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水泥稳定碎石混合料路用性能的初步探索

作者：马 龙

来源：《现代企业文化·理论版》2008年第24期

摘要：水泥稳定碎石具有强度高、刚度大、整体性强、水稳定性和抗冻性好等特点，广泛用于我国高等级公路或二级公路基层。文章对此进行了探讨。 关键词：水泥稳定碎石；混合料；水稳定性 中图分类号：TD989 文献标识码：A 文章编号：1674-1145（2008）36-0068-02 一、概论

水泥稳定碎石具有强度高、刚度大、整体性强、水稳定性和抗冻性好等特点，广泛用于我国高等级公路或二级公路基层。一方面它自成板体，整体性好、承载力高、且早期强度高，并能随着时间的延长其强度也不断增长；另一方面施工速度快、配套设备操作方便、材料来源丰富。半刚性基层具有较高的强度和承载能力。半刚性基层材料具有较高的水稳性和抗冻性，在半刚性基层材料中，多数以水泥稳定碎石性能最为良好，成为很多地区高等级公路首选基层材料。

近年来施工现场水泥用量有增加趋势，造成基层强度过大，导致基层收缩开裂现象相当严重；铺筑面层后，在行车荷载和环境因素作用下，基层裂缝进一步反射到沥青面层上来形成反射裂缝，主要为水泥稳定碎石基层的温度收缩和干燥收缩变形引发所致。裂缝产生后，雨水由此大量进入沥青面层和基层乃至路基，从而导致路面的结构性破坏。

本文根据水泥稳定碎石集料宏观组成和混合料微观结构的特点，分析水泥稳定碎石混合料强度形成机理和收缩产生机理。分析了水泥剂量、养生条件、级配以及养生龄期对强度的影响；抗压强度与劈裂强度之间的相关关系。对不同混合料分析了曝露时间、失水率、级配和水泥剂量对干缩性能的影响，以及降温时间、温度、级配和水泥剂量对温缩性能的影响；达到优化设计，合理施工，提高路面使用性能的目的。 二、强度形成机理

水泥稳定碎石混合料强度的形成，主要从三个方面进行分析：第一，组成混合料中的粗、细集料排列形式及其相互作用，即混合料的宏观构造形式；第二，混合料中水泥组分水化过程

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中产生的物理、化学变化，生成各种晶体或非晶体胶结物及其分布形式；第三，前两者之间的相互作用结果。 三、宏观结构组成

根据组成材料中粗、细集料（粗、细集料以4.75mm 或2.36mm 筛孔尺寸为划分界限）的不同排列方式，可以将水泥稳定碎石混合料的宏观组成结构分为：悬浮密实、骨架密实和骨架孔隙三种结构。

1．悬浮密实。这种结构形式的水泥稳定碎石混合料，根据最大密实度理论进行设计，采用连续级配的形式。混合料中矿料集料粒径从大到小组合排列，粗骨料含量较少，而细集料较多，较大的颗粒为较小一档颗粒所隔开，粗集料之间无法形成骨架嵌挤结构，而犹如“悬浮”在细集料之中，同时这种结构形式能形成孔隙率小、密实度大的混合料，因此称为悬浮密实结构。由于粗集料之间无法很好地发挥骨架作用，混合料强度主要以集料与水泥的粘结作用为主、以集料颗粒之间的嵌挤力和内摩擦阻力为辅构成。我国基层施工规范级配采用“松排骨架，紧密填充”原则进行设计，是悬浮密实结构的典型代表。

