低碳抗裂路面基層專用水泥組成設計與性能研究

任中杰，路竣杰，鄒 曉，周用山，王稷良

(1.內蒙古經烏高速公路管理有限責任公司，赤峰 025366；2.內蒙古路橋集團有限責任公司，呼和浩特 010051；3.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

目前，水泥穩定類半剛性基層材料因具有強度高、穩定性好、施工便捷等優點[1]，已經成為我國應用最為普遍的路面基層材料。但是一些學者在研究過程中發現，由于水泥穩定碎石基層材料自身的抗變形能力差[2]，在溫度與濕度發生變化時產生的應力極易超過其最大抗拉強度，從而產生收縮裂縫[3]。裂縫在載荷的反復作用下發生擴展，并反射到面層形成反射裂紋，從而嚴重影響路面的性能以及使用壽命。針對水泥穩定類材料易引起開裂的問題，國內外相關學者開展了大量研究。國內外研究者大都認為瀝青面層的溫縮裂縫一般都是由其自身的溫度收縮所引起的，而反射裂縫則是由水泥穩定類材料的干燥收縮引起的[4,5]。因此，為抑制水泥穩定碎石的收縮開裂需要降低其干燥收縮。徐鷗明[6]研究發現水泥水化會消耗混合料中水，從而導致干燥收縮增大。陸青清[7]研究了脫硫石膏對水泥穩定碎石路用性能的影響，研究發現石膏一方面能夠置換出鋁酸鈣結晶所消耗的氫氧化鈣[8]，保證火山灰反應的進行；另一方面，還能夠將鋁酸鈣轉換為鈣礬石，產生體積膨脹，從而補償收縮。

論文從水泥材料組成出發，固定碎石級配為骨架密實性結構，以水泥熟料、脫硫石膏、石灰石粉、礦渣、粉煤灰為原料，通過研究石灰石粉摻量、礦渣摻量以及粉煤灰摻量對水泥凝結時間、力學性能以及收縮性能的影響規律，設計出一種低碳抗裂的路面基層專用水泥，并將該水泥用于穩定碎石，研究專用水泥穩定碎石的力學性能與收縮抗裂性能。最后結合實際工程，對專用水泥進行工程應用研究。

1 試 驗

1.1 原材料

專用水泥由水泥熟料、礦渣、粉煤灰、脫硫石膏以及石灰石粉按一定比例混合磨制而成。其中，熟料物理性能如表1所示。

表1 水泥熟料物理力學性能

碎石為4級配連續碎石，分別為20～30 mm碎石(1#)、10～20 mm碎石(2#)、5～10 mm碎石(3#)以及0～5 mm石屑(4#)，碎石集料壓碎值為11.4%，石屑的塑性指數為5，均滿足相關規范要求。其中碎石比例為1#∶2#∶3#∶4#=22∶27∶30∶21，碎石級配如表2所示。

表2 碎石篩分結果以及合成級配 累計通過率/%

1.2 方法

1)水泥性能測試方法

參照標準JTG 3420—2021《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，測試水泥的細度、標準稠度用水量、凝結時間、膠砂強度等。參照標準GB/T 2938—2008《膨脹水泥膨脹率試驗方法》測試水泥的28 d和56 d膨脹率。

2)水泥穩定碎石路用性能測試方法

水泥穩定碎石擊實、無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量和干縮性能等按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》所述進行測定，其中回彈模量為頂面法。

2 結果與討論

2.1 低碳抗裂路面基層專用水泥的材料組成設計

對路面基層專用水泥進行組分優化，對粉煤灰、石灰石粉及礦粉進行協調效應研究。其中，熟料摻量為15%，脫硫石膏摻量為9%，粉煤灰摻量變動范圍為5%、10%、15%，石灰石粉變動范圍為2%、4%、6%，其余為礦粉，以路面基層專用水泥的凝結時間、力學性能以及28 d、56 d膨脹率進行對比，優選出性能最佳、經濟性最好的水泥配比。實驗方案設計如表3所示。

表3 實驗配比 w/%

路面基層專用水泥的凝結時間、微膨脹性能以及力學性能作為其優化匹配的具體指標，路面基層專用水泥的主要實驗結果如表4、表5所示。

表4 路面基層專用水泥的主要物理性能

表5 路面基層專用水泥抗壓及抗折實驗結果

由表4可以看出，J1～J9的凝結時間均能達到施工(初凝>3 h，終凝>6 h)的要求，而PC32.5水泥的凝結時間明顯過短。同時可以看出，水泥的膨脹率可以達到補償收縮的能力。隨著水泥中石灰石粉與粉煤灰摻量的提高，水泥的凝結時間呈現逐漸延長的趨勢，在石灰石摻量為6%、粉煤灰摻量為15%的情況下，水泥的初凝時間約355 min，終凝時間達到430 min。水泥的需水量也較為穩定，石灰石粉的摻入能夠降低粉煤灰帶來的需水量高的負面效應；同時隨著粉煤灰及石灰石粉摻量的升高，水泥的膨脹率呈現逐漸升高的趨勢；而PC32.5水泥的28 d膨脹值較低，在干縮階段使得水泥的膨脹值為負值。

由表5可以看出，石灰石粉可以降低粉煤灰的摻入帶來的水泥早期強度降低的現象，特別在石灰石粉摻量為2%、粉煤灰摻量為5%的情況下，水泥3 d抗壓強度達到16.8 MPa， 28 d的抗壓強度能達到43.5 MPa，達到42.5水泥等級要求。

