水泥稳定碎石混合料缩裂影响因素的试验研究

胡青

摘 要：针对干燥收缩和温度收缩引起的半刚性基层路面病害，选取水泥稳定碎石混合料作为半刚性基层材料进行试验研究。在调整水泥掺量与不同级配组合的情况下，通过温度收缩试验和干燥收缩试验考察不同水泥掺量和不同结构对水泥稳定碎石混合料缩裂性能的影响。结果表明：选取水泥掺量低于4.5%，同时采用骨架型结构的混合料时，水泥稳定碎石混合料能有效地改善基层的抗缩裂性能。

关键词：水泥稳定碎石；干燥收缩；温度收缩；最佳掺量

中图分类号：U414.03 文献标志码：B

文章编号：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

水泥稳定碎石混合料作为半刚性基层材料的一种常用形式，在中国高速公路建设中扮演着重要的角色。但由于半刚性基层自身的特点，温缩和干缩引起的病害常在半刚性沥青路面开放交通的初期频繁出现。由于国外半刚性基层应用范围小，因此对基层产生缩裂的影响因素研究也比较少[1-5]。

本文选取了3种不同级配的集料与水泥胶结料分别组成骨架密实型、骨架空隙型和悬浮密实型的水泥稳定碎石混合料，探讨不同水泥掺量和不同结构类型对水泥稳定碎石混合料基层的干缩性能和温缩性能的影响。

1 原材料

1.1 水泥

本试验采用陕西耀县42.5#普通硅酸盐水泥，水泥各项技术性能按照《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）进行了试验[6]，其技术指标见表1。

1.2 集料

集料采用西北地区较多的石灰岩石料，其基本性能指标满足路用性能要求。在总结中国路面基层水泥稳定碎石混合料集料级配的组成设计及工程应用经验的基础上，考虑水泥稳定碎石混合料的缩裂变形特性，通过控制粗细集料关键筛孔的通过率，采用级配1、级配2、级配3三种典型的集料级配进行组合试验，组成的结构分别为骨架密实型、骨架空隙型、悬浮密实型水泥稳定碎石混合料，最终确定出集料的级配组成见表2。

2 干缩性能

水泥稳定碎石混合料在拌和、摊铺、碾压成基层后，会发生毛细管张力、吸附水分子间力、矿物凝胶、碳化脱水等一系列作用而失水产生体积收缩[7]。

水泥稳定碎石混合料在级配1、级配2、级配3的基础上，按照不同结构都采用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%五种不同水泥掺量的方法进行干缩试验，计算平均干缩系数，近而评价其干燥缩裂的影响因素及影响程度。

2.1 干缩试验方法

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）的要求[8]，测得混合料的最佳含水量，制作试件。将混合料分层装入10 cm×10 cm×40 cm的试模中，捣实后在压力机上采用300 kN的成型压力将试模的上压块压入试模内，静压5 min后卸载，脱模，平行试件数量为3个。成型好的试件在（20 ℃±2 ℃）、90%湿度的养生条件下进行养护，养生龄期分别为7 d。之后放入40 ℃试验箱中2 h后测量含水量和干缩应变，温度保持在40 ℃，每4 h称量一次试样并记录试验数据。平均干缩系数为

2.2 干缩试验结果与分析

选取结合材料时，在不同级配状况下，采集水泥稳定碎石混合料干缩试验的数据并进行分析。水泥稳定碎石混合料的干缩系数随失水率和时间变化的试验结果见图1～2，3种不同级配的水泥稳定碎石混合料平均干缩系数随水泥掺量的变化趋势见图3。

结合图1～3可得出以下结论。

（1）水泥掺量是影响混合料干缩变形的重要因素之一。3种不同结构的混合料收缩规律基本一致，随着水泥掺量的增加，混合料的干缩系数越来越大，由于水泥自身的收缩特性使混合料干燥收缩的程度加剧，为了保证水泥稳定碎石混合料的干缩特性，尽可能降低水泥掺量。

