水泥穩(wěn)定碎石混合料縮裂影響因素的試驗(yàn)研究

胡青

摘 要：針對干燥收縮和溫度收縮引起的半剛性基層路面病害，選取水泥穩(wěn)定碎石混合料作為半剛性基層材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。在調(diào)整水泥摻量與不同級(jí)配組合的情況下，通過溫度收縮試驗(yàn)和干燥收縮試驗(yàn)考察不同水泥摻量和不同結(jié)構(gòu)對水泥穩(wěn)定碎石混合料縮裂性能的影響。結(jié)果表明：選取水泥摻量低于4.5%，同時(shí)采用骨架型結(jié)構(gòu)的混合料時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料能有效地改善基層的抗縮裂性能。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石；干燥收縮；溫度收縮；最佳摻量

中圖分類號(hào)：U414.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2016）05-0067-04

Abstract： Aimed at the diseases of semi-rigid pavement caused by drying and temperature-induced shrinkage， cement stabilized macadam was chosen to be semi-rigid base material for experimental study. The impact of cement content and the gradation on the shrinkage and crack resistance properties of cement stabilized macadam was studied with temperature shrinkage test and drying shrinkage test. The results show that when the cement content is lower than 4.5% and skeleton structure is applied to the concrete mixture， the shrinkage and crack resistance properties shall be noticeably improved.

Key words： cement stabilized macadam； drying shrinkage； temperature shrinkage； optimal content

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石混合料作為半剛性基層材料的一種常用形式，在中國高速公路建設(shè)中扮演著重要的角色。但由于半剛性基層自身的特點(diǎn)，溫縮和干縮引起的病害常在半剛性瀝青路面開放交通的初期頻繁出現(xiàn)。由于國外半剛性基層應(yīng)用范圍小，因此對基層產(chǎn)生縮裂的影響因素研究也比較少[1-5]。

本文選取了3種不同級(jí)配的集料與水泥膠結(jié)料分別組成骨架密實(shí)型、骨架空隙型和懸浮密實(shí)型的水泥穩(wěn)定碎石混合料，探討不同水泥摻量和不同結(jié)構(gòu)類型對水泥穩(wěn)定碎石混合料基層的干縮性能和溫縮性能的影響。

1 原材料

1.1 水泥

本試驗(yàn)采用陜西耀縣42.5#普通硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)技術(shù)性能按照《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）進(jìn)行了試驗(yàn)[6]，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 集料

集料采用西北地區(qū)較多的石灰?guī)r石料，其基本性能指標(biāo)滿足路用性能要求。在總結(jié)中國路面基層水泥穩(wěn)定碎石混合料集料級(jí)配的組成設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮水泥穩(wěn)定碎石混合料的縮裂變形特性，通過控制粗細(xì)集料關(guān)鍵篩孔的通過率，采用級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3三種典型的集料級(jí)配進(jìn)行組合試驗(yàn)，組成的結(jié)構(gòu)分別為骨架密實(shí)型、骨架空隙型、懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料，最終確定出集料的級(jí)配組成見表2。

2 干縮性能

水泥穩(wěn)定碎石混合料在拌和、攤鋪、碾壓成基層后，會(huì)發(fā)生毛細(xì)管張力、吸附水分子間力、礦物凝膠、碳化脫水等一系列作用而失水產(chǎn)生體積收縮[7]。

水泥穩(wěn)定碎石混合料在級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3的基礎(chǔ)上，按照不同結(jié)構(gòu)都采用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%五種不同水泥摻量的方法進(jìn)行干縮試驗(yàn)，計(jì)算平均干縮系數(shù)，近而評價(jià)其干燥縮裂的影響因素及影響程度。

2.1 干縮試驗(yàn)方法

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）的要求[8]，測得混合料的最佳含水量，制作試件。將混合料分層裝入10 cm×10 cm×40 cm的試模中，搗實(shí)后在壓力機(jī)上采用300 kN的成型壓力將試模的上壓塊壓入試模內(nèi)，靜壓5 min后卸載，脫模，平行試件數(shù)量為3個(gè)。成型好的試件在（20 ℃±2 ℃）、90%濕度的養(yǎng)生條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)生齡期分別為7 d。之后放入40 ℃試驗(yàn)箱中2 h后測量含水量和干縮應(yīng)變，溫度保持在40 ℃，每4 h稱量一次試樣并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。平均干縮系數(shù)為

2.2 干縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

選取結(jié)合材料時(shí)，在不同級(jí)配狀況下，采集水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)隨失水率和時(shí)間變化的試驗(yàn)結(jié)果見圖1～2，3種不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石混合料平均干縮系數(shù)隨水泥摻量的變化趨勢見圖3。

