不同類型水泥穩定碎石混合料路用性能研究

羅 祺，黃顯鑄

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西北部灣投資集團有限公司沿海高速公路分公司，廣西 欽州 53500)

0 引言

現階段，我國高速公路路面半剛性基層大多采用水泥穩定碎石材料鋪筑而成。水泥穩定碎石基層在廣泛的使用中表現出巨大的優越性，但其也存在如易產生收縮裂縫、耐久性不足等較多的缺點[1-4]，因此，有必要對水泥穩定碎石材料做進一步的研究。

目前，已有較多學者針對水泥穩定碎石基層存在的不足進行了研究，楊春玲等通過研究不同級配類型、不同水泥摻量的水泥穩定碎石混合料的疲勞性能，指出骨架密實型的水泥穩定碎石混合料抗疲勞性最佳，并且水泥含量越高抗疲勞性越強[5]。應榮華等依托實際工程，對比了傳統缸拌水泥穩定碎石與振動缸拌水泥穩定碎石7 d抗壓強度，認為振動攪拌技術對提升混合料路用性能具有較大優勢[6]。暴英波通過對比玄武巖纖維水泥穩定碎石與普通水泥穩定碎石抗壓強度、劈裂強度，指出玄武巖纖維能顯著提升水泥穩定碎石的力學性能[7]。房英鋒通過對聚酯纖維水泥穩定碎石進行一系列路用性能試驗，指出聚酯纖維摻量在0.6‰～0.8‰時對混合料路用性能提升最佳[8]。應榮華等還通過相關試驗研究指出，膨脹劑能明顯改善混合料的干縮性能、溫縮性能以及水穩定性能[9]。付春梅等對比了兩種不同纖維水泥穩定碎石抗裂性能，發現聚酯纖維能更好地改善混合料抗裂性能[10]。綜上所述，在水泥穩定碎石混合料中加入纖維、膨脹劑，或者提高水泥摻量可以改善其路用性能。但大多數學者的研究集中于纖維、膨脹劑等單一添加劑對水泥穩定碎石混合料性能的影響，而不同外摻劑對水泥穩定碎石混合料路用性能的影響對比則較少。

基于以上原因，本文設計了四種不同類型的水泥穩定碎石混合料：5%水泥摻量普通水泥穩定碎石、5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩定碎石、5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石、8%水泥摻量水泥穩定碎石。分別對其進行無側限抗壓強度試驗及干縮性能、溫縮、疲勞試驗，研究不同水泥穩定碎石混合料路用性能，從而為實際應用提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1)水泥：采用湖南某公司生產的P.C32.5型號水泥，其主要技術如表1所示。高水泥含量水泥穩定碎石中的水泥摻量為8%，其他三種水泥穩定碎石水泥摻量均為5%。

(2)集料：集料采用石灰巖碎石，其各項技術指標符合要求。

(3)玄武巖纖維：本研究中選用的玄武巖纖維由山東青島某纖維公司生產，束狀長度為12 mm。

(4)膨脹劑：選用的膨脹劑為UEA膨脹劑。膨脹劑摻量按所使用的水泥質量的5%計。

表1 水泥主要技術指標試驗結果表

(5)根據本文依托工程所用的級配范圍，確定其級配范圍見表2。四種不同水泥穩定碎石混合料的級配組成都按照表2來進行。

表2 級配組成表

1.2 試驗方案

根據規范[11]相關要求，振動壓實成型相應的圓柱體試件和梁型試件，每組試驗成型3個試件，試件制作好之后放置3 h脫模，然后稱量質量、測量高度，并移至標準養生室養生至規定齡期。之后取試件分別進行干縮試驗、溫縮試驗，并利用MTS萬能試驗機進行無側限抗壓強度試驗、四點彎曲疲勞試驗。溫縮試驗控制降溫速率為0.5 ℃/min，保溫時間為3 h，溫度區間分別為30 ℃～40 ℃、20 ℃～30 ℃、10 ℃～20 ℃、0 ℃～10 ℃、-10 ℃～0 ℃五個區間。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度

5%水泥摻量普通水泥穩定碎石、5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩定碎石、5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石、8%水泥摻量水泥穩定碎石分別記為類型1、類型2、類型3、類型4。四種類型混合料的無側限抗壓強度試驗結果如圖1所示。

由圖1可以看出：7 d齡期時的類型2無側限抗壓強度相比于類型1有所減小，但減小程度不大；28 d、60 d齡期時類型2相比于類型1又分別有一定程度提高，且提高幅度也較小。這表明玄武巖纖維會降低水泥穩定碎石的前期強度，但隨著齡期的增長，其后期強度會略有提高。這是由于水泥穩定碎石試件在成型初期時玄武巖纖維與水泥穩定碎石混合料之間的作用力減弱，隨著齡期增長，水泥穩定碎石混合料與纖維之間的粘結作用不斷得到增強，使纖維與混合料成為整體，充分發揮其粘結作用。從28 d、60 d的結果來看，摻加玄武巖纖維、膨脹劑和提高水泥摻量均能增強水泥穩定碎石混合料的抗壓強度，其中高水泥摻量提升效果最為明顯。