当水泥掺量由3.5%增大到4%、4.5%、5%、5.5%时，级配1组成的骨架密实型混合料平均干缩系数分别增大13.99%、21.91%、24%、33.11%；级配2组成的骨架空隙型混合料的平均干缩系数分别增大21.55%、27.59%、38.33%、46.35%；级配3组成的悬浮密实型混合料的平均干缩系数分别增大16.69%、17.25%、17.94%、35.99%。可以看出骨架空隙型混合料的干缩变形受水泥掺量变化的影响最大，悬浮密实型次之，骨架密实型混合料的干缩变形受水泥掺量变化的影响最小。

（2）由图1可知失水率在1.2%～2.3%时，水泥稳定碎石混合料干缩系数出现最大值，失水率大于2.3%时干缩系数虽有波动但其数值不大。图2中时间在24～40 h内水泥稳定碎石混合料干燥系数存在最大值，说明干燥收缩受环境的影响主要发生在混合料成型的初期，后期的变化趋于平缓。分析原因主要是由于干缩初期，水分的蒸发造成毛细管张力增大，从而收缩较大。

（3）混合料结构类型也是影响干燥收缩的另一个重要因素，由图3可知骨架型混合料的平均干缩系数远小于密实型混合料。当水泥掺量超过3.8%时，抗干缩变形能力如下：级配1最强，级配2次之，级配3最弱，此时选取骨架密实型混合料能有效改善水泥稳定碎石基层的抗干缩能力；当水泥掺量小于3.8%时，抗干缩变形能力为级配2最大，级配1次之，级配3最差，此时选取骨架空隙型混合料能有效改善水泥稳定碎石混合料的抗干燥收缩能力。

3 温缩性能

水泥稳定碎石混合料基层的温缩主要发生在面层铺筑后。水泥稳定碎石混合料是一种三相材料，三相组成在温度降低过程中相互作用，产生体积收缩，使半刚性基层材料产生温缩变形。

水泥稳定碎石混合料在级配1～3的基础上，按照不同结构类型都采用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%五种不同水泥掺量进行温缩试验，计算平均温缩系数，近而评价其缩裂的影响因素及影响程度。

3.1 温缩试验方法

按照规程（JTG E51—2009）中的方法进行水泥稳定碎石混合料的温缩试验操作。在最大干密度和最佳含水量的条件下通过静压法成型10 cm×10 cm×40 cm的试件，平行试件的数量为3个，试件在（20 ℃±2 ℃）、90%湿度的条件下进行养生。考虑水泥稳定碎石混合料的降温收缩主要发生在低温阶段，故温缩试验的温度区间设为-30 ℃～30 ℃，每5 ℃为一个温度区间，每个温度区间恒温6 h，对试件的温缩应变进行观测与计算，该温度区间内的平均温缩系数为

3.2 温缩试验结果与分析

结合材料，选取在3种不同级配状况下，采集在温缩试验中混合料随水泥掺量变化产生的数据并进行分析。水泥稳定碎石混合料的温缩系数随温度范围变化的试验结果见图4，3种不同级配的水泥稳定碎石混合料平均温缩系数变化趋势见图5。

结合图4、5可以得到以下结论。

（1）水泥掺量是影响混合料干缩变形的重要因素之一。3种结构混合料的收缩规律基本一致，当水泥掺量由3.5%增大到4%、4.5%、5%、5.5%时，级配1组成的骨架密实型混合料平均温缩系数分别增大3.2%、6.7%、11.6%、15.68%；级配2组成的骨架空隙型混合料的平均温缩系数分别增大6.47%、12.48%、19.61%、22.57%；级配3组成的悬浮密实型混合料的平均温缩系数分别增大3.94%、8.57%、15.05%、18.98%。可以看出骨架空隙型混合料的温缩变形受水泥掺量的变化影响最大，悬浮密实型次之，骨架密实型混合料的温缩变形受水泥掺量的变化影响最小，此温缩变化规律与干缩变化一致。

（2）图4中3种级配组成的水泥稳定碎石混合料的温缩系数随着温度的降低都呈现出线性增长趋势，其原因主要是水泥稳定碎石混合料本身感温性能好，温度降低造成水泥稳定碎石材料的收缩效应显著，温缩系数随之呈上升的趋势。在-10 ℃～5 ℃温度内，温度处于冰点附近，混合料中的水出现反常膨胀，所产生的扩张压力消失，颗粒之间的空隙减小，混合料变得更加密实，故此区间内温缩系数趋于平缓。

