不同措施對水泥穩定碎石混合料性能的影響

田小革,于 水,李光耀,閔雪峰,任 全,楊 帆

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院，長沙 410114;2.河北省高速公路京雄籌建處，保定 071700)

0 引 言

水泥穩定碎石混合料具有強度高、板體性好、承載能力高且抗變形能力強等特點，比較適合我國重載交通狀況，并且原材料來源廣泛，所以我國絕大多數高等級公路的基層都采用水泥穩定碎石混合料[1]。但是這種基層易于產生溫縮、干縮裂縫，從而導致瀝青面層產生反射裂縫[1-3]，且存在水穩定性差、耐久性不足等缺點[4]，許多道路在大中修時原基層已處于破碎、松散狀態。

對于水泥穩定碎石混合料存在的易產生收縮裂縫以及耐久性不足等缺點，國內外學者提出了改善其性能的若干技術措施。吳啟一等[5]研究了玄武巖纖維對水泥穩定碎石混合料力學性能的影響，發現當玄武巖纖維摻量為碎石質量的0.1%時，水泥穩定碎石混合料各項力學性能增強效果最優。李明杰等[6]對比研究了骨架密實型、懸浮密實型和骨架空隙型水泥穩定碎石混合料的干縮性能、抗凍性能，發現采用骨架密實結構能顯著減小水泥穩定碎石混合料的收縮量。雷蕾等[7]研究了粉煤灰外摻劑對水泥穩定碎石混合料性能的影響，發現粉煤灰可以顯著提升水泥穩定碎石混合料的抗壓強度和疲勞壽命。趙利軍等[8]、薛少青[9]對水泥穩定碎石混合料開展采用振動拌和與普通強制拌和的對比試驗，發現振動拌和可提高水泥穩定碎石混合料強度20%左右。楊明[10]、程培峰等[11]將四種不同體積摻量的玄武巖纖維加入到水泥穩定碎石混合料中，發現加入玄武巖纖維后，水泥穩定碎石混合料的抗裂性能得到有效提升。李淑[12]的試驗表明在水泥穩定碎石混合料中加入一定量的玄武巖纖維能提高強度，增強抵抗收縮的能力。暴英波[13]研究了不同齡期的玄武巖纖維水泥穩定碎石混合料的收縮、抗凍和疲勞等耐久性，發現摻入玄武巖纖維后，水泥穩定碎石混合料的28 d齡期抗凍系數以及90 d齡期的疲勞壽命明顯提高。馬士賓等[14]、李歡[15]、應榮華等[16]、Li等[17]研究了不同含量的膨脹劑對水泥穩定碎石混合料抗裂能力的影響，結果表明摻加膨脹劑會使水泥穩定碎石混合料體積產生微膨脹，抵消部分收縮，降低早期干縮裂縫的數量，提高抗裂性能。張顯安等[18]對比分析了振動攪拌與傳統靜力攪拌工藝對水泥穩定碎石混合料力學性能的影響，發現振動攪拌工藝可顯著提高水泥穩定碎石混合料的力學性能。陸青清[19]研究了脫硫石膏對水泥穩定碎石混合料的減縮與增強行為機制，發現隨著脫硫石膏摻量的增加，水泥穩定碎石混合料的干縮應變逐漸降低。Carret等[20]研究了預裂對水泥穩定碎石混合料后期強度和模量的影響，結果表明養生初期的預裂可以提高水泥穩定碎石混合料的早期強度。可以看出，國內外研究人員對多種改善水泥穩定碎石混合料性能的技術措施的使用效果進行了研究，但是這些研究僅分析了單一措施對水泥穩定碎石混合料性能的影響。由于原材料和試驗條件不同，不同技術措施的實施效果缺乏可比性，且不同措施對水泥穩定碎石混合料各項性能的影響程度尚未明確。因此，本文采用相同的原材料和試驗條件，通過對比研究采用振動拌和方式、增加水泥用量、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑四種不同技術手段對水泥穩定碎石混合料多項性能的影響差異，并基于多因素方差分析評價了不同技術措施的影響程度，可為工程實踐提供參考。

1 原材料

1.1 水 泥

水泥采用坪塘水泥有限公司生產的P·C 32.5水泥，其性能見表1，滿足技術[21]要求。

表1 水泥技術指標Table 1 Technical indexes of cement

1.2 集 料

集料采用寶隆科技發展有限公司提供的石灰巖，各項指標均滿足規范[22]要求。

1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維選用臣啟化工科技有限公司生產的長度為12 mm的束狀水泥混凝土專用短切玄武巖纖維，其技術指標見表2。

表2 玄武巖纖維技術指標Table 2 Technical indexes of basalt fiber

1.4 膨脹劑

選用U型膨脹劑(U-type expansive agent, UEA)，其成分為硫鋁酸鈣熟料或硫酸鋁熟料，與水泥漿體中的氫氧化鈣作用生成鈣礬石膨脹組分，產生適量膨脹,物理性能指標見表3。

