水泥穩定碎石底基層長齡期耐久性試驗檢測與指標評價

摘要 文章首先針對新型材料生態水泥展開分析，對復合水泥、普硅水泥、礦渣水泥的長齡期、耐久性能進行比較，通過摻入不同型號水泥，對相同混合料級配與劑量、攪拌設備、施工工藝鋪筑的水穩底基層試驗段展開研究，確定摻不同型號水泥的穩定混合料長齡期各項性能指標，尋找不同結合料穩定碎石的性能變化規律，通過對比，優化生態水泥生產，最終確定了抗沖刷性能、溫縮、干縮等長齡期耐久性指標。

關鍵詞 水泥穩定碎石；底基層；耐久性；試驗檢測；指標評價

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0173-03

0 引言

目前對于水穩結構層長齡期耐久性能的指標還未有明確的描述與定義。現行施工技術規范《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中4.1.10條文中用于基層的無機結合穩定材料，提出當強度滿足要求時尚宜檢驗其抗沖刷和抗裂性能。但條文只提到需要檢驗，對具體定性或定量的標準并未給出。

1 研究背景

水穩底基層耐久性評價指標科研項目依托于山西省昔陽段至榆次段高速公路路面工程，由山西省昔陽段至榆次段高速公路技術咨詢機構具體組織實施。山西省昔陽段至榆次段高速公路路面工程水穩底基層于2022年8月開始進行試驗段鋪筑，在后期跟蹤檢查中發現，部分路段出現平均間距30～50 m的橫向裂縫，縫寬1～5 mm不等。昔榆高速項目組高度重視裂縫問題，聯合技術咨詢專家組，對底基層橫縫可能的成因進行全面分析，通過施工過程追溯、專家組進一步研判，初步分析可能與水泥穩定混合料自身特性以及國慶期間晝夜溫差大引起的溫縮有關。為提升高速公路路面（底）基層整體質量，防治裂縫的發生、發展，消除后續運營過程中的質量隱患，科研機構會同正在建設的山西省昔陽段至榆次段高速公路施工項目部，通過鋪筑基層試驗段及室內試驗對比，研究水泥穩定混合料的長齡期各項性能指標，減少和消除水穩（底）基層裂縫的有效措施。

2 項目研究的創新點

新型材料生態水泥目前未制定技術標準，所以暫且執行《道路基層用緩凝水泥》（GB/T 35162—2017）技術標準，在使用過程中發現，由于要符合該標準初凝時間不小于300 min，水泥中參加了較多的硫化物用以調整凝結時間，一是導致早期強度較低，二是硫化物易膨脹，不利于水穩結構層的耐久性，在抗裂性能方面較差，亟須制定相關標準，用于指導生態水泥的生產與施工。有鑒于此，通過試驗研究對抗沖刷和抗裂性能提出定性或定量的標準，對生態水泥確定合理的技術指標用以減少和消除水穩（底）基層裂縫的有效措施[1-3]。

3 主要經濟指標與技術指標完成情況

3.1 經濟指標

根據各合同段水泥劑量及工程量進行計算，使用最終確定的42.5級生態水泥，預計比使用42.5級普硅水泥節約1 628萬元，比42.5級復合水泥節約1 329萬元。

3.2 技術指標

3.2.1 長齡期、耐久性指標

（1）抗沖刷性能

試驗檢測結果表明：生態水泥、復合水泥、普硅水泥、礦渣水泥在抗沖刷性能上相當，各種水泥沖刷質量損失見表1。

根據試驗檢測結果，沖刷質量損失技術指標擬定為＜0.15%，當沖刷質量損失＜0.15%時，認為抗沖刷性能滿足要求。規范《公路瀝青路面的設計規范》（JTG D 50—2017）表5.4.5中，水泥穩定粒料抗拉強度-彈性模量對應數值為：1.5～2.0 MPa∶18 000～28 000 MPa，0.9～1.5 MPa∶14 000～20 000 MPa。從試驗數據看，礦渣水泥彈性模量較低，位于14 000～20 000 MPa之間，該彈性模量范圍的材料一般用于底基層。抗拉強度值應滿足設計規范，底基層為0.9～1.5 MPa，基層為1.5～2.0 MPa。根據以上抗彎拉強度結果，生態水泥、普硅水泥、復合水泥可以用于基層，礦渣水泥只能用于底基層。