（3）由图4可知，3种结构类型的水泥稳定碎石混合料平均温缩系数都随着水泥掺量的增加而增大。水泥掺量变化对温度收缩变形有显著影响，降低水泥掺量有助于减少混合料的温度收缩。3种结构类型的混合料在水泥掺量小于4.5%时平均温缩系数增长速度缓慢，当水泥掺量大于4.5%时，平均温缩系数增长幅度增快，考虑基层混合料抵抗温度收缩变形的能力，尽量选用低剂量的水泥掺量，水泥的最佳掺量小于4.5%。

（4）影响水泥稳定碎石混合料温度收缩的另一关键因素是结构类型，由图5可以发现，骨架密实型混合料的平均温缩系数远小于悬浮密实型混合料。在水泥掺量低于4%时，3种结构类型混合料中抗温缩变形能力骨架空隙型最强，骨架密实型次之，悬浮密实型最差。在水泥掺量高于4%时，3种结构类型混合料中抗温缩变形能力骨架密实型最强，骨架空隙型次之，悬浮密实型最差。骨架型级配的温缩性能较优，主要是由于其中的大粒径碎石能吸收在降温过程中产生的应力，减少混合料的变形，选择骨架型混合料可以提高水泥稳定碎石基层的抗温缩性能。

4 结 语

（1）水泥稳定碎石混合料的干缩系数随着失水率和水泥掺量的增加而增大，骨架密实型混合料的干缩特性受水泥掺量的变化影响较小，骨架空隙型混合料次之，悬浮密实型混合料干缩特性受水泥掺量的变化影响最大。从混合料抗干燥收缩的角度出发，尽量降低水泥掺量，当水泥掺量超过3.8%时骨架密实型混合料抗干缩性较好，水泥掺量低于3.8%，骨架空隙型混合料抗干缩性较好。

（2）水泥稳定碎石混合料的温缩系数随着温度的降低而增大，随着水泥掺量的增加而增大，从抗温缩性能考虑，应选择较低的水泥掺量，当水泥掺量小于4.5%时混合料的平均温缩系数增长幅度放缓，可考虑最佳水泥掺量小于4.5%。在水泥掺量超过4%时，3种结构类型混合料中抗温缩变形能力骨架密实型最强，骨架空隙型次之，悬浮密实型最差。在水泥掺量低于4%时，3种结构类型混合料中抗温缩变形能力骨架空隙型最强，骨架密实型次之，悬浮密实型最差，选择骨架型结构有利于提高混合料抗温缩的能力，这是由于在水泥稳定碎石混合料内部，大粒径碎石能吸收降温过程中产生的应力，粗集料含量对混合料的收缩起着重要的作用。

（3）考虑温缩和干缩的共同作用，选择低水泥掺量，骨架型结构组成的混合料的抗缩裂性能最优，考虑半刚性基层工程实际使用，也可以在水泥稳定碎石混合料中加入适量的粉煤灰，或者延长养护时间来提高其基层抗缩裂性能。

参考文献：

[1] 熊向辉.高速公路沥青路面半刚性基层研究[D].西安：长安大学，2007.

[2] 于保阳，王 宇，张丽萍.低剂量水泥稳定碎石混合料收缩性能试验[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2016，35（3）：283-288.

[3] 沙爱民，贾 侃，李小刚.半刚性基层材料的疲劳特性[J].交通运输工程学报，2009，9（3）：29-33.

[4] 曹海利.基于耐久性的半刚性基层与垫层研究[D].西安：长安大学，2007.

[5] 汪水银.半刚性基层与沥青面层粘结性能影响因素[J].交通运输工程学报，2010，10（2）：12-19.

[6] GB 175—2007，通用硅酸盐水泥[S].

[7] 徐鸥明，王有贵，陈俊宇，等.掺粉煤灰水泥稳定碎石收缩特性研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2014，33（4）：72-75.

[8] JTG E51—2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[责任编辑：杜卫华]