消散型无裂缝水泥稳定碎石性能研究

王丽丽,殷金海,陈小兵,张 淼,仲光昇,宁云峰,张梦茹

（1.苏州三创路面工程有限公司,江苏 苏州 215124; 2.东南大学交通学院,江苏 南京 210096;3.苏州交投建设管理有限公司,江苏 苏州 215007）

0 引言

伴随着我国交通建设规模和水平的不断提升，以水泥稳定碎石为代表的半刚性基层技术也在不断发展和完善。然而，在水泥稳定碎石基层中，温度和湿度的作用容易引起裂缝并迅速扩散到整个基层，继而延伸到沥青路面产生反射裂缝，造成早期的道路损坏[1]，进而影响交通运行。因此，国内外学者从材料组成、设计优化、施工技术、反射裂缝治理等方面研究了提高水泥稳定碎石基层抗裂能力的措施[2-4]，但这些措施主要是延缓表面裂缝出现及控制裂缝宽度，后期裂缝发展情况仍不容乐观，水泥稳定碎石基层防裂问题仍没有得到充分解决。

该文结合水泥稳定碎石抗裂机理，研究出一种防止裂缝产生的消散型无裂缝水泥稳定碎石级配，从级配组成设计优化方面提高水泥稳定碎石的抗裂缝能力，并根据该级配和击实试验结果，采用静压法成型试件，再通过7 d 无侧限抗压强度验证该级配是否满足施工质量要求，最后根据90 d 劈裂强度，90 d 抗压回弹模量和30 d干缩系数试验，研究消散型无裂缝水泥稳定碎石的性能，为水泥稳定碎石基层的应用提供借鉴。

1 消散型无裂缝水泥稳定碎石抗裂机理研究

1.1 水泥稳定碎石抗裂机理

水泥稳定碎石抗裂机理的来源主要分为三个方面，大粒径颗粒的嵌挤作用，水泥水化产物的填充作用以及集料与水泥水化产物的相互作用。

1.1.1 大粒径颗粒的嵌挤作用

已有研究资料表明，级配碎石的粗颗粒粒径越大、含量越多，则其抗变形能力越强，CBR 值也越大。从嵌挤的方式看，材料组成设计方式有两大类，一是大粒径颗粒的嵌挤，二是多级嵌挤。多级嵌挤理论的基本思路是：最大一级粒径颗粒嵌挤形成空间骨架结构，其内部仍存在较大空隙，这时可采用次一级粒径颗粒来加以填充，其用量应小于颗粒间空隙，然后用更小粒径颗粒进一步填充二级颗粒间的空隙，最终形成多级嵌挤的状态。

1.1.2 水泥水化产物的填充作用

水泥在稳定碎石的过程中，其主要作用是通过其水化反应，生成具有黏结性的水化产物，这是水泥稳定材料强度的关键。这些水化产物相互交错并包裹颗粒，随着水化产物的增多，混合物也逐步变得坚硬。此外，水泥的水化产物与粗颗粒形成了一种立体网络结构，这种结构不仅确保了混合物的早期强度，还提高了混合物成型后的紧密度。随着水泥水化反应的持续进行，生成的水化物填补了水泥混合物内部的微小空隙，形成了均匀且紧密的整体。

1.1.3 集料与水泥水化产物的相互作用

粒径偏粗时，单位体积内集料的比表面积减小，水泥水化产物更多地聚合在一起，因此，水泥水化产物与较粗颗粒间的黏结作用较小。在水泥稳定碎石因温度、湿度条件变化产生收缩时，也必然将从大粒径颗粒与水泥水化产物的界面上产生初始裂纹。当大粒径粗颗粒数量较多时，有可能将收缩变形在这些裂纹处分散吸收，同时松弛应力。

1.2 消散型无裂缝水泥稳定碎石抗裂机理

结合水泥稳定碎石抗裂机理，消散型无裂缝水泥稳定碎石采用间断级配，粗集料碎石占比较大并且将细料作为胶结料，既兼顾半刚性基层强度的优点，又近似于级配碎石的柔性材料。同时，由于粗集料颗粒的大量存在，消散型无裂缝水泥稳定碎石的板体性减弱，为粗颗粒与水泥水化产物间的开裂提供了条件，从而使得其可以获得类似级配碎石的材料结构状态。在其施工成型之后处于一种“裂而不碎”的状态，内部会产生多而密的细裂纹，在温缩和干缩等收缩开裂时，其微小的收缩变形被消散到各处的细裂纹中，松弛应力，从而避免出现长而宽的裂缝，这就是消散型无裂缝水泥稳定碎石材料避免反射裂缝的关键原因。

2 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

2.1.1 水泥

试验中采用42.5 级普通硅酸盐水泥，其检测结果见表1。

表1 水泥试验结果

2.1.2 石灰岩

试验中所采用的石灰岩来自苏州三创路面工程有限公司，分为石灰岩1#、2#、3#、4#料四档，其天然级配见表2。

表2 集料筛分结果

2.1.3 设计级配

结合规范中推荐的间断级配以及水泥稳定碎石抗裂机理，通过级配合成确定每一档石料的具体掺量，最终消散型无裂缝水泥稳定碎石级配见表3。

表3 集料级配

2.2 试验方法

2.2.1 击实试验

击实试验参照JTGE51—2009 中T 0804—1994[5]进行，水泥用量为石灰岩用量的4.5%。击实试验预定5 个含水量并测得各含水量下的混合料干密度，绘制含水量—干密度曲线，取两个平行试验的平均值作为试验的最终结果，如图1 所示。