圖1 無側限抗壓強度試驗結果對比柱狀圖

2.2 干縮性能

通常采用干縮系數來衡量材料干縮性能，干縮系數越大，材料抗干縮性就越差，干縮系數越小，其抗干縮性能就越好。干縮系數的計算公式為：

(1)

式中：αd——水泥穩定碎石混合料的干縮系數(με/%)；

εi——試件的干縮應變(με)；

wi——試件的失水率(%)。

干縮試驗結果如圖2所示。

從圖2可以看出：四種類型的水泥穩定碎石混合料的干縮系數在一開始增長迅速，后期緩慢增長，最后趨于一個穩定值。5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石干縮系數增速大約在第8 d左右開始變得平緩，5%水泥摻量玄武巖水泥穩定碎石以及5%水泥摻量普通水泥穩定碎石干縮系數增速大約在第6 d左右開始變得平緩，8%水泥摻量的水泥穩定碎石干縮系數增速大約在第5 d左右開始變得平緩；8%水泥摻量的水泥穩定碎石平均干縮系數較5%水泥摻量普通水泥穩定碎石增長7.1%，表明水泥摻量越大，混合料抗干縮性越差；玄武巖纖維水泥穩定碎石混合料干縮系數低于普通水泥穩定碎石，這表明玄武巖纖維能夠較好地抑制水泥穩定碎石的干燥收縮，其原因可能為纖維絲在混合料內部的均勻分散，使得纖維絲與膠凝材料之間產生較強的連接力和機械嚙合力，約束了混合料的干縮變形；摻膨脹劑水泥穩定碎石混合料干縮系數最小，表明膨脹劑能顯著提升水泥穩定碎石的抗干縮性能。四種混合料干縮性能優劣依次為：5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩定碎石>8%水泥摻量水泥穩定碎石。

圖2 不同時間下的水泥穩定碎石混合料干縮系數曲線圖

2.3 溫縮性能

如下頁圖3所示：在>0 ℃時，隨著溫度的降低，所有類型的水泥穩定碎石混合料的溫縮系數均減小，在<0 ℃時，其溫縮系數均隨溫度降低而增大；四種水泥穩定碎石混合料相同溫度區間下溫縮系數大小順序為：8%水泥摻量水泥穩定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩定碎石>5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石；與類型1相比，類型2和類型3的溫縮系數平均值分別降低了6.2%、11.3%，而類型4的溫縮系數平均值增加了5.2%，表明玄武巖纖維、膨脹劑均能提高水泥穩定碎石混合料抵抗溫度收縮的性能，而水泥用量越多，其抵抗溫度收縮的性能則會變差。

圖3 不同溫度區間的水泥穩定碎石混合料溫縮系數 對比柱狀圖

2.4 抗疲勞性能

四種不同類型的水泥穩定碎石混合料疲勞試驗的結果如表3所示。如圖4所示為應力水平與疲勞壽命對數的擬合結果。

表3 不同類型水泥穩定碎石混合料疲勞試驗結果表

圖4 疲勞試驗擬合結果示意圖

從表3可以看出：隨著應力強度比的增大，四種水泥穩定碎石混合料的疲勞壽命依次降低。從圖4的擬合結果來看：曲線的斜率決定了材料的力學敏感性，即曲線越陡，斜率的絕對值越大，應力強度比的變化對疲勞壽命的影響則越大；疲勞方程曲線的截距值越大，代表疲勞曲線位置越高，材料的抗疲勞性能越好；類型1的截距值最小，斜率絕對值最大，說明其抗疲勞性能較差。四種混合料疲勞壽命大小排序為：類型4>類型2>類型3>類型1。

3 結語

本文通過對四種不同類型水泥穩定碎石混合料進行無側限抗壓試驗、干縮試驗、溫縮試驗、抗疲勞性能試驗，綜合對比試驗結果，得出的主要結論如下：

(1)玄武巖纖維水泥穩定碎石前期的抗壓強度會略微降低，但隨著齡期的增長，后期強度會高于普通水泥穩定碎石。四種類型水泥穩定碎石混合料60 d抗壓強度大小順序為：8%水泥摻量水泥穩定碎石>5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩定碎石。

(2)膨脹劑和玄武巖纖維均能有效減少水泥穩定碎石的干縮系數與溫縮系數，其中膨脹劑提高混合料干縮性能、溫縮性能的程度最大。水泥摻量則與混合料干縮性能、溫縮性能成反比，即水泥摻量越高，混合料干縮性能、溫縮性能越差。

(3)相同應力強度比情況下，四種混合料疲勞壽命大小依次為，8%水泥摻量水泥穩定碎石>5%水泥摻量玄武巖纖維水泥穩定碎石>5%水泥摻量膨脹劑水泥穩定碎石>5%水泥摻量普通水泥穩定碎石。綜合對比所有試驗結果，膨脹劑對提高混合料各方面性能有著最佳效果，建議實際施工中優先選用膨脹劑作為水泥穩定碎石材料外摻劑。