表3 UEA的物理性能Table 3 Physical properties of UEA

2 采用不同技術措施的水泥穩定碎石混合料設計

2.1 配合比

室內試驗采用水泥質量分數為5%的水泥穩定碎石混合料，基準級配范圍見表4，與實際工程一致。

表4 水泥穩定碎石混合料級配Table 4 Gradation of cement stabilized macadam mixture

四種不同技術措施的水泥穩定碎石混合料均以此級配為基礎，通過簡單的調整而制備,具體為：玄武巖纖維加入量為水泥穩定碎石混合料體積摻量的0.05%；膨脹劑加入量為水泥質量的0.5%；提高水泥用量的水泥穩定碎石混合料中水泥的質量分數分別為8%和10%；振動拌和水泥穩定碎石混合料采用DT60ZBW型雙臥軸振動攪拌機進行拌和，其余水泥穩定碎石混合料均采用常規強制式雙臥軸攪拌機進行拌和。

2.2 最佳含水率

對于設計的不同類型水泥穩定碎石混合料，含水率均初步擬定為3%、4%、5%、6%、7%(質量分數，下同)，根據擊實試驗結果，繪制含水率-干密度關系曲線，確定各類級配水泥穩定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度[22]，見表5。為方便作圖，將普通水泥穩定碎石混合料、振動拌和水泥穩定碎石混合料、摻玄武巖纖維水泥穩定碎石混合料、摻膨脹劑水泥穩定碎石混合料、高水泥用量(8%)水泥穩定碎石混合料、高水泥用量(10%)水泥穩定碎石混合料分別記作PT、ZD、XW、PZ、G1、G2。

表5 各類型混合料的最大干密度和最佳含水率Table 5 Maximum dry density and optimal moisture content of each type of mixture

2.3 試件成型與養生

分別按照設計所需的材料用量成型φ150 mm×H150 mm的圓柱體試件和100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，脫模之后，在規范要求環境下進行養生。

3 不同技術措施下水泥穩定碎石混合料性能對比

3.1 抗壓回彈模量

在養生室養生至不同齡期(7 d、28 d、60 d)的前一天取出試件樣品，飽水1 d后，依照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[23]中T 0808—1994試驗方法進行抗壓回彈模量測試。各類型水泥穩定碎石混合料在不同齡期時的抗壓回彈模量見圖1。

從圖1可以看出：(1)六種水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量均隨齡期的增加而增加。(2)增大水泥用量會明顯提高模量值，這是由于隨著水泥用量的增加，水泥漿水化后的凝膠狀結晶化合物也相應增加，使水泥穩定碎石混合料整體結構更為牢固，剛度更大。(3)采用振動拌和技術、摻加玄武巖纖維或摻加膨脹劑，對水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量的影響都相對較小，摻入玄武巖纖維會在一定程度上降低其抗壓回彈模量。

3.2 強 度

將養生至不同齡期(7 d、28 d、60 d)的圓柱體試件依照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[23]進行無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗及抗彎拉強度試驗，不同齡期下的試驗結果分別見圖2～圖4。

圖1 抗壓回彈模量隨齡期的變化Fig.1 Variation of compressive rebound modulus with age

圖2 無側限抗壓強度隨齡期的變化Fig.2 Variation of unconfined compressive strength with age

從圖2～圖4可以看出：(1)隨著齡期的增長，不同類型水泥穩定碎石混合料的強度均逐漸增大，7～28 d齡期強度增長迅速，28～60 d齡期強度增長緩慢。(2)增大水泥用量對水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度、抗彎拉強度提升效果最為明顯。(3)摻加玄武巖纖維，7 d齡期水泥穩定碎石混合料的強度低于普通水泥穩定碎石混合料，但隨著齡期增長，強度逐漸提高，這是因為隨著齡期增長，玄武巖纖維可以充分發揮其聯結作用。

圖3 劈裂強度隨齡期的變化Fig.3 Variation of splitting strength with age

圖4 抗彎拉強度隨齡期的變化Fig.4 Variation of flexural tensile strength with age

3.3 收縮性能

按《公路無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[23]進行干縮與溫縮試驗，設置的溫度區間為40～30 ℃、30～20 ℃、20～10 ℃、10～0 ℃、0～-10 ℃，試驗從高溫到低溫依次逐級進行。不同類型水泥穩定碎石混合料的干縮系數與溫縮系數分別見圖5和圖6。

