低剂量水泥稳定级配碎石温度收缩特性研究

■郭根才

（泉州市公路局，泉州 362000）

0 引言

自2005年，泉州市公路局开始在对普通公路水泥混凝土路面进行改造时采用了加铺水泥混凝土路面结构形式（即“白加白”路面），但 “白加白”路面在经过几年使用后，出现了大面积的开裂、断板、唧泥、错台和沉陷等不同程度的病害问题。为进一步改善交通条件，提升道路的服务性能，从2012年开始，泉州市公路局开始在原有的水泥混凝土路面进行加铺沥青混凝土（即“白加黑”路面），极大提升了车辆行驶的舒适性和路面整体的稳定性。目前越来越多的“白加黑”路面结构采用了水泥稳定级配碎石半刚性基层沥青路面，一般的路面半刚性基层水泥掺量为4.5%～6.0%。水泥稳定级配碎石中的水泥掺量对其性能有较大的影响，一方面，混合料中的水泥掺量越高，其材料强度相对就越高；另一方面，由于路面结构形式常常使其抗拉强度偏小，在车辆荷载作用下，混合料内部容易产生损伤断裂破坏，当混合料内部水分蒸发或外界温度降低时，混合料就会产生干缩、温缩现象，初始裂缝从下向上开始传递，最终在加铺沥青面层形成反射裂缝。

低剂量水泥稳定级配碎石中水泥含量较少，混合料的收缩系数相对降低，由此增强了稳定级配碎石的抗裂性能，因此研究低水泥剂量下水泥稳定级配碎石的温度收缩特性对于防止半刚性基层路面的开裂现象具有重要的现实意义。

本文基于低剂量水泥稳定级配碎石材料，采用1%、2%和3%三种水泥掺量和Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种不同级配展开材料温度收缩特性研究，基于本研究找到低剂量水泥稳定碎石的温缩变化规律，同时提出能够应用于实际施工现场的低剂量水泥稳定碎石级配，以期为现场施工提供指导与借鉴作用。

1 常规的温度收缩测试方法

目前基于无机结合料稳定粒料的温缩测试方法一般要求试件全程应处于高低温交变环境下[1]。使用的测量设备除了常规的支架法、电阻应变片法、振弦式法外，长安大学还研发了路面材料收缩变形测试仪[2]，该仪器主要源于立式支架法的测试原理，利用位移传感器进行收缩测试。以上方法的对比分析见表1。

表1 不同温度收缩测试方法对比

2 本文采用的温度收缩测试方法

基于上述，本文决定采用外置振弦式法进行温缩测试研究。为保证测量精度，宜在试件制作过程中往里预埋热电偶线，具体安装方式见图1和图2。

图1 振弦式法测量温度收缩

图2 一组温缩试验（Ⅰ型-2%）

具体试验步骤如下：

（1）梁试件尺寸初步设计为 100mm×100mm×400mm。最佳含水量情况下，通过振动成型控制，保证达到98%的最大干密度，最终获得不同水泥剂量（1%、2%、3%）、不同级配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的试件，每组试件共3个，作为平行对比试件，注意在试件成型过程中预埋热电偶线。

（2）对成型后的试件采取保温措施，如用塑料薄膜覆盖，同时进行标准养护（温度20±2℃，相对湿度≥95%）。

（3）试件养护14d后，将其取出，放置于烘箱中，控制温度环境为105℃，持续烘烧至恒重，以排除前期材料收缩[1]效应造成的影响。

（4）试件恢复常温后，开始安装传感器底座，注意两个底座应尽量保证在试件的中轴线上，最后用环氧树脂固定。

（5）底座安装完成后，开始传感器安装。具体方法：将外置式传感器通过螺丝锚固于底座。为使传感器有较大测量范围，可利用传感器的同向螺丝调节钢弦的初始频率使其处于零点频率附近。

（6）上述准备就绪，将试件竖着放入高低温交变箱中。保证试件先在45℃下恒温2h，然后开始正式进入设定的变温曲线，降温幅度在45℃～-5℃之间，温度间隔设定为10℃，降温速率为1℃/min，当室温降至节点温度值后接着保持恒温2h，如图3所示。同时如图4与图5所示，自动应变数据采集仪及自动温度数据采集仪的采样集频率为3min每次。

