大厚度水泥穩定碎石性能及微觀結構研究

【中圖分類號】：U414 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-61-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.014

The Performance and Microstructure of （CSM） Large-thick Cement-stabilized Macadam

ZHNAG Shengyu'，LI Jianwei1，XIAO Qingyi2*，LU Haitao1，MA Xiaoming1，CHENDewei1 （1.CangzhouRoadandBridgeConstructioGoupCo，Ltd.，Cangzhou6099，China;2.ShoolofCivilandTransportionEngieing， Hebei University of Technology，Tianjin 300401）

【Abstract】：To investigate the feasibilityof thecompaction techniqueforlarge-thicknesscement-stabilized macadam （CSM）and to reveal its compaction mechanism and characteristics，this study builds upon conventional indoor tests with increased forming height of the specimens.Standard-sized specimens were extracted from the lower portion under the forming pressure and subjected to laboratory mechanical performance tests.Industrial CT and image processng techniques were employed to acquire the internal structural characteristics of the specimens.A comparative analysis was conducted on the mechanical properties of the two diferent forming methods on the mechanical properties of cement-stabilized macadam（CSM）.The results indicate that the unconfined compressive strength，spliting tensile strength，flexural tensile strength，and dynamic modulusof the thick-layer cement-stabilized macadam specimens showed minimal difference compared to the conventional specimens.The porosityof each cross-section remained within therange of 1.3 to 3.0.The bottom of the thick-layer specimens exhibited the highest porosity，the greatest number of elongatedvoids and the largest fractal dimension. These meso-structural indicators suggest that the performance metrics of the bottom structure in large-thicknesscement-stabilized macadam（CSM）are slightly inferior to those of the bottm structureof conventional specimens.Through the integration of macroscopic mechanical testing and microscopic industrial CTanalysis，this study elucidates the mechanical strength performance and internal structural characteristics during the compaction process of large-thickness cement-stabilized macadam （CSM）.

[Key words】： large-thickness cement-stabilized macadam（CSM）;microstructure；mechanical properties

我國高等級公路基層 90% 以上是水泥穩定碎石結構。這是因為作為半剛性基層或底基層結構，水泥穩定碎石材料不僅取材方便，而且其強度、整體性及水穩定性都非常優異～3]，能夠滿足我國不同的地理氣候因素的要求4。實際工程中，單層水泥穩定碎石材料壓實后厚度一般不超過 20cm ，施工中通常需要分層操作5。多層施工碾壓過程中引起下承層損傷；增加碳排放；多層結構降低基層整體承載能力；層間污染；延長施工工期，增加人工及機械成本；因此在新型施工設備助力下，增大單層水穩壓實厚度成為工程發展需要。若能對壓實工藝方案進行改進，實現一次性攤鋪碾壓成型，不僅能夠有效減小壓路機碾壓施工對水泥穩定碎石基層材料的傷害；還能夠節約人力、物力、財力及時間成本，增強水泥穩定碎石基層的整體性能；又能減小水分散失導致的干縮影響，提升路面的耐久性能]。

深入研究大厚度水泥穩定碎石材料的壓實機理和相關壓實特性，通過室內試驗及現場施工情況確定攤鋪壓實設備的選用組合等施工工藝，對大厚度路面碾壓施工具有重要的現實意義。李洋洋等為了分析水泥穩定碎石材料密度形成原理和相關壓實機理，進行了試驗研究并分析了分層壓實施工過程中所存在的問題，為大厚度基層整體壓實施工提供了參考依據；楊自全等以高速公路建設項目為基礎，針對大厚度水泥穩定碎石基層，從原材料選擇、室內配合比設計、施工工藝等方面進行了試驗分析，分析了大厚度水泥穩定碎石基層的力傳導；龔起超等結合通平高速公路現場施工，采用振動擊實方式和重型擊實方式研究了大厚度水泥穩定碎石基層的力學性能和壓實特性，為工程應用提供了可靠的理論依據；第海東等在鶴大高速公路兩個標段分別使用分層攤鋪和一次性攤鋪壓實工藝，較為全面地分析了不同施工方式條件下厚層水泥穩定碎石基層的技術性能和壓實度、抗壓強度等技術指標；張棟梁等對水泥碎石組成進行微觀分析，提出改善界面均勻性的理想材料結構組成狀態，揭示了基于均勻性設計得到的水泥穩定碎石性能改善的微觀機理;MASADE等[2～13]采用工業CT掃描和數字圖像處理技術相結合的研究手段，比較分析了不同成型方式下粗集料顆粒及空隙空間分布特征等細觀結構參數，探究不同壓實條件對瀝青混合料內部細觀結構的影響；張坤等4使用CT設備，通過對生土材料不同橫斷面的CT分析比較，得出了裂縫和空隙產生的過程和發展規律。

