水泥穩(wěn)定砂礫力學強度增長機理及影響因素研究

張 偉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

交通運輸作為國民經(jīng)濟發(fā)展之命脈，公路在其中扮演著重要的角色。近年來，交通強國戰(zhàn)略下我國高速公路建設里程快速增加，而水泥穩(wěn)定類基層材料以其良好的路用性能已經(jīng)成為我國80%以上高等級路面的主要結構類型。我國地域遼闊，不同地區(qū)氣候、地形、地貌等自然條件差異極大。根據(jù)各地氣候、水文等對公路工程影響的不同，我國進行了公路自然區(qū)的劃分，而其中一個重要原則即地表氣候差異性原則，溫度差異大使得我國在不同地區(qū)應用水泥穩(wěn)定類材料時，其工程性能差異巨大，溫度作用下水泥穩(wěn)定類材料極易發(fā)生開裂破壞，進而在交通荷載及水的作用下發(fā)生一系列的病害，對高速公路建設質(zhì)量造成極大影響。當前，在我國的公路建設中，水泥穩(wěn)定材料的設計施工依據(jù)室內(nèi)重型擊實試驗來確定最佳含水率和最大干密度，在此基礎上通過靜壓成型試件并測試其強度，以此進行配合比設計[1]。本文研究水泥穩(wěn)定砂礫力學強度增長機理及影響因素，研究成果具有工程實際意義。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料及級配

（1）原材料

所用水泥為普通32.5硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1，所用砂礫性能指標見表2。

表1 物理力學性能指標

表2 砂礫性能指標

（2）礦料級配

采用《公路路面基層施工技術細則》（JTG F20-2015）中的C-B-3級配，見表3。

表3 礦料級配

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗方案

（1）水泥劑量

研究水泥劑量對水泥穩(wěn)定砂礫力學性質(zhì)的影響，水泥劑量擬選取3.0%、4.0%、5.0%。

（2）齡期

研究養(yǎng)生齡期對水泥穩(wěn)定砂礫力學性質(zhì)的影響，養(yǎng)生齡期擬選取0d、3d、7d、14d、28d、60d、90d、120d。

（3）溫度

當前現(xiàn)場實際施工工藝，混合料從后場拌合、運輸至前場攤鋪，碾壓成型需要約1h完成，因此，為更好模擬現(xiàn)場實際情況，研究不同環(huán)境溫度下水泥穩(wěn)定砂礫的工程性能，溫度擬采用16℃、20℃、24℃、28℃，32℃、36℃；成型時間均采用1h。

1.2.2 試驗方法

試件成型采用《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中的T0804-1994試驗方法進行，力學強度依據(jù)T0805-1994以及T0806-1994進行測試。

2 力學強度影響因素及機理分析

2.1 無側限抗壓強度

2.1.1 齡期

采用靜壓法成型水泥穩(wěn)定砂礫試件，并標準養(yǎng)生至對應齡期，其無側限抗壓強度代表值見表4。

表4 水泥穩(wěn)定砂礫無側限抗壓強度Rc試驗結果

養(yǎng)生齡期為0d時，不同水泥劑量水泥穩(wěn)定砂礫存在抗壓強度Rc0。分析認為，在成型初期，雖然混合料內(nèi)的水泥并未完全進行水化反應，但其內(nèi)部骨料在壓實作用下相互嵌擠，形成具有一定強度的骨架，因此，其在成型初期具有一定的抗壓強度[2]。

隨齡期增長，經(jīng)過標準養(yǎng)生的水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強度逐漸增大。分析認為，水泥水化反應所形成的膠結物緊密填充了骨架之間的空隙，并將其黏結為一個整體，隨齡期延長，膠結物逐漸凝結硬化，并形成整體強度，使得其強度不斷增長。