當水泥的膨脹值超過0.08%時，水泥的力學性能就會遭到劣化，結合表4及表5的28 d膨脹值及力學性能就可以得出結論，水泥的28 d膨脹值應在其極限值左右為宜。

綜合考慮水泥的凝結時間、力學性能以及膨脹特性，優選出基層專用水泥最終配比為J6，即：熟料∶脫硫石膏∶礦粉∶粉煤灰∶石灰石粉=15∶9∶57∶15∶4。

2.2 低碳抗裂路面基層專用水泥穩定粒料的路用性能研究

1)水泥穩定碎石基層的力學性能研究

(1)水泥對無側限抗壓強度的影響

路面基層專用水泥(LS)與PC32.5水泥穩定材料的3 d、7 d、28 d的無側限抗壓強度見圖1。水泥穩定材料中，結合料劑量為4%，按最佳含水量及最大干密度測試無側限抗壓強度。

從圖1可以看出，隨著水化齡期的延長，水泥的無側限抗壓強度逐漸增加，前期增長較快，后期增長較為緩慢；對比路面基層專用水泥與PC32.5兩種水泥穩定材料體系，7 d無側限抗壓強度相當，但28 d乃至90 d強度前者明顯高于后者，LS的28 d抗壓強度增長率達到67.7%，90 d抗壓強度增長率達到105.8%，遠高于PC32.5水泥穩定基層的抗壓強度。這主要是路面基層專用水泥中存在著大摻量的工業廢渣，這些工業廢渣具有火山灰活性，潛在活性在后期得到充分發揮，因此路面基層專用水泥的力學性能較好。

(2)水泥穩定碎石的回彈模量及劈裂強度

基層專用水泥與PC32.5水泥在28 d、90 d的抗壓回彈模量和劈裂強度測試結果如表6所示。

表6 水泥穩定碎石的劈裂強度及抗壓回彈模量

從表6可以看出，路面基層專用水泥穩定基層的28 d回彈模量及90 d回彈模量均比PC32.5水泥穩定碎石低，其剛度相對較小，另外從28 d、90 d劈裂強度可以看出，路面基層專用水泥穩定碎石的效果較好。這主要是因為專用水泥穩定碎石在水化早期密實孔隙，提高了水泥穩定材料的抗拉強度。因此可以認為路面基層專用水泥具有良好的綜合使用性能。

2)水泥穩定碎石基層的干燥收縮性能研究

基層產生的收縮主要是在基層碾壓完成之后，材料中水分的蒸發導致的。對比路面基層專用水泥與PC32.5水泥在4%的摻量下的干燥收縮性能，試驗結果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出，隨著齡期的延長，水泥穩定材料的失水率增大，累積干縮應變也增大，主要是因為水分的蒸發使水泥穩定材料發生收縮及收縮應變，水分蒸發的快慢直接導致了干縮應變的大小。因此，失水率越高，應力應變越大，而LS穩定材料與PC32.5穩定材料的收縮測試結果可以看出，基層專用水泥水化產生的微膨脹能夠有效改善普通水泥存在的干縮問題，使用效果良好。

2.3 低碳抗裂路面基層專用水泥工程應用研究

研制出的低碳抗裂路面基層專用水泥在赤峰某高等級公路的路面基層進行應用驗證。現場水泥配比采用J6組設計配合比。對路面基層專用水泥穩定基層進行了配合比設計，確定試驗路段的配合比為：水泥∶碎石=4∶100。基層混合料的最大干密度為2.36 g/cm3，最佳含水量為5.2%(考慮到夏季施工，實際用水量控制在6.0%左右)。低碳抗裂路面基層專用水泥穩定基層的施工工藝與通用水泥穩定基層的完全一致。

壓實后的緩凝微膨脹水泥穩定粒料基層的外觀比較密實平整，基本沒有粗集料的窩和條帶。養生7 d后可鉆取完整芯樣。試驗段施工完畢后，對其性能作了相關檢測，數據如表7所示。

表7 基層試驗路段相關檢測數據

從工程實驗段的鉆芯取樣情況來看：水穩基層材料表面致密均勻，表現出很好的填充性，能形成密實的骨架結構，芯樣外觀完整，整體性好。使用緩凝微膨脹水泥后，路面的底基層和基層表面致密，無明顯離析現象，水泥表現出良好的填充性能，在鋪筑面層前試驗路段未發現有害裂縫，表現出良好的抗裂性。緩凝微膨脹水泥路面基層良好的抗裂性源于它和普通的水泥穩定粒料路面基層相比具有如下特點：收縮系數小、水化過程持續穩定、水化物組成的改善、力學特性改善。

在試驗段施工后對專用水泥穩定基層試驗路段進行了裂縫觀測，如表8所示，800 m施工段面上沒有發現可見的橫向裂縫。在使用一個冬天后，專用水泥穩定基層基本未出現裂縫，和以往采用普通水泥穩定基層使用一個冬天后的開裂情況相比，具有明顯的抗裂效果。

表8 反射裂縫平均間距統計表

3 結 論

a.從專用水泥的凝結時間、力學性能以及膨脹性能著手研究，對其各組分進行優化，最終確定低碳抗裂路面基層專用水泥的最佳配比為脫硫石膏∶礦粉∶熟料∶粉煤灰∶石灰石粉=9∶57∶15∶15∶4。

b.通過對比專用水泥與PC32.5水泥穩定基層的力學性能與抗收縮開裂性能發現，兩者7 d強度相近，但后期前者的無側限抗壓強度提升更大；專用水泥穩定材料的干縮應變顯著低于PC32.5水泥穩定材料，抗開裂能力更強。

c.工程應用結果表明，設計出的專用水泥穩定碎石基層材料性能良好，微膨脹補償收縮作用表現明顯，瀝青面層在經過一個冬天后未見反射裂縫，抗裂效果明顯。