图3 降温曲线

图4 应变数据采集系统

图5 温度数据采集系统

3 三种级配的选取

本文选用三种不同级配进行试验对比，分别命名为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型级配碎石，其具体的级配组成详见表2。本文研究揭示低剂量水泥稳定级配碎石温度收缩特性，因此水泥剂量取1%、2%、3%。

表2 各试验方案级配组成

4 低剂量水泥稳定级配碎石材料温缩特性及其评价

式中：αt——平均干缩系数，10-6；εi——第i个温度下的温缩应变，10-6；ti——变温曲线中第i个温度区间，℃。

4.1 温缩应变的变化规律

本节采用高低温交变箱来模拟试件所受的外界温度变化环境，通过控制不同的高低温变化环境，试件内部的温度也会随着环境中温度的变化而变化，图6、图7、图8和图9是表示不同水泥剂量、不同级配的低剂量水泥稳定级配碎石温缩应变与试件温度随时间的变化规律曲线图。由图6、图7、图8和图9可知：

（1）随着试验的进行，可以发现试件内部的温变规律基本与外界温变环境变化情况相吻合，但基本会延迟一

根据 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[4]的相关规定，对低剂量水泥稳定级配碎石温缩特性的评价可采用温缩应变εt与平均温缩系数αt两个指标，其中利用应变数据采集系统可以获得温缩应变，同时进行温度修正，基于平均温缩系数αt的计算方法如式1所示：

图6 试件温度随时间的变化规律（平均值）

图7 温缩应变随时间的变化规律（水泥剂量1%）

图8 温缩应变随时间的变化规律（水泥剂量2%）

图9 温缩应变随时间的变化规律（水泥剂量3%）

（2）随着试验的进行，可以看出在不同剂量和不同级配工况下，试件的温缩应变变化趋势大体相同，均随时间呈递增趋势。同时每一降温时段与试件温缩应变的增大时段相对应，而在恒温时段内则无较大变化。

（3）试件中不同的水泥剂量和级配会造成混合料的密实度、空隙率的差异，因此其热传导效率也不同，在相同的温变环境中会产生不同的温变差异。

（4）当外界环境温度从45℃降到-5℃时，不同水泥剂量、不同级配的低剂量水泥稳定级配碎石产生的总温缩应变相差不大，基本在390～450×10-6με的范围内。

综上可知，试件的温缩应变基本与其内部本身的温度变化规律一致，同时当外界环境温度从45℃降到-5℃时，不同水泥剂量、不同级配的低剂量水泥稳定级配碎石产生的总温缩应变相差不大。

基于以上，在施工中应注意急剧温变环境对路面材料的影响，尤其对于南方湿热地区，夏季时常会发生突发性暴雨天气，容易使路面基层的收缩应变急剧产生，当收缩应变来不及松弛时将导致基层开裂，故建议采用覆盖土工布的养护方法来减小基层的温变幅度。

4.2 温缩系数的变化规律

基于上述温缩应变时程曲线，分降温区间计算平均温缩系数（共有五个），在恒温区段内选取稳定的温缩应变以及温度跳动点作为计算基准点图10显示了不同级配的低剂量水泥稳定级配碎石温缩系数与降温区间的关系。由图10可知：

（1）不同降温区段对低剂量水泥稳定级配碎石的平均温缩系数值影响较大。

（2）同一级配下，除个别情况外大部分试件都表现为随着水泥剂量的增加，其温缩系数也相应增加。说明水泥剂量对试件温缩效应的影响较大。

（3）不同级配与水泥掺量的低剂量水泥稳定级配碎石温缩系数的最大值大部分都出现在45℃～35℃区间内。说明低剂量水泥稳定级配碎石材料可能在45℃～35℃高温区间内温缩特性最为显著。

综上可知，低剂量水泥稳定级配碎石的平均温缩系数值有较大差异，其中在45℃～35℃高温区间内温缩特性表现最为显著。同时位于相同降温区段时，水泥剂量对试件温缩效应的影响起主导作用。