图1 击实曲线

2.2.2 无侧限抗压强度试验

根据击实试验的结果，按照规范JTG E51—2009 中T 0805—1994 方法进行7 d 无侧限抗压强度试验。该研究消散型无裂缝水泥稳定材料7 d 无侧限抗压强度设计要求不小于4 MPa，变异系数小于15%[6]，如表4 所示。

表4 7 d 无侧限抗压强度试验结果

2.2.3 劈裂强度试验

根据击实试验的结果，按照规范JTG E51—2009 中T 0806—1994 方法进行90 d 劈裂强度试验。该研究消散型无裂缝水泥稳定材料90 d 劈裂强度设计要求不小于0.55 MPa，变异系数小于15%[7]，如表5 所示。

表5 90 d 劈裂强度试验结果

2.2.4 抗压回弹模量试验

基于击实试验以及无侧限抗压强度试验的结果，根据规范JTG E51—2009 中T0808—1994 进行抗压回弹模量试验。该研究消散型无裂缝水泥稳定材料90 d 抗压回弹模量设计要求介于1 300～1 600 MPa，变异系数小于15%，如表6 所示。

表6 90 d 室内抗压回弹模量试验结果

2.2.5 干缩系数试验

由于设备和模具的限制，采用成型直径和高度均为150 mm 的圆柱形试件来替代梁形试件测试干缩形变，再按照规范JTG E51—2009 中T 0854—2009 方法进行干缩系数试验，6 个试件为一组，编号为ε1、ε2、ε3的试件用来测定材料的收缩变形，编号为ω1、ω2、ω3的试件用于测量材料的总失水率，如图2～4 所示。

图2 总失水率与龄期关系图

3 消散型无裂缝水泥稳定碎石性能研究

3.1 击实试验结果

根据图1 击实曲线可知，混合料最佳含水率为5.0%，最大干密度2.45 g/cm3。

3.2 无侧限抗压强度试验结果

根据表4 所示结果，消散型无裂缝水泥稳定碎石7 d 无侧限抗压强度试验结果为4.23 MPa，变异系数10.8%，满足7 d 无侧限抗压强度大于4 MPa 的设计要求以及变异系数小于15%的规范要求。

3.3 劈裂强度试验结果

根据表5 所示数据，消散型无裂缝水泥稳定碎石90 d 劈裂强度为1.04 MPa，变异系数为12.18%，满足90 d 劈裂强度大于0.55 MPa 的设计要求以及变异系数小于15%的规范要求。

3.4 抗压回弹模量试验结果

根据表6 所示数据，消散型无裂缝水泥稳定碎石90 d 抗压回弹模量为1 341 MPa，变异系数为12.91%，满足90 d 抗压回弹模量介于1 300～1 600 MPa 的设计要求以及变异系数小于15%的规范要求。

3.5 干缩系数试验结果

根据干缩系数试验结果，绘制总失水率、总干缩应变与龄期关系图，如图2～3 所示。

由图2 和图3 可以得出总干缩应变与总失水率呈正相关的关系，根据数据绘制总干缩系数与龄期关系图，如图4 所示。

图3 总干缩应变与龄期关系图

图4 总干缩系数与龄期关系图

4%水泥剂量的一般规范级配水泥稳定碎石30 d，干缩系数一般在120 以上[8]，采用更大的水泥剂量，则会产生更大的干缩形变，干缩系数也会更大，如5%水泥剂量的骨架密实型水泥稳定碎石的30 d 总干缩系数会在140 以上，由图4 可知，水泥剂量为4.5%的消散型无裂缝水泥稳定碎石30 d 龄期的干缩系数平均值为115（小于120），说明论文研究的消散型无裂缝水泥稳定碎石拥有更好的干缩性能，较普通水泥稳定碎石而言，能在施工、养生的过程中产生较少的干缩裂缝。

4 结语

论文通过试验得到以下结论：

（1）消散型无裂缝水泥稳定碎石最佳含水率为5.0%，最大干密度2.45 g/cm3。

（2）通过力学性能试验，消散型无裂缝水泥稳定碎石7 d 抗压强度达到了4.23 MPa，90 d 劈裂强度达到了1.04 MPa，90 d 抗压回弹模量为1 341 MPa，满足设计要求，可作为结构设计时的指标选择依据。

（3）30 d 的干缩试验结果表明，消散型无裂缝水泥稳定碎石较同水泥剂量的普通骨架密实型水泥稳定碎石在30 d 之内拥有更小的干缩系数。

（4）通过试验，消散型无裂缝水泥稳定碎石在满足基本的力学性能前提下，可以表现出更好的干缩性能，干缩量更小，同时因其可以将微小的收缩变形消散到各处的细裂纹中，松弛应力，更不易表现出宏观裂缝。