不同类型水泥稳定碎石混合料路用性能研究

罗 祺，黄显铸

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西北部湾投资集团有限公司沿海高速公路分公司，广西 钦州 53500)

0 引言

现阶段，我国高速公路路面半刚性基层大多采用水泥稳定碎石材料铺筑而成。水泥稳定碎石基层在广泛的使用中表现出巨大的优越性，但其也存在如易产生收缩裂缝、耐久性不足等较多的缺点[1-4]，因此，有必要对水泥稳定碎石材料做进一步的研究。

目前，已有较多学者针对水泥稳定碎石基层存在的不足进行了研究，杨春玲等通过研究不同级配类型、不同水泥掺量的水泥稳定碎石混合料的疲劳性能，指出骨架密实型的水泥稳定碎石混合料抗疲劳性最佳，并且水泥含量越高抗疲劳性越强[5]。应荣华等依托实际工程，对比了传统缸拌水泥稳定碎石与振动缸拌水泥稳定碎石7 d抗压强度，认为振动搅拌技术对提升混合料路用性能具有较大优势[6]。暴英波通过对比玄武岩纤维水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石抗压强度、劈裂强度，指出玄武岩纤维能显著提升水泥稳定碎石的力学性能[7]。房英锋通过对聚酯纤维水泥稳定碎石进行一系列路用性能试验，指出聚酯纤维掺量在0.6‰～0.8‰时对混合料路用性能提升最佳[8]。应荣华等还通过相关试验研究指出，膨胀剂能明显改善混合料的干缩性能、温缩性能以及水稳定性能[9]。付春梅等对比了两种不同纤维水泥稳定碎石抗裂性能，发现聚酯纤维能更好地改善混合料抗裂性能[10]。综上所述，在水泥稳定碎石混合料中加入纤维、膨胀剂，或者提高水泥掺量可以改善其路用性能。但大多数学者的研究集中于纤维、膨胀剂等单一添加剂对水泥稳定碎石混合料性能的影响，而不同外掺剂对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响对比则较少。

基于以上原因，本文设计了四种不同类型的水泥稳定碎石混合料：5%水泥掺量普通水泥稳定碎石、5%水泥掺量玄武岩纤维水泥稳定碎石、5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石、8%水泥掺量水泥稳定碎石。分别对其进行无侧限抗压强度试验及干缩性能、温缩、疲劳试验，研究不同水泥稳定碎石混合料路用性能，从而为实际应用提供参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)水泥：采用湖南某公司生产的P.C32.5型号水泥，其主要技术如表1所示。高水泥含量水泥稳定碎石中的水泥掺量为8%，其他三种水泥稳定碎石水泥掺量均为5%。

(2)集料：集料采用石灰岩碎石，其各项技术指标符合要求。

(3)玄武岩纤维：本研究中选用的玄武岩纤维由山东青岛某纤维公司生产，束状长度为12 mm。

(4)膨胀剂：选用的膨胀剂为UEA膨胀剂。膨胀剂掺量按所使用的水泥质量的5%计。

表1 水泥主要技术指标试验结果表

(5)根据本文依托工程所用的级配范围，确定其级配范围见表2。四种不同水泥稳定碎石混合料的级配组成都按照表2来进行。

表2 级配组成表

1.2 试验方案

根据规范[11]相关要求，振动压实成型相应的圆柱体试件和梁型试件，每组试验成型3个试件，试件制作好之后放置3 h脱模，然后称量质量、测量高度，并移至标准养生室养生至规定龄期。之后取试件分别进行干缩试验、温缩试验，并利用MTS万能试验机进行无侧限抗压强度试验、四点弯曲疲劳试验。温缩试验控制降温速率为0.5 ℃/min，保温时间为3 h，温度区间分别为30 ℃～40 ℃、20 ℃～30 ℃、10 ℃～20 ℃、0 ℃～10 ℃、-10 ℃～0 ℃五个区间。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度

5%水泥掺量普通水泥稳定碎石、5%水泥掺量玄武岩纤维水泥稳定碎石、5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石、8%水泥掺量水泥稳定碎石分别记为类型1、类型2、类型3、类型4。四种类型混合料的无侧限抗压强度试验结果如图1所示。

由图1可以看出：7 d龄期时的类型2无侧限抗压强度相比于类型1有所减小，但减小程度不大；28 d、60 d龄期时类型2相比于类型1又分别有一定程度提高，且提高幅度也较小。这表明玄武岩纤维会降低水泥稳定碎石的前期强度，但随着龄期的增长，其后期强度会略有提高。这是由于水泥稳定碎石试件在成型初期时玄武岩纤维与水泥稳定碎石混合料之间的作用力减弱，随着龄期增长，水泥稳定碎石混合料与纤维之间的粘结作用不断得到增强，使纤维与混合料成为整体，充分发挥其粘结作用。从28 d、60 d的结果来看，掺加玄武岩纤维、膨胀剂和提高水泥掺量均能增强水泥稳定碎石混合料的抗压强度，其中高水泥掺量提升效果最为明显。