除此之外，水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強度在不同齡期的增長速率不同，0～14d時，其抗壓強度增長速率較快，這說明水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強度主要在早期形成。當養(yǎng)生齡期繼續(xù)增加時，抗壓強度增長速率逐漸變小，無側限抗壓強度與齡期之間關系曲線斜率逐漸放緩，這說明隨著齡期延長，水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強度存在極限抗壓強度值。分析認為，抗壓強度表現(xiàn)為材料在外力作用下的強度極限，而在齡期增長過程中，水泥穩(wěn)定砂礫中水泥的不同成分對混合料強度貢獻不同，在早期，C3S和C3A含量高，反應速率快，導致其早期強度增長較快，而后期C2S含量較小，反應速率較慢，且大部分水泥已經(jīng)完成水化反應，因此，其強度增長較為緩慢[3]。

2.1.2 水泥劑量

水泥穩(wěn)定砂礫無側限抗壓強度隨水泥劑量升高基本呈增大趨勢，且增長趨勢有減小傾向。分析原因可能是，水泥劑量增大，使得水泥穩(wěn)定砂礫內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物增加，其存在可較好地填充水泥穩(wěn)定砂礫的內(nèi)部空隙，并將其膠結成為一個整體，水泥劑量越大，水化產(chǎn)物越多，其內(nèi)部微空隙越少，試件整體密度有較小提升，其強度因此得到提高。如若水泥劑量繼續(xù)提高，填充作用及膠結作用逐漸傾向于飽和，使得其強度增長速度下降。

計算不同齡期水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強度增長值，可以發(fā)現(xiàn)，在不同的水泥劑量增加區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)有所不同。在水泥劑量較低的增加區(qū)間內(nèi)，單位水泥劑量的增加使得其強度得到較大的提升；而隨水泥劑量升高，單位水泥劑量的改變對水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強度提升效果下降，表現(xiàn)為在高水泥劑量增加區(qū)間內(nèi)強度增長值下降，且下降速率較快。這說明水泥穩(wěn)定砂礫材料強度的提升，不能單純通過增加水泥劑量來實現(xiàn)，其提升效果較為有限。除此之外，較大的水泥劑量會造成工程經(jīng)濟性下降，工程造價升高，也會導致水泥穩(wěn)定砂礫材料收縮開裂，進而導致其耐久性下降。

2.2 劈裂強度

水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度Ri代表值見表5。

表5 水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度試驗結果

2.2.1 齡期

標準養(yǎng)生條件下，隨試件養(yǎng)生齡期增加，不同水泥劑量試件劈裂強度均呈增長趨勢，且其增長速率不斷變化。試件齡期在14d內(nèi)時，劈裂強度增長較快，增長速率較大，這說明水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度主要在開始養(yǎng)生后早期形成，隨著齡期增加，劈裂強度增長幅度逐漸變緩，增長速率逐漸變小，且逐漸趨近0，劈裂強度增長曲線也越來越平緩，并無限趨近于水泥穩(wěn)定砂礫的極限劈裂強度。分析其原因，劈裂強度表現(xiàn)為水泥穩(wěn)定砂礫試件發(fā)生塑性變形直到試件軸向底部或內(nèi)部出現(xiàn)裂隙時，所能抵抗的最大拉力下的強度，其主要取決于水泥水化反應所生成的膠結物強度及其與集料接觸界面強度。試件成型完成后養(yǎng)生初期，混合料中的水泥剛開始進行水化反應，由于C3S的含量較大，且反應速率較快，能夠形成較大的強度。因此，在水化產(chǎn)物的黏結作用下，早期試件的強度上升較快。隨著齡期增長，水泥水化反應趨近完成，此時混合料內(nèi)部由C2S所生成的水化產(chǎn)物所主導，但由于其含量較少，劈裂強度增長速率較為緩慢[4]。

2.2.2 水泥劑量

水泥穩(wěn)定砂礫極限劈裂強度隨水泥劑量增加基本呈增大趨勢。分析認為，劈裂強度主要來源于混合料中水泥進行水化反應所生成的膠結物強度以及膠結物與集料接觸界面的強度，水泥水化反應所生成的水化產(chǎn)物將集料之間空隙進行緊密而充分地填充，不同粒徑的集料通過這種黏結作用相互連接，從而讓水泥穩(wěn)定砂礫具有整體性強度，水泥劑量越大，水化產(chǎn)物越多，集料之間的空隙被填充得越密實，粘結力也就越強，其劈裂強度也會越大。