結(jié)合圖1～3可得出以下結(jié)論。

（1）水泥摻量是影響混合料干縮變形的重要因素之一。3種不同結(jié)構(gòu)的混合料收縮規(guī)律基本一致，隨著水泥摻量的增加，混合料的干縮系數(shù)越來越大，由于水泥自身的收縮特性使混合料干燥收縮的程度加劇，為了保證水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮特性，盡可能降低水泥摻量。

當(dāng)水泥摻量由3.5%增大到4%、4.5%、5%、5.5%時(shí)，級(jí)配1組成的骨架密實(shí)型混合料平均干縮系數(shù)分別增大13.99%、21.91%、24%、33.11%；級(jí)配2組成的骨架空隙型混合料的平均干縮系數(shù)分別增大21.55%、27.59%、38.33%、46.35%；級(jí)配3組成的懸浮密實(shí)型混合料的平均干縮系數(shù)分別增大16.69%、17.25%、17.94%、35.99%?？梢钥闯龉羌芸障缎突旌狭系母煽s變形受水泥摻量變化的影響最大，懸浮密實(shí)型次之，骨架密實(shí)型混合料的干縮變形受水泥摻量變化的影響最小。

（2）由圖1可知失水率在1.2%～2.3%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)出現(xiàn)最大值，失水率大于2.3%時(shí)干縮系數(shù)雖有波動(dòng)但其數(shù)值不大。圖2中時(shí)間在24～40 h內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石混合料干燥系數(shù)存在最大值，說明干燥收縮受環(huán)境的影響主要發(fā)生在混合料成型的初期，后期的變化趨于平緩。分析原因主要是由于干縮初期，水分的蒸發(fā)造成毛細(xì)管張力增大，從而收縮較大。

（3）混合料結(jié)構(gòu)類型也是影響干燥收縮的另一個(gè)重要因素，由圖3可知骨架型混合料的平均干縮系數(shù)遠(yuǎn)小于密實(shí)型混合料。當(dāng)水泥摻量超過3.8%時(shí)，抗干縮變形能力如下：級(jí)配1最強(qiáng)，級(jí)配2次之，級(jí)配3最弱，此時(shí)選取骨架密實(shí)型混合料能有效改善水泥穩(wěn)定碎石基層的抗干縮能力；當(dāng)水泥摻量小于3.8%時(shí)，抗干縮變形能力為級(jí)配2最大，級(jí)配1次之，級(jí)配3最差，此時(shí)選取骨架空隙型混合料能有效改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗干燥收縮能力。

3 溫縮性能

水泥穩(wěn)定碎石混合料基層的溫縮主要發(fā)生在面層鋪筑后。水泥穩(wěn)定碎石混合料是一種三相材料，三相組成在溫度降低過程中相互作用，產(chǎn)生體積收縮，使半剛性基層材料產(chǎn)生溫縮變形。

水泥穩(wěn)定碎石混合料在級(jí)配1～3的基礎(chǔ)上，按照不同結(jié)構(gòu)類型都采用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%五種不同水泥摻量進(jìn)行溫縮試驗(yàn)，計(jì)算平均溫縮系數(shù)，近而評價(jià)其縮裂的影響因素及影響程度。

3.1 溫縮試驗(yàn)方法

按照規(guī)程（JTG E51—2009）中的方法進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮試驗(yàn)操作。在最大干密度和最佳含水量的條件下通過靜壓法成型10 cm×10 cm×40 cm的試件，平行試件的數(shù)量為3個(gè)，試件在（20 ℃±2 ℃）、90%濕度的條件下進(jìn)行養(yǎng)生?？紤]水泥穩(wěn)定碎石混合料的降溫收縮主要發(fā)生在低溫階段，故溫縮試驗(yàn)的溫度區(qū)間設(shè)為-30 ℃～30 ℃，每5 ℃為一個(gè)溫度區(qū)間，每個(gè)溫度區(qū)間恒溫6 h，對試件的溫縮應(yīng)變進(jìn)行觀測與計(jì)算，該溫度區(qū)間內(nèi)的平均溫縮系數(shù)為

3.2 溫縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合材料，選取在3種不同級(jí)配狀況下，采集在溫縮試驗(yàn)中混合料隨水泥摻量變化產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)隨溫度范圍變化的試驗(yàn)結(jié)果見圖4，3種不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石混合料平均溫縮系數(shù)變化趨勢見圖5。

