萬倍的電鏡掃描圖像如圖2所示。

圖2 不同水泥用量條件下水泥穩定基層材料試件的SEM圖像

對比上圖中SEM圖像可見，隨著水泥用量的增加，試件的孔隙區域面積不斷減少；當水泥用量達到6%時，試件的圖像中基本不存在孔隙。隨著水泥用量的增加，水泥填充試件內部空隙，水泥穩定材料試件的密實度也不斷增加。隨著水泥穩定基層材料試件密實度的增加，試件在溫度上升過程中Na2SO4·10H2O結晶結構間擠壓作用與試件體積膨脹更為劇烈，導致試件的拱脹變形顯著增大。

（三）硫酸鹽腐蝕分析

硫酸鹽腐蝕是影響水泥穩定基層材料物理力學性能的重要因素，本文分析了不同硫酸鹽含量水泥穩定基層材料試件的微觀結構。含鹽量分別為0.2%和0.8%的水泥穩定材料試件不同放大倍率的SEM圖像如圖3所示，圖中六邊形長條板為Ca(OH)2的交錯排列。

圖3 不同含鹽量水泥穩定基層材料試件的硫酸鹽腐蝕SEM圖像

如圖3中（a）（b）所示，含鹽量為0.8%的試件圖像中Ca(OH)2存在不規則的現象。這主要是由于圖（a）試件的Na2SO4含量較高，Na2SO4會和Ca(OH)2反應生成易溶于水的CaSO4，導致Ca(OH)2的交錯排列發生破壞，從而使得試件發生硫酸鹽腐蝕。

如圖3所示，（c）和（d）中的球體為未水化完全的水泥顆粒。對比可見，含鹽量為0.2%的試件水泥顆粒表面比較光滑，含鹽量為0.8%的試件中水泥顆粒表面存在附著物和不規則的破壞。這些附著物主要是Na2SO4·10H2O結晶，結晶一方面覆蓋在水泥顆粒表面減緩了水泥的水化，抑制了水泥穩定基層材料的強度增長；另一方面腐蝕了水泥顆粒，破壞了水泥水化的進程，降低了水泥穩定基層材料的整體結構強度。

三、結語

本文采用掃描電鏡技術對比分析了不同因素與水平作用下水泥穩定基層的拱脹規律。通過室內電鏡掃描試驗，最終得出以下結論：

隨著含鹽量的增大，水泥穩定基層材料的集料表面Na2SO4·10H2O結晶結構越密集，集料間的擠壓與體積膨脹愈發顯著。隨著水泥用量的增多，水泥穩定基層材料內部孔隙率減少、密實度增加，進而導致試件在溫度變化過程中的變形顯著增大。