（2）劈裂強度

根據7 d、14 d、28 d、90 d劈裂抗拉強度結果表明早期（14 d）水穩劈裂強度試件，水泥相同劑量情況下普硅水泥＞復合水泥＞礦渣水泥＞生態水泥。礦渣水泥與生態水泥后期增長較快，28 d時抗劈裂強度仍略小于復合水泥、普硅水泥，但90 d時，生態水泥、礦渣水泥、復合水泥、普硅水泥的劈裂抗拉強度基本持平。四種水泥的7～90 d劈裂抗拉強度值詳見表2。

劈裂強度作為間接反映抗彎拉強度指標，在實踐過程中，普硅水泥有著更優異的抗裂性能，說明早期劈裂強度的增長更能有效地抵抗彎拉應力，同時90 d齡期對于工程實踐指導意義較小，建議采用14 d齡期的劈裂強度平均值作為控制指標。

（3）干縮性能

根據干縮試驗干縮應變結果，7 d內四種水泥干縮應變結果基本相同，但齡期大于7 d后礦渣水泥和生態水泥在抵抗失水收縮方面性能更優異，優于普硅水泥及復合水泥，檢測結果表明四種水泥前期養護要求基本相同，但后期如不及時覆蓋下一結構層，普硅水泥和生態水泥的養生期保濕要求更高。但從長齡期角度分析，結構層覆蓋后會逐漸趨于動態濕平衡飽和狀態，該指標對長齡期性能影響較小。四種水泥干縮應變齡期增長變化規律見圖1。

根據試驗研究結果，在干旱地區盡可能使用礦渣水泥，在潮濕、多雨地區，優選生態水泥，使用普硅水泥和復合水泥時，上結構層未覆蓋之前應加強保濕養生。該指標不適用于表征長齡期耐久性能，干旱地區在選用水泥時，應發展規律與趨勢應接近于礦渣水泥。昔榆高速位于晉中市，跨昔陽、和順、壽陽、榆次四個縣區，按降雨量屬于濕潤區（年降雨量500～1 000 ml），對于該區域，該指標對長齡期耐久性的影響可忽略不計。

（4）溫縮性能

四種水泥穩定碎石混合料在溫度50℃、35℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃下溫縮變形量情況見表3及圖2（復合水泥與礦渣水泥幾乎一致，故圖中不予重復體現）。

試驗檢測結果表明：溫度大于20℃時，生態水泥溫度敏感性最小，溫度小于20℃時，生態水泥溫度敏感性急劇升高[4-6]；其他水泥隨溫度降低，變形量變化規律基本相同，且溫度＜20℃時，變形量小于生態水泥。說明在低溫抗裂性能方面普硅水泥大于生態水泥。該指標難以量化評價，建議進行定性分析[7-9]，當溫縮變化量及發展趨勢與普硅水泥趨同時，認為該水泥抗溫縮性能良好；如當地年日平均氣溫大于20℃時，溫縮變化量及發展趨勢與生態水泥趨同時，也可認為該水泥抗溫縮性能良好[10，11]。

（5）凍融性能

凍融試驗考察在潮濕、低溫的情況下，抵抗材料內部因結冰而產生5次循環凍脹破壞的能力，試驗結果見表5。

通過試驗檢測結果表明生態水泥與普硅水泥及礦渣水泥在抗凍融性能上相當，建議該指標為5次凍融循環后抗壓強度損失率≥95%。該指標主要適用于存在凍融循環的地區。

3.2.2 生態水泥技術指標

生態水泥通過試驗研究分析，在按標準《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》（GB/T 35162—2017）生產后，實際應用過程中并不理想，裂縫較多，主要為溫縮裂縫，通過試驗結果也可以看出低溫對生態水泥的影響非常大，同時早期抗折強度較低，早期抗折強度不能有效抵抗溫縮應力[12，13]。因此改變生產工藝及執行標準并結合實際情況提出以下技術要求：復合初凝時間＞4 h，3 d抗折強度＞4.0 MPa，7 d抗折強度＞5 MPa，7 d抗折強度＞28 d抗壓強度的65%。

4 結論

文章通過試驗研究，總結了昔榆高速高速公路路面水穩結構層水泥應用及技術狀況。現使用的42.5級別生態水泥本身抗折強度在早期增長快，后期抗壓強度增長緩慢，強度增長規律符合水穩結構層路用性能，對抗裂有正面影響作用，生態水泥降低了穩定碎石路面底基層裂縫發生概率；且在混合料耐久性性能方面趨同于普硅水泥，有著良好的路用性能及經濟性，綜合性能優于普硅水泥、礦渣水泥及復合水泥。

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收稿日期：2024-07-31

作者簡介：牛敏（1994—），女，本科，工程師，主要從事公路試驗檢測工作。

通訊作者：申鐵軍（1980—），男，本科，正高級工程師，主要從事混凝土研究工作。