結(jié)合圖4、5可以得到以下結(jié)論。

（1）水泥摻量是影響混合料干縮變形的重要因素之一。3種結(jié)構(gòu)混合料的收縮規(guī)律基本一致，當(dāng)水泥摻量由3.5%增大到4%、4.5%、5%、5.5%時(shí)，級(jí)配1組成的骨架密實(shí)型混合料平均溫縮系數(shù)分別增大3.2%、6.7%、11.6%、15.68%；級(jí)配2組成的骨架空隙型混合料的平均溫縮系數(shù)分別增大6.47%、12.48%、19.61%、22.57%；級(jí)配3組成的懸浮密實(shí)型混合料的平均溫縮系數(shù)分別增大3.94%、8.57%、15.05%、18.98%?？梢钥闯龉羌芸障缎突旌狭系臏乜s變形受水泥摻量的變化影響最大，懸浮密實(shí)型次之，骨架密實(shí)型混合料的溫縮變形受水泥摻量的變化影響最小，此溫縮變化規(guī)律與干縮變化一致。

（2）圖4中3種級(jí)配組成的水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)隨著溫度的降低都呈現(xiàn)出線性增長趨勢，其原因主要是水泥穩(wěn)定碎石混合料本身感溫性能好，溫度降低造成水泥穩(wěn)定碎石材料的收縮效應(yīng)顯著，溫縮系數(shù)隨之呈上升的趨勢。在-10 ℃～5 ℃溫度內(nèi)，溫度處于冰點(diǎn)附近，混合料中的水出現(xiàn)反常膨脹，所產(chǎn)生的擴(kuò)張壓力消失，顆粒之間的空隙減小，混合料變得更加密實(shí)，故此區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)趨于平緩。

（3）由圖4可知，3種結(jié)構(gòu)類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料平均溫縮系數(shù)都隨著水泥摻量的增加而增大。水泥摻量變化對溫度收縮變形有顯著影響，降低水泥摻量有助于減少混合料的溫度收縮。3種結(jié)構(gòu)類型的混合料在水泥摻量小于4.5%時(shí)平均溫縮系數(shù)增長速度緩慢，當(dāng)水泥摻量大于4.5%時(shí)，平均溫縮系數(shù)增長幅度增快，考慮基層混合料抵抗溫度收縮變形的能力，盡量選用低劑量的水泥摻量，水泥的最佳摻量小于4.5%。

（4）影響水泥穩(wěn)定碎石混合料溫度收縮的另一關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)類型，由圖5可以發(fā)現(xiàn)，骨架密實(shí)型混合料的平均溫縮系數(shù)遠(yuǎn)小于懸浮密實(shí)型混合料。在水泥摻量低于4%時(shí)，3種結(jié)構(gòu)類型混合料中抗溫縮變形能力骨架空隙型最強(qiáng)，骨架密實(shí)型次之，懸浮密實(shí)型最差。在水泥摻量高于4%時(shí)，3種結(jié)構(gòu)類型混合料中抗溫縮變形能力骨架密實(shí)型最強(qiáng)，骨架空隙型次之，懸浮密實(shí)型最差。骨架型級(jí)配的溫縮性能較優(yōu)，主要是由于其中的大粒徑碎石能吸收在降溫過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減少混合料的變形，選擇骨架型混合料可以提高水泥穩(wěn)定碎石基層的抗溫縮性能。

4 結(jié) 語

（1）水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)隨著失水率和水泥摻量的增加而增大，骨架密實(shí)型混合料的干縮特性受水泥摻量的變化影響較小，骨架空隙型混合料次之，懸浮密實(shí)型混合料干縮特性受水泥摻量的變化影響最大。從混合料抗干燥收縮的角度出發(fā)，盡量降低水泥摻量，當(dāng)水泥摻量超過3.8%時(shí)骨架密實(shí)型混合料抗干縮性較好，水泥摻量低于3.8%，骨架空隙型混合料抗干縮性較好。

（2）水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)隨著溫度的降低而增大，隨著水泥摻量的增加而增大，從抗溫縮性能考慮，應(yīng)選擇較低的水泥摻量，當(dāng)水泥摻量小于4.5%時(shí)混合料的平均溫縮系數(shù)增長幅度放緩，可考慮最佳水泥摻量小于4.5%。在水泥摻量超過4%時(shí)，3種結(jié)構(gòu)類型混合料中抗溫縮變形能力骨架密實(shí)型最強(qiáng)，骨架空隙型次之，懸浮密實(shí)型最差。在水泥摻量低于4%時(shí)，3種結(jié)構(gòu)類型混合料中抗溫縮變形能力骨架空隙型最強(qiáng)，骨架密實(shí)型次之，懸浮密實(shí)型最差，選擇骨架型結(jié)構(gòu)有利于提高混合料抗溫縮的能力，這是由于在水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部，大粒徑碎石能吸收降溫過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，粗集料含量對混合料的收縮起著重要的作用。

（3）考慮溫縮和干縮的共同作用，選擇低水泥摻量，骨架型結(jié)構(gòu)組成的混合料的抗縮裂性能最優(yōu)，考慮半剛性基層工程實(shí)際使用，也可以在水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入適量的粉煤灰，或者延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間來提高其基層抗縮裂性能。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]