國內外學者雖然對大厚度一次性攤鋪技術進行了相關試驗和分析，但對室內試驗結果如何指導工程實踐及在單層基層壓實厚度增加的情況下大厚度水泥穩定碎石基層的上部出現超壓實度現象、空隙沿厚度分布規律、大厚度壓實機理等關鍵問題未做詳細探究。本文在室內試驗的研究基礎上，通過工業CT掃描技術和圖像處理技術對試件進行斷層掃描，重構水泥穩定碎石三維模型，對試件縱向切片圖像進行處理，結合宏觀力學試驗對水泥穩定碎石試件進行綜合比較分析，探究大厚度水泥穩定碎石內部孔隙率及顆粒分布等細觀結構特征。

1材料與方法

1.1原材料指標

1）水泥的主要性能指標見表1。

表1水泥物理性能

2）石料取自公路檢測維修站，主要分4個粒徑范圍，分別為 0～5mm，5～10mm，10～20mm，20～30mm° 根據規范[5要求，檢測粗集料和細集料主要技術指標。見表2和表3。

表2粗集料技術指標測試結果

表3細集料技術指標測試結果

1.2礦料級配

根據集料篩分結果，按各篩孔的用量回歸得到較為理想的級配曲線，并將水泥摻量定為 5% 。見表4。

表4水泥穩定碎石混合料級配

1.3試件制備

大厚度成型試件應區別于常規厚度試件，從水泥穩定碎石材料層厚的角度出發，對規范規定的試件尺寸進行加厚處理。

制備高徑比為 的圓柱形（直徑 100mm 高度 150mm 試件和高寬比為 的中梁 400mm× 100mm×150mm ）試件。所有試件均采用靜壓方式成型，切割機沿成型壓力方向切除試件上側1/3部分（高50mm ），對下部試件（即標準試件尺寸）進行室內試驗。見圖1。

圖1試驗試件

為保證壓實功與現場一致，加載速率設置為1mm/min ，當試件完全壓入后持續受壓 2min （圓柱試件）或 5min （中梁試件）。卸載后，靜置 2～4h ，使用塑料袋密封后放入標準養護室養護至規定齡期。圓柱型試件需要使用脫模機脫模，中梁試件采用人工進行脫模。

1.4試驗方案

1.4.1力學試驗

通過萬能試驗機靜壓成型，制備 ?100mm×150 mm 的圓柱試件和 400mm×100mm×150mm 的中梁試件，達到規定養生時間后，利用切割機沿著壓力方向切除試件上部 50mm 部分，形成標準尺寸試件。制備標準尺寸圓柱型試件和中梁試件作為對照組，對分別進行水泥穩定碎石路用性能試驗，包括無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗、彎拉試驗和動態模量試驗

1.4.2微觀分析

采用YXLONFF35CT設備對水泥穩定碎石室內成型試件進行掃描；同時為獲取更加清楚的圖像結構，使用ImageJ軟件處理切片圖像，得到其二值化處理圖像。由于主要研究大厚度水泥穩定碎石的壓實機理及特性，因此對成型試件的底部 50mm 進行工業CT掃描試驗。采用切割機將試件切割成 ?100mm× 50mm 的小尺寸試件。由于水泥穩定碎石材料的黏結能力有限，在切割過程中，需將試件纏繞固定，避免試件在切割過程中松散剝落，同時標記區分試件的頂部和底部。掃描結束后，使用VGStudioMax3.0軟件進行三維重構1，得到水泥穩定碎石底部試件的三維模型[18]，對其進行表面測定、孔隙分析等處理操作，得到試件孔隙三維圖像。

2結果與討論

2.1力學性能試驗

2.1.1無側限抗壓強度

大厚度水泥穩定碎石試件的無側限抗壓強度略小于常規成型試件。常規成型試件28、90d抗壓強度較7d抗壓強度分別增長了 51.8%.75% ，大厚度試件28、90d抗壓強度較7d抗壓強度分別增長了 51% 、78.4% 。見表5。

表5水泥穩定碎石抗壓強度試驗結果

這是由于大厚度試件的厚度更大，壓實功傳遞不均勻，導致其下部區域的密實度相對較低，密實度差異可能會導致大厚度試件的孔隙率較高，從而使得水泥水化反應產生的黏結作用較?。淮蠛穸仍嚰趬簩嵉倪^程中壓實功更大，可能導致試件中上部大顆粒破碎，從而影響其抗壓強度；但兩者強度增長速率差異不大，隨著養生時間的增加，大厚度試件強度增長速率較常規試件快。

