消散型無裂縫水泥穩定碎石性能研究

王麗麗,殷金海,陳小兵,張 淼,仲光昇,寧云峰,張夢茹

（1.蘇州三創路面工程有限公司,江蘇 蘇州 215124; 2.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096;3.蘇州交投建設管理有限公司,江蘇 蘇州 215007）

0 引言

伴隨著我國交通建設規模和水平的不斷提升，以水泥穩定碎石為代表的半剛性基層技術也在不斷發展和完善。然而，在水泥穩定碎石基層中，溫度和濕度的作用容易引起裂縫并迅速擴散到整個基層，繼而延伸到瀝青路面產生反射裂縫，造成早期的道路損壞[1]，進而影響交通運行。因此，國內外學者從材料組成、設計優化、施工技術、反射裂縫治理等方面研究了提高水泥穩定碎石基層抗裂能力的措施[2-4]，但這些措施主要是延緩表面裂縫出現及控制裂縫寬度，后期裂縫發展情況仍不容樂觀，水泥穩定碎石基層防裂問題仍沒有得到充分解決。

該文結合水泥穩定碎石抗裂機理，研究出一種防止裂縫產生的消散型無裂縫水泥穩定碎石級配，從級配組成設計優化方面提高水泥穩定碎石的抗裂縫能力，并根據該級配和擊實試驗結果，采用靜壓法成型試件，再通過7 d 無側限抗壓強度驗證該級配是否滿足施工質量要求，最后根據90 d 劈裂強度，90 d 抗壓回彈模量和30 d干縮系數試驗，研究消散型無裂縫水泥穩定碎石的性能，為水泥穩定碎石基層的應用提供借鑒。

1 消散型無裂縫水泥穩定碎石抗裂機理研究

1.1 水泥穩定碎石抗裂機理

水泥穩定碎石抗裂機理的來源主要分為三個方面，大粒徑顆粒的嵌擠作用，水泥水化產物的填充作用以及集料與水泥水化產物的相互作用。

1.1.1 大粒徑顆粒的嵌擠作用

已有研究資料表明，級配碎石的粗顆粒粒徑越大、含量越多，則其抗變形能力越強，CBR 值也越大。從嵌擠的方式看，材料組成設計方式有兩大類，一是大粒徑顆粒的嵌擠，二是多級嵌擠。多級嵌擠理論的基本思路是：最大一級粒徑顆粒嵌擠形成空間骨架結構，其內部仍存在較大空隙，這時可采用次一級粒徑顆粒來加以填充，其用量應小于顆粒間空隙，然后用更小粒徑顆粒進一步填充二級顆粒間的空隙，最終形成多級嵌擠的狀態。

1.1.2 水泥水化產物的填充作用

水泥在穩定碎石的過程中，其主要作用是通過其水化反應，生成具有黏結性的水化產物，這是水泥穩定材料強度的關鍵。這些水化產物相互交錯并包裹顆粒，隨著水化產物的增多，混合物也逐步變得堅硬。此外，水泥的水化產物與粗顆粒形成了一種立體網絡結構，這種結構不僅確保了混合物的早期強度，還提高了混合物成型后的緊密度。隨著水泥水化反應的持續進行，生成的水化物填補了水泥混合物內部的微小空隙，形成了均勻且緊密的整體。

1.1.3 集料與水泥水化產物的相互作用

粒徑偏粗時，單位體積內集料的比表面積減小，水泥水化產物更多地聚合在一起，因此，水泥水化產物與較粗顆粒間的黏結作用較小。在水泥穩定碎石因溫度、濕度條件變化產生收縮時，也必然將從大粒徑顆粒與水泥水化產物的界面上產生初始裂紋。當大粒徑粗顆粒數量較多時，有可能將收縮變形在這些裂紋處分散吸收，同時松弛應力。

1.2 消散型無裂縫水泥穩定碎石抗裂機理

結合水泥穩定碎石抗裂機理，消散型無裂縫水泥穩定碎石采用間斷級配，粗集料碎石占比較大并且將細料作為膠結料，既兼顧半剛性基層強度的優點，又近似于級配碎石的柔性材料。同時，由于粗集料顆粒的大量存在，消散型無裂縫水泥穩定碎石的板體性減弱，為粗顆粒與水泥水化產物間的開裂提供了條件，從而使得其可以獲得類似級配碎石的材料結構狀態。在其施工成型之后處于一種“裂而不碎”的狀態，內部會產生多而密的細裂紋，在溫縮和干縮等收縮開裂時，其微小的收縮變形被消散到各處的細裂紋中，松弛應力，從而避免出現長而寬的裂縫，這就是消散型無裂縫水泥穩定碎石材料避免反射裂縫的關鍵原因。

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試驗材料

2.1.1 水泥

試驗中采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，其檢測結果見表1。

表1 水泥試驗結果

2.1.2 石灰巖

試驗中所采用的石灰巖來自蘇州三創路面工程有限公司，分為石灰巖1#、2#、3#、4#料四檔，其天然級配見表2。

表2 集料篩分結果

2.1.3 設計級配

結合規范中推薦的間斷級配以及水泥穩定碎石抗裂機理，通過級配合成確定每一檔石料的具體摻量，最終消散型無裂縫水泥穩定碎石級配見表3。

表3 集料級配

2.2 試驗方法

2.2.1 擊實試驗

擊實試驗參照JTGE51—2009 中T 0804—1994[5]進行，水泥用量為石灰巖用量的4.5%。擊實試驗預定5 個含水量并測得各含水量下的混合料干密度，繪制含水量—干密度曲線，取兩個平行試驗的平均值作為試驗的最終結果，如圖1 所示。