2．骨架密实。骨架密实结构是在悬浮密实结构基础上优化的结果，采用嵌挤密实的原则来进行设计。这种结构中，粗集料含量增加，形成骨架嵌挤结构，细集料主要用来填充骨架结构中的孔隙。因种结构形式的水泥稳定碎石混合料较悬浮密实结构的混合料具有优异的性能。 3．骨架孔隙。这种结构水泥稳定碎石混合料采用连续开级配进行设计。相比于骨架密实结构，该结构粗骨料含量也较多，但细集料含量则过少，不足于填充粗骨料所形成的孔隙，在混合料内部存在大量的残余连通孔隙。混合料的强度更主要来自于粗集料之间的摩擦阻力作用，粘结力作用相对较弱。由于大量孔隙的存在，混合料具备良好的渗水性能，因此，这种结构形式的水泥稳定碎石混合料主要用于排水性基层。 四、微观结构分析

水泥稳定碎石混合料为水硬性材料，遇水后混合料内部发生一系列复杂的物理、化学变化，生成多种新的物质。在这些生成物中碱性的硅酸钙、铝酸钙是水泥稳定类材料中主要的胶结成分，它们在混合料中随时间的推移逐渐硬化，形成水泥石骨架结构。水泥石中存在各种孔隙，会造成水泥石的干缩和徐变。强度是水泥稳定碎石混合料最重要的路用性能参数。 五、水泥剂量对混合料强度的影响

1．对无侧限抗压强度的影响：水泥剂量是水泥稳定碎石混合料强度最重要的影响因素之一。水泥剂量越大，水化后产生的胶结物越多，粘结力也越大；强度随水泥剂量趋于线性增加。已有的研究资料表明级配良好的材料经水泥稳定后，其强度与剂量之间为线性关系，

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2．对劈裂强度的影响：劈裂强度随剂量的增加而增加，两者之间有较好的乘幂回归关系。

六、浸水与不浸水的差别

不浸水条件下的无侧限抗压强度等于或明显大于浸水条件下的强度。劈裂强度也是同样。 七、级配对强度的影响

1．对抗压强度的影响：级配可以看出，水泥剂量相同，随着粗料含量的增加，混合料抗压强度有所降低，中值级配抗压强度等于或明显大于粗级配，粗级配抗压强度等于或明显大于骨架级配，而中值级配抗压强度明显大于骨架级配。

2．对劈裂强度的影响：当水泥剂量为2.5％、3.0％时，不同龄期劈裂强度大小呈现波动性，总体上表现出偏粗级配强度大于偏细级配；而当水泥剂量为4.5％、5.0％时，劈裂强度大小则相反，偏细级配强度大于偏粗级配。说明当水泥剂量较低时，较粗级配相对较细级配更有利于抗拉强度的形成。 八、养生时间的影响

养生时间的影响养生时间是混合料抗压强度发展的重要影响因素。随着养生时间的增加，混合料中水泥水化程度不断深入，胶结物增多，粘结力和集料摩阻力增大。随着龄期的增加，混合料抗压强度不断增长，前期抗压强度增长较快，28天后增长缓慢，最后趋于稳定；不同级配混合料抗压强度随养生时间增长快慢有所差别；相同级配不同水泥剂量之间抗压强度增长曲线趋于平行，说明龄期对不同剂量抗压强度增长具有等效性。 九、失水率分析

混合料中的水以自由水、毛细孔水、吸附水、结合水以及层间水等形式分布于混合料内部。试件暴露于空气中，水分不断蒸发，含水量不前三天失水率占总量的60％以上，而后失水率慢慢减缓，直至趋于平稳状态。 十、干缩特性随曝露时间变化规律

干缩应变和干缩系数随失水率变化有以下规律规律:干缩应变或平均干缩系数都随失水率的增加而不断增大；即水泥稳定碎石基层在施工养生结束后，在短时间内并不会产生收缩裂缝，一旦曝露在空气中较长时间（特别是气温较高条件下），水分散失到一定程度，裂缝很快产生并发展，形成一定间距的横向干缩裂缝。因此，水泥稳定碎石基层施工完后，必须采取有效的措施进行养护，将失水率控制在一定范围之内，从而减少干缩裂缝的产生。 十一、水泥剂量与集料级配对干缩特性的影响