2.1.2劈裂強度

大厚度水泥穩定碎石試件的劈裂強度略小于常規成型試件。常規成型試件28、90d劈裂強度較7d劈裂強度分別增長了 40%.52.9% ，大厚度試件28、90d劈裂強度較7d劈裂強度分別增長了 38.1%.57.1% 。見表6。

表6水泥穩定碎石劈裂強度試驗結果

這是因為大厚度試件下部壓實不充分導致其內部可能存在較多微裂縫或細小裂縫；厚度的增加還可能導致粗細集料分布不均勻，產生較多的斷面空隙，降低了其整體的劈裂強度。

2.1.3彎拉強度

大厚度水泥穩定碎石試件彎拉強度略小于常規成型試件。大厚度試件與常規成型試件90d的彎拉強度比僅為0.893。見表7。

表7水泥穩定碎石彎拉強度試驗結果

這是由于大厚度試件中下部區域水化反應不充分，存在較多大空隙和裂縫，導致材料黏結力和強度發展較慢，降低試件的彎拉承載能力。

2.1.4動態模量

大厚度水泥穩定碎石試件的動態模量小于常規成型試件。見圖2。

力鏈在厚度方向上衰減，大厚度試件中下部壓實不充分，存在較多斷面空隙，因此在抗壓回彈的過程中大厚度試件會出現一個壓實的過程，導致其結構剛度和抗變形能力略遜于常規成型試件。

綜上可知，大厚度水泥穩定碎石試件的基礎路用性能指標略低于常規成型試件，但兩者之間差異較小，從宏觀層面無法繼續探究其壓實特性。

2.2微觀結構分析

圖3三維重構

進行工業CT掃描，結合圖像處理技術，從微觀層面深人研究分析大厚度水泥穩定碎石材料的結構組成及壓實機理。

2.2.1 CT圖像分析

選擇養護90d后的試件進行圖像處理和三維建模，發現試件內部空隙主要表現為獨立空隙、細長條狀或不規則狀，呈網狀結構。見圖3和圖4。

圖4水泥穩定碎石二維切片

2.2.2不同成型方式下水泥穩定碎石細觀空隙分布

采用ImageJ圖像處理軟件對試件二維切片進行分析，每 1mm 厚度獲取一張 X-Z 平面圖像，為減小試件成型和切割時對試件產生的影響，去除試件端部各5mm ，對共計40張二維切片數字圖像進行處理。分別統計 150mm 和 100mm 高度成型試件中部、底部斷面的空隙數量及面積，分析水泥穩定碎石混合料的細觀空隙分布特征。

1）斷面空隙率分布。由于成型及切割等因素影響，試件空隙率呈現兩端較高、中間較低的特點。具體來說，010-D的斷面空隙率基本維持在 1.75% 左右，隨著斷面深度的增大，空隙率逐漸上升；015-Z的斷面空隙率中間部分基本維持在 1.60% 左右，與010-D的斷面空隙率非常相似；015-D的斷面空隙率隨斷面深度而逐漸增大，并且高于前兩者的空隙率。見圖5。

圖5斷面空隙率分布

注：015-Z為 150mm 厚度試件的中部， 015-D 為 150mm 厚度試件的底部，010-D為 100mm 厚度試件的底部

首先，在混合料壓實的過程中，試件下部由于深度較大，壓力衰減大、壓實功獲得不足，局部混合料不能充分填充，體現為局部孔隙率偏大；其次，在試件靜壓過程中，由于力鏈從上至下傳導，壓頭對上部做功較多，隨著斷面深度的增加，顆粒向下移動過程中，混合料受到側向摩阻力影響，所做功逐漸減弱，能量逐漸散失，不能很好地重新排列顆粒，導致密實度偏低。因此，只增大壓實功難以將力鏈有效地傳遞至底部。

注：015-Z為 150mm 厚度試件的中部，015-D為 150mm 厚度試件的底部，010-D為 100mm 厚度試件的底部

圖6斷面空隙分布

2）空隙數量及面積分布?？障稊盗亢兔娣e分布的分析可以更全面地了解水泥穩定碎石內部空隙和裂縫特征的分布情況，有助于進一步研究水泥穩定碎石材料的壓實機理。

水泥穩定碎石試件各部位的斷面空隙數量呈不規則分布，015-Z斷面空隙數量略高于010-D，015-D空隙數量起伏波動較大。各部位斷面的微型空隙占比相對較大，隨著空隙面積的增大，與之對應的空隙數量逐漸減少，015-D微型空隙和大面積空隙結構占比最大，與斷面空隙率分布特點相符。見圖6。