圖5 干縮系數隨齡期的變化Fig.5 Variation of dry shrinkage coefficient with age

圖6 溫縮系數隨溫度的變化Fig.6 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature

由圖5和圖6可以看出：(1)六種類型水泥穩定碎石混合料的干縮系數均隨齡期的增加而增加，前7 d齡期增長較快，后期趨于平緩。(2)溫度從40 ℃下降到0 ℃，水泥穩定碎石混合料的溫縮系數逐漸下降。從0 ℃到-10 ℃，溫縮系數逐漸回升。(3)增大水泥用量會使水泥穩定碎石混合料的干縮系數、溫縮系數均明顯增大，這說明水泥用量越大，越容易導致收縮開裂。(4)采用振動拌和技術、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑均能降低水泥穩定碎石混合料的干縮系數和溫縮系數，且摻加膨脹劑對降低水泥穩定碎石混合料干縮系數的效果最為明顯(與31 d齡期普通水泥穩定碎石混合料相比，干縮系數降低了57.7%)，且其數值是從負數增長到正數。這是因為膨脹劑與水泥水化產物Ca(OH)2反應生成鈣礬石晶體，增大了水泥穩定碎石混合料的體積，由此產生的體積膨脹可抵消部分收縮，因此它能有效降低水泥穩定碎石混合料的干縮系數與溫縮系數，提高其體積穩定性。(5)與普通水泥穩定碎石混合料相比，加入玄武巖纖維后，水泥穩定碎石混合料31 d齡期的干縮系數下降了18.8%。這是由于纖維絲分布形成的網狀體系與水泥穩定碎石混合料基體之間產生的連接力、機械嚙合力以及共同作用有效約束了混合料與凝膠物的收縮變形。

3.4 耐久性

3.4.1 抗凍性能

根據文獻[23-24]測定經5次凍融循環后水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度，得到無側限抗壓強度比，見圖7。

圖7 28 d齡期混合料凍融循環后無側限抗壓強度比Fig.7 Unconfined compressive strength ratio of mixture after freeze-thaw cycles (28 d)

由圖7可以發現：經過5次凍融循環后，普通水泥穩定碎石混合料的強度損失最大，采用振動拌和技術、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑、增加水泥用量四種技術措施均能提升水泥穩定碎石混合料的抗凍性能，其中增大水泥用量對抗凍性能的提升作用最為明顯。

3.4.2 抗疲勞性能

將養生28 d后的不同類型水泥穩定碎石混合料進行四點彎曲疲勞試驗，采用控制應力加載模式，荷載幅值為2 kN，波形為連續的Havesine波，加載頻率為10 Hz。試驗結果見表6。

由表6可以看出：采用振動拌和、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑、增大水泥用量四種措施均能夠明顯提高水泥穩定碎石混合料的疲勞壽命，相較于普通水泥穩定碎石混合料，疲勞壽命分別提高了約50%、1倍、2.5倍、170倍、230倍，其中增大水泥用量對抗疲勞性能的提升作用最為明顯。

表6 不同類型水泥穩定碎石混合料在相同荷載下的疲勞壽命Table 6 Fatigue life of different types of cement stabilized macadam mixture under the same loading

4 基于多因素方差分析的性能影響程度分析

為了進一步明確不同技術措施對各項性能的影響程度，基于多因素方差分析對試驗結果進行分析，并提取效應量估算邊際平均值作為新的評估體系來判定影響效應。估算邊際平均值差值越大，影響程度越大。表7為不同技術措施對水泥穩定碎石混合料各項性能影響的主體間效應檢驗,圖8為不同性能的效應量估算邊際平均值結果。

表7 不同技術措施對各項性能影響的主體間效應檢驗Table 7 Test of intersubjective effect of various performance by different technical measures

從表7主體間效應檢驗結果可以看出，對于本文所采用的提升水泥穩定碎石混合料性能的四種不同措施，在各項性能下的顯著性值均低于0.05，且偏Eta平方的值接近1，說明這四種措施對水泥穩定碎石混合料性能的提升均具有顯著影響。從圖8不同類型的水泥穩定碎石混合料的模量、強度以及耐久性的估算邊際平均值來看，對于PT、ZD、XW、PZ這四種類型，曲線斜率變化較為平緩，而當混合料類型為G1、G2時，其效應量估算邊際平均值曲線斜率猛然上升，相較于前四種類型值顯著提高，因此可以說明增大水泥用量對提升水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量、強度以及耐久性影響效應最大，能更加簡便、高效地提升其性能。但從收縮性能的估算邊際平均值來看，增大水泥用量給干縮系數、溫縮系數帶來不利影響；摻加膨脹劑的水泥穩定碎石混合料的干縮、溫縮效應量估算邊際平均值顯著低于其他類型，說明摻加膨脹劑能更加簡便、高效地降低水泥穩定碎石混合料的干燥收縮及溫度收縮變形。

圖8 不同性能的效應量估算邊際平均值Fig.8 Estimated marginal mean of effects of different performances

5 結 論

(1)采用振動拌和技術、增大水泥用量、摻加膨脹劑能夠提高水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量，而玄武巖纖維的摻入會降低其抗壓回彈模量。四種措施均能提升水泥穩定碎石混合料的強度和耐久性，其中增大水泥用量的提升效果最為明顯。

(2)采用振動拌和技術、摻加玄武巖纖維、摻加膨脹劑均能提高水泥穩定碎石混合料抵抗收縮開裂的能力，而摻入膨脹劑對水泥穩定碎石混合料干縮性能的改善效果最佳(干縮系數降低57.7%)，其次是摻加玄武巖纖維(干縮系數降低18.8%)，采用振動拌和技術對干縮系數的降低效果不太顯著。而增大水泥用量會使水泥穩定碎石混合料的干縮系數、溫縮系數增大，抗裂性能降低。

(3)從多因素方差分析結果來看，這四種措施對水泥穩定碎石混合料性能均具有顯著影響，其中增大水泥用量對提升水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量、強度以及耐久性影響效應最高。