圖1 擊實曲線

2.2.2 無側限抗壓強度試驗

根據擊實試驗的結果，按照規范JTG E51—2009 中T 0805—1994 方法進行7 d 無側限抗壓強度試驗。該研究消散型無裂縫水泥穩定材料7 d 無側限抗壓強度設計要求不小于4 MPa，變異系數小于15%[6]，如表4 所示。

表4 7 d 無側限抗壓強度試驗結果

2.2.3 劈裂強度試驗

根據擊實試驗的結果，按照規范JTG E51—2009 中T 0806—1994 方法進行90 d 劈裂強度試驗。該研究消散型無裂縫水泥穩定材料90 d 劈裂強度設計要求不小于0.55 MPa，變異系數小于15%[7]，如表5 所示。

表5 90 d 劈裂強度試驗結果

2.2.4 抗壓回彈模量試驗

基于擊實試驗以及無側限抗壓強度試驗的結果，根據規范JTG E51—2009 中T0808—1994 進行抗壓回彈模量試驗。該研究消散型無裂縫水泥穩定材料90 d 抗壓回彈模量設計要求介于1 300～1 600 MPa，變異系數小于15%，如表6 所示。

表6 90 d 室內抗壓回彈模量試驗結果

2.2.5 干縮系數試驗

由于設備和模具的限制，采用成型直徑和高度均為150 mm 的圓柱形試件來替代梁形試件測試干縮形變，再按照規范JTG E51—2009 中T 0854—2009 方法進行干縮系數試驗，6 個試件為一組，編號為ε1、ε2、ε3的試件用來測定材料的收縮變形，編號為ω1、ω2、ω3的試件用于測量材料的總失水率，如圖2～4 所示。

圖2 總失水率與齡期關系圖

3 消散型無裂縫水泥穩定碎石性能研究

3.1 擊實試驗結果

根據圖1 擊實曲線可知，混合料最佳含水率為5.0%，最大干密度2.45 g/cm3。

3.2 無側限抗壓強度試驗結果

根據表4 所示結果，消散型無裂縫水泥穩定碎石7 d 無側限抗壓強度試驗結果為4.23 MPa，變異系數10.8%，滿足7 d 無側限抗壓強度大于4 MPa 的設計要求以及變異系數小于15%的規范要求。

3.3 劈裂強度試驗結果

根據表5 所示數據，消散型無裂縫水泥穩定碎石90 d 劈裂強度為1.04 MPa，變異系數為12.18%，滿足90 d 劈裂強度大于0.55 MPa 的設計要求以及變異系數小于15%的規范要求。

3.4 抗壓回彈模量試驗結果

根據表6 所示數據，消散型無裂縫水泥穩定碎石90 d 抗壓回彈模量為1 341 MPa，變異系數為12.91%，滿足90 d 抗壓回彈模量介于1 300～1 600 MPa 的設計要求以及變異系數小于15%的規范要求。

3.5 干縮系數試驗結果

根據干縮系數試驗結果，繪制總失水率、總干縮應變與齡期關系圖，如圖2～3 所示。

由圖2 和圖3 可以得出總干縮應變與總失水率呈正相關的關系，根據數據繪制總干縮系數與齡期關系圖，如圖4 所示。

圖3 總干縮應變與齡期關系圖

圖4 總干縮系數與齡期關系圖

4%水泥劑量的一般規范級配水泥穩定碎石30 d，干縮系數一般在120 以上[8]，采用更大的水泥劑量，則會產生更大的干縮形變，干縮系數也會更大，如5%水泥劑量的骨架密實型水泥穩定碎石的30 d 總干縮系數會在140 以上，由圖4 可知，水泥劑量為4.5%的消散型無裂縫水泥穩定碎石30 d 齡期的干縮系數平均值為115（小于120），說明論文研究的消散型無裂縫水泥穩定碎石擁有更好的干縮性能，較普通水泥穩定碎石而言，能在施工、養生的過程中產生較少的干縮裂縫。

4 結語

論文通過試驗得到以下結論：

（1）消散型無裂縫水泥穩定碎石最佳含水率為5.0%，最大干密度2.45 g/cm3。

（2）通過力學性能試驗，消散型無裂縫水泥穩定碎石7 d 抗壓強度達到了4.23 MPa，90 d 劈裂強度達到了1.04 MPa，90 d 抗壓回彈模量為1 341 MPa，滿足設計要求，可作為結構設計時的指標選擇依據。

（3）30 d 的干縮試驗結果表明，消散型無裂縫水泥穩定碎石較同水泥劑量的普通骨架密實型水泥穩定碎石在30 d 之內擁有更小的干縮系數。

（4）通過試驗，消散型無裂縫水泥穩定碎石在滿足基本的力學性能前提下，可以表現出更好的干縮性能，干縮量更小，同時因其可以將微小的收縮變形消散到各處的細裂紋中，松弛應力，更不易表現出宏觀裂縫。