3）空隙形狀分布。研究顯示，振動成型試件和靜壓成型，材料內部的空隙結構都呈不規則形狀。本文采用圓度 （R） 來評價二維空隙形狀特征。圓度為空隙周長相等的圓形面積與實際面積的比值

式中 ：A 為圓的面積； P 為圓的周長。

為了表征空隙的形狀規則程度，可以根據二維空隙的形狀參數圓度 （R） 將斷面空隙形狀分為3大類[9]：長條形空隙（ 0

015-D的長條狀空隙高達 66.44% ，規則形空隙低至 8.94% ，因為大顆粒在插搗和自重作用下，多數集中在中下部區域，導致粗集料之間的接觸變多，而細集料和水泥砂漿所占比例較少，導致出現較多的長條狀空隙，由于靜壓的能量傳遞作用，底部的顆粒受到摩擦和水泥砂漿的膠結作用，更不易于發生相對滑動。015-Z較010-D的長條狀空隙增加，因為成型更大厚度的水泥穩定碎石試件需要更大的壓實功來保證其壓實度，超大作用力會使得試件中上部的大顆粒發生破碎，繼續壓實產生更多了長條狀裂縫。見圖7。

圖7空隙類型

4）空隙分形。引用分形理論2，定量描述水泥穩定碎石混合料空隙的復雜程度及其分布特征。分形維數與復雜程度呈正相關：分形維數越小，代表空隙形態越單一；分形維數越大，空隙形狀越無序。

計算分形維數最常見的方法是計盒維數法[21-22]，簡單且準確率較高。用相等方格來填充空隙結構，然后根據方格的尺寸計算覆蓋空隙結構所需的方格數。記錄大于指定半徑的空隙數量 N（d） ，數量和指定半徑長度呈線性相關 N（d）∝d^-D ，水泥穩定碎石試件二維CT掃描圖像切片中的空隙形狀分布

N（d）=Ad^-D

同時取對數，即有

式中： d 為所研究的分形集合中小方格的尺寸； D 為水泥穩定碎石內部空隙的分形維數。

計算得到整體空隙結構所占用的總方格數，繪制出幾者關系的坐標圖，圖中直線傾斜程度即為 D 。試件的分形維數呈不均勻分布狀態，但它們的均值相差較小。015-Z和010-D的分形維數均值僅相差0.007，而015-D的分形維數均值比015-Z高出0.026，015-D的變異系數較另外兩個部位更大，這與斷面空隙率、數量、面積和形狀特征結果一致。見表8和圖8。

表8不同部位的空隙分形維數均值及變異系數

注： C_ε 為樣本數據的標準差 σ 與平均值x的比值。

圖8分形維數分布

由于力的傳導從上到下逐漸減弱，導致試件下部顆粒克服摩擦并重新排列的難度更大。如果顆粒不能很好地排列和填充，會形成更多的不規則空隙結構，進而導致分形維數增大。

3結論

1宏觀試驗表明，大厚度水泥穩定碎石試件的抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度和動態模量均略低于常規試件，反映了增大單層水穩壓實厚度會導致整體密實度和強度特征存在差異。

2）微觀試驗表明，大厚度水泥穩定碎石（015-D）的斷面空隙率、空隙數量和空隙面積均高于常規厚度試件（010-D）；尤其在底部區域，表現出更高的空隙率和更復雜的空隙形狀，主要為長條狀和不規則形空隙。大厚度試件底部因壓實能量衰減而出現的壓實不足的現象，導致強度不均勻。

3）基于壓實機理分析，隨著壓實厚度的增大，壓實能量在傳遞過程中衰減明顯，同時側壁摩擦的影響進一步削弱了能量的傳遞效果，底部顆粒難以有效排列與填充，導致空隙分形維數增大，空隙結構更復雜；壓實能量的不足導致底部水化反應不夠充分，密實度不足。

4）簡單提高壓實功（遍數）難以解決大厚度試件壓實不足的問題，簡單壓實功的線形增加難以滿足大厚度試件底部的要求，需要進一步探討大厚度級配設計理論，優化壓實能量傳遞路徑，開發新型壓實工藝及壓實機具，提出適合評價大厚度壓實工藝的室內試驗方法。

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收稿日期：2025-03-19

基金項目：天津市自然科學基金（20JCQNJC00930）

作者簡介：張勝雨（1982一），男，高級工程師，從事道路工程技術研究工作。通信作者：肖慶一（1979一），男，教授，研究方向為道路材料。