图1 无侧限抗压强度试验结果对比柱状图

2.2 干缩性能

通常采用干缩系数来衡量材料干缩性能，干缩系数越大，材料抗干缩性就越差，干缩系数越小，其抗干缩性能就越好。干缩系数的计算公式为：

(1)

式中：αd——水泥稳定碎石混合料的干缩系数(με/%)；

εi——试件的干缩应变(με)；

wi——试件的失水率(%)。

干缩试验结果如图2所示。

从图2可以看出：四种类型的水泥稳定碎石混合料的干缩系数在一开始增长迅速，后期缓慢增长，最后趋于一个稳定值。5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石干缩系数增速大约在第8 d左右开始变得平缓，5%水泥掺量玄武岩水泥稳定碎石以及5%水泥掺量普通水泥稳定碎石干缩系数增速大约在第6 d左右开始变得平缓，8%水泥掺量的水泥稳定碎石干缩系数增速大约在第5 d左右开始变得平缓；8%水泥掺量的水泥稳定碎石平均干缩系数较5%水泥掺量普通水泥稳定碎石增长7.1%，表明水泥掺量越大，混合料抗干缩性越差；玄武岩纤维水泥稳定碎石混合料干缩系数低于普通水泥稳定碎石，这表明玄武岩纤维能够较好地抑制水泥稳定碎石的干燥收缩，其原因可能为纤维丝在混合料内部的均匀分散，使得纤维丝与胶凝材料之间产生较强的连接力和机械啮合力，约束了混合料的干缩变形；掺膨胀剂水泥稳定碎石混合料干缩系数最小，表明膨胀剂能显著提升水泥稳定碎石的抗干缩性能。四种混合料干缩性能优劣依次为：5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石>5%水泥掺量玄武岩纤维水泥稳定碎石>5%水泥掺量普通水泥稳定碎石>8%水泥掺量水泥稳定碎石。

图2 不同时间下的水泥稳定碎石混合料干缩系数曲线图

2.3 温缩性能

如下页图3所示：在>0 ℃时，随着温度的降低，所有类型的水泥稳定碎石混合料的温缩系数均减小，在<0 ℃时，其温缩系数均随温度降低而增大；四种水泥稳定碎石混合料相同温度区间下温缩系数大小顺序为：8%水泥掺量水泥稳定碎石>5%水泥掺量普通水泥稳定碎石>5%水泥掺量玄武岩纤维水泥稳定碎石>5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石；与类型1相比，类型2和类型3的温缩系数平均值分别降低了6.2%、11.3%，而类型4的温缩系数平均值增加了5.2%，表明玄武岩纤维、膨胀剂均能提高水泥稳定碎石混合料抵抗温度收缩的性能，而水泥用量越多，其抵抗温度收缩的性能则会变差。

图3 不同温度区间的水泥稳定碎石混合料温缩系数 对比柱状图

2.4 抗疲劳性能

四种不同类型的水泥稳定碎石混合料疲劳试验的结果如表3所示。如图4所示为应力水平与疲劳寿命对数的拟合结果。

表3 不同类型水泥稳定碎石混合料疲劳试验结果表

图4 疲劳试验拟合结果示意图

从表3可以看出：随着应力强度比的增大，四种水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命依次降低。从图4的拟合结果来看：曲线的斜率决定了材料的力学敏感性，即曲线越陡，斜率的绝对值越大，应力强度比的变化对疲劳寿命的影响则越大；疲劳方程曲线的截距值越大，代表疲劳曲线位置越高，材料的抗疲劳性能越好；类型1的截距值最小，斜率绝对值最大，说明其抗疲劳性能较差。四种混合料疲劳寿命大小排序为：类型4>类型2>类型3>类型1。

3 结语

本文通过对四种不同类型水泥稳定碎石混合料进行无侧限抗压试验、干缩试验、温缩试验、抗疲劳性能试验，综合对比试验结果，得出的主要结论如下：

(1)玄武岩纤维水泥稳定碎石前期的抗压强度会略微降低，但随着龄期的增长，后期强度会高于普通水泥稳定碎石。四种类型水泥稳定碎石混合料60 d抗压强度大小顺序为：8%水泥掺量水泥稳定碎石>5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石>5%水泥掺量玄武岩纤维水泥稳定碎石>5%水泥掺量普通水泥稳定碎石。

(2)膨胀剂和玄武岩纤维均能有效减少水泥稳定碎石的干缩系数与温缩系数，其中膨胀剂提高混合料干缩性能、温缩性能的程度最大。水泥掺量则与混合料干缩性能、温缩性能成反比，即水泥掺量越高，混合料干缩性能、温缩性能越差。

(3)相同应力强度比情况下，四种混合料疲劳寿命大小依次为，8%水泥掺量水泥稳定碎石>5%水泥掺量玄武岩纤维水泥稳定碎石>5%水泥掺量膨胀剂水泥稳定碎石>5%水泥掺量普通水泥稳定碎石。综合对比所有试验结果，膨胀剂对提高混合料各方面性能有着最佳效果，建议实际施工中优先选用膨胀剂作为水泥稳定碎石材料外掺剂。