2.3 溫度對力學強度影響

水泥穩(wěn)定砂礫力學性質(zhì)是評價其作為半剛性基層承載能力的重要指標，也是保障路面質(zhì)量的基礎。為驗證不同環(huán)境溫度對水泥穩(wěn)定類材料力學性能的影響程度，將混合料拌合后，在不同環(huán)境溫度下經(jīng)過1h靜置后成型試件并進行標準養(yǎng)生7d。

在靜置時間及養(yǎng)生條件相同時，隨環(huán)境溫度升高，水泥穩(wěn)定砂礫7d無側限抗壓強度及劈裂強度均隨著溫度的上升呈現(xiàn)下降趨勢，且環(huán)境溫度越高，其下降速率越大，尤其反映在劈裂強度的下降速率上；溫度的上升使得在其他條件均相同的情況下，水泥穩(wěn)定砂礫的力學強度發(fā)生改變，溫度每上升5℃，水泥穩(wěn)定砂礫的7d無側限抗壓強度降低0.1MPa，7d劈裂強度降低0.015MPa，且溫度越高，水泥穩(wěn)定砂礫對溫度的變化越敏感。

分析認為，水泥穩(wěn)定類材料的強度主要由其粗骨料的結構強度及其之間的嵌擠力和水泥水化后所生成的水化產(chǎn)物的膠結作用構成；不難發(fā)現(xiàn)，粗骨料的結構強度及嵌擠力作用在不同溫度下基本保持不變，而溫度主要對水泥水化產(chǎn)物的強度有著重要影響，從水泥發(fā)生水化反應的整個過程來看，水化會生成較多的晶體型網(wǎng)狀結構，如混合料拌合完成后，隨機進行壓實，則水泥水化產(chǎn)物之間不會發(fā)生相對位移，其網(wǎng)狀結構不會遭到破壞，從而為水泥穩(wěn)定類材料提供較大的膠結作用。但在施工現(xiàn)場，水泥穩(wěn)定類材料在拌合站拌合完成后，需經(jīng)過一段時間的運輸，才能進行攤鋪、壓實等，這就導致經(jīng)過一段時間后，壓實成型的水泥穩(wěn)定類材料內(nèi)部已經(jīng)形成的水化產(chǎn)物結構遭到破壞，使水泥穩(wěn)定類材料的力學強度呈下降趨勢，除此之外，溫度越高，水泥水化反應的速率提升，這就導致在成型試件時遭到破壞的水泥水化產(chǎn)物結構的比例提高，強度損失越大。

因此，在高速公路建設過程中，選擇較為合適的環(huán)境溫度，可縮短混合料從拌合至壓實完成的時間，有效提高水泥穩(wěn)定類材料的強度，提高高速公路建設質(zhì)量。

3 結束語

（1）基于靜壓法研究水泥穩(wěn)定砂礫的力學性質(zhì)，對水泥穩(wěn)定砂礫的力學強度形成過程進行分析，結果表明：隨齡期增長，水泥穩(wěn)定砂礫力學強度增長速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，并逐漸趨于其極限值。

（2）分析水泥劑量對水泥穩(wěn)定砂礫力學強度的影響，結果表明：隨水泥劑量增大，水泥穩(wěn)定砂礫力學強度隨之增大，且力學強度增長速率均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，為保證工程項目的經(jīng)濟性，應選擇合適的水泥劑量。

（3）研究溫度對水泥穩(wěn)定砂礫力學強度的影響。結果顯示，隨溫度上升，經(jīng)過一段時間靜置后成型的水泥穩(wěn)定砂礫力學強度呈下降趨勢，溫度越高，水泥穩(wěn)定砂礫的力學強度損失越大，因此，在高速公路建設過程中，選擇較為合適的環(huán)境溫度，且盡可能縮短混合料從拌合至壓實完成的時間，可有效提高水泥穩(wěn)定類材料的強度，提高高速公路建設質(zhì)量。