公路工程水泥穩定碎石基層抗裂性分析

李慧菊

寧夏路橋工程股份有限公司 寧夏 銀川 750004

1 水泥穩定碎石作用原理

水泥穩定碎石屬于水硬性材料（偏脆性），其以級配碎石為骨料，利用灰漿與膠凝材料填充骨料空隙，按嵌擠原理攤鋪壓實，主要以碎石間的嵌擠鎖結原理形成強度。該材料初期便可擁有較高強度，同時隨著齡期的增加很快結成板體，以此提升整體剛度。

水泥穩定碎石基層施工成型后，其內部會持續較長時間的物理、化學反應，并且隨著齡期的增長，強度與剛度會不斷增加。水泥穩定碎石對環境因素較為敏感，在溫度與濕度變化較大時，易使基層產生溫縮和干縮現象，此時在下臥層與其自身之間的磨阻作用下，會因收縮抑制而于基層內部產生拉應力，當該應力超過該階段水泥穩定碎石抗拉極限時，便會導致裂縫的產生[1]。

2 水泥穩定碎石裂縫產生機理及其危害

溫度裂縫與干縮裂縫為水泥穩定碎石基層裂縫的主要形式，其中溫度裂縫主要是由結構內部氣相、液相、固相在溫度變化下所產生的不同收縮而引起的綜合效應，一般而言，由于結構內部氣相大部分與大氣貫通，因此該影響表現較小，甚至可以忽略；對于固體礦物，其收縮性一般較小（但粉性礦物收縮性較大），而反應生成物中的膠結物對溫度較為敏感，收縮程度較大。干縮裂縫主要是材料內部因水分喪失而使體積變化所引起的收縮現象，溫度裂縫中的液相因素與其原理相同。由此可知：

（1）影響水泥穩定碎石混合料脹縮性能的主要因素為水，收縮系數因水的存在而增長明顯；

（2）混合料中各固相成分及其含量為固相收縮系數的決定性因素，在化學反應新生物結晶硬化的作用下，使半剛性材料收縮系數不斷增加，但是隨著混合料強度的增長，又會對水的作用形成一定的制約。

（3）水泥穩定碎石基層一旦出現裂縫，便會在裂縫處基層與面層之間形成一個薄弱點，運營過程中受溫度應力與荷載應力共同作用，瀝青面層底部便會于該點處形成應力集中區，此時當瀝青面層較薄時，則會導致其出現開裂現象，并且在大氣環境與行車荷載的反復作用下，該裂縫最終會發育至將瀝青面層貫穿（稱為反射裂縫）[2]。

3 水泥穩定碎石基層抗裂因素分析

3.1 結構類型

基于基層材料收縮機理的分析，原材料就礦物組成顆粒而言其脹冷縮性一般較小，而水泥漿液與新生膠結物（如二灰化學反應物）脹冷縮性則表現較大，一般情況下，由于細集料擁有較大的比表面積，新生膠結物大部分會裹覆于其表面，因此可認為細集料與新生膠結物（以下總稱為砂漿）為造成基層材料收縮主要因素。對于懸浮密實結構而言，由于混合料所含砂漿較多，因此脹縮性能表現較大，但是又因其為連續級配，故而施工質量相對易于控制；對于骨架空隙結構而言，雖然其脹縮性能因混合料砂漿含量較少而表現最小，但是由于細集料較少，要想達到同等強度，必然會使結交料增加，同時對碾壓工藝要求嚴格，綜合經濟性表現較差；對于骨架密實結構而言，由于混合料所含砂漿適量且結構密實，粗集料之間結合緊密，嵌擠作用發揮充分，因此力學性能與脹縮性能表現良好，但在施工過程中應注意防止混合料離析。

3.2 粗集料含量

對于水泥穩定碎石混合料而言，其強度主要來源于水泥砂漿黏結力與集料顆粒間摩阻力，二者間用量比例對混合料強度影響過程為：

（1）當集料用量較少時，混合料強度以水泥砂漿黏結力為主要表現，此時粗集料分散于砂漿中形成懸浮密實結構；

（2）在集料用量增加初級階段，粗集料顆粒間摩阻力逐漸增大，此時由于水泥砂漿含量基本未變，故而混合料強度呈上升趨勢。而當集料用量增加到一定程度時，水泥砂漿黏結力與粗集料顆粒間摩阻力均得到了充分發揮，混合料強度達到一個最大值，此時則形成骨架密實結構；

（3）在集料用量繼續增加情況下，此時粗集料顆?？障恫蛔阋员凰嗌皾{完全填充，骨架結構穩定性表現較差，混合料強度主要來源于骨架結構的嵌擠作用，形成骨架空隙結構，此時強度反而會降低。

對于不同性質的粗集料，由于在松散堆積狀態下其空隙率并不一致，因此最佳用量也并不相同。

3.3 膨脹劑

混合料摻加膨脹劑后，其抗裂機理主要表現為微膨脹作用（補償收縮）與致密性作用。

（1）微膨脹作用

水泥水化產物Ca(OH)2與膨脹劑反應生成的鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H20）礦物晶體為膨脹劑膨脹作用的主要來源，由于該晶體具有固相膨脹特征，因此可對混合料因水分蒸發所產生的體積收縮形成有效的補償效果。

對于水泥水化產物Ca(OH)2的來源，其主要是通過水泥中硅酸二鈣(C2S)與硅酸三鈣(C3S)與水反應所產生，如下式（1）與（2）所示：

而鈣礬石的形成則通過下式（3）由膨脹劑與Ca(OH)2反應生成：

在水泥組成成分中，由于C3S含量約占40%，且其水化反應較快，因此（2）式反應主要發生在水化初期，并且生成Ca(OH)2

較多，與膨脹劑反應生成鈣礬石速率較快，對混合料干縮補償能力較強，干縮系數明顯小于普通水泥穩定碎石；而C2S含量約占35%，但其水化反應較慢，故而（1）式反應主要發生在水化后期，并且生成Ca(OH)2較少，與膨脹劑反應生成鈣礬石速率較慢，對混合料干縮補償能力相對較弱，干縮系數減小緩慢。

（2）致密作用

膨脹劑與Ca(OH)2反應生成鈣礬石晶體，對材料內部毛細管道進行填充，以此增強材料致密性為膨脹劑致密作用的主要體現。由于毛細管數量減少、張力降低，從而使水泥穩定碎石因毛細管作用引起的干燥收縮減小。

4 結束語

綜上所述，對于水泥穩定碎石基層抗裂性能的提升，其過程需做好施工任務的標準化動態控制，以此提升基層路用性能。