4.3 水泥剂量与级配对温缩特性的影响

图11显示了混合料的最大温缩系数、平均温缩系数与水泥剂量、级配的关系。由图11可知，对于低剂量水泥稳定级配碎石：

图10 温缩系数随温度的变化规律

（1）最大温缩系数随水泥剂量的增大而增大，且其级配也会影响其增长幅值，当水泥剂量由1%增加至3%时，不同级配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的最大温缩系数分别增长7.3%、4.6%以及7.9%。

（2）平均温缩系数的变化规律和增长幅值与水泥剂量以及级配的关系基本与上同，当水泥剂量由1%增加至3%时，不同级配（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）的平均温缩系数分别增长9.4%、8.5%以及4.7%。以上分析表明级配对低剂量水泥稳定级配碎石温缩特性的影响不能忽略。

（3）水泥剂量一致时，不同级配下混合料的最大与平均温缩系数整体表现为：Ⅲ型级配最大，Ⅱ型级配次之，Ⅰ型级配最小。

（4）Ⅲ型-3%混合料的最大温缩系数和平均温缩系数均在所有混合料中最大，分别为9.81×10-6和8.823×10-6，而最小的均为Ⅰ型-1%混合料，其值分别为8.68×10-6和7.672×10-6。

图11 温缩特性与水泥剂量、级配的关系

综上可知，低剂量水泥稳定级配碎石最大温缩系数与平均温缩系数会受到混合料级配和水泥剂量的影响，其差值在15%的范围内。

基于上述有关分析，施工时推荐在进行低剂量水泥稳定级配碎石级配设计时可考虑选用本次提到的Ⅰ型级配，其次选用Ⅱ型级配，非特殊要求不采用Ⅲ型级配。

5 与水泥稳定碎石温缩特性对比

本节所指的水泥稳定碎石是指水泥剂量为4%或5%的半刚性基层。考虑到4%水泥稳定碎石研究文献偏少，做统计分析意义不大，因此选用两篇代表性文献[5，6]，如图12所示。

图12 4%水泥稳定碎石的平均温缩系数统计图

通过文献[5-13]调研得到5%水泥稳定碎石材料平均温缩系数统计结果，见图13、图14。

基于以上调研统计分析结果，结合本文试验结果绘制图15。由图15可以看出，低剂量水泥稳定级配碎石与水泥稳定碎石的平均温缩系数值差别不大。而水泥稳定碎石的平均温缩系数会小些，这可能是由于不同的温缩测试方法导致。本文使用较高精度的振弦式法对试件进行温缩测试，而文献中基本未涉及实测试件的真实温度，使用的是与温变环境相同的降温幅度，导致平均温缩系数的计算结果偏低。

图13 水泥稳定碎石的平均温缩系数统计图（5%Ⅱ型级配）

图14 水泥稳定碎石的平均温缩系数统计图（5%Ⅲ型级配）

图15 低剂量水泥稳定级配碎石温缩特性与水泥稳定碎石对比图

由上分析可知，低剂量水泥稳定级配碎石与水泥稳定碎石基本具有相同的平均温缩系数，这表明研究低剂量水泥对该材料的温缩特性影响存在一定意义。

6 结论

（1）低剂量水泥稳定级配碎石温缩应变总体保持与试件温度变化一致，温度突变会使路面基层在较短时间内形成较大收缩应变，当来不及释放时基层就会开裂。故在实际施工中，应特别注意急剧温变环境，推荐使用土工布覆盖养护以期减小基层受外界温变环境的影响。

（2）低剂量水泥稳定级配碎石最大温缩系数与平均温缩系数会受到混合料级配和水泥剂量的影响，但差值在15%的范围内。推荐低剂量水泥稳定级配碎石级配可考虑选用本文的Ⅰ型级配，当各档料现场配合比达不到Ⅰ型级配要求时，其次选择Ⅱ型级配，非特殊情况不用Ⅲ型级配。

（3）低剂量水泥稳定级配碎石与水泥稳定碎石基本具有相同的平均温缩系数。

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