劉后林 鄧勤波 單翔宇

(1.重慶交通大學，重慶 400074;2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430077)

水泥穩(wěn)定碎石材料是以具有一定級配的碎石作為骨料，并結(jié)合膠凝材料(如水泥等)和一定量的灰漿體積來填充其空隙，主要依靠碎石與碎石之間的嵌擠原理形成的具有一定力學強度和密實度的混合料。因為水泥的作用，其初期強度一般較高，并且隨著齡期的增加，其強度很快增加并形成一個整體，因而整體強度較高，且通過多年工程的檢驗，水泥穩(wěn)定碎石同樣具有較好的抗?jié)B度和抗凍性。因為其較好的力學性能，在道路工程尤其是半剛性瀝青路面的基層中得到廣泛推廣和使用。但從實際效果來看，很多道路在使用過程中也出現(xiàn)了諸如裂縫、滲水等問題，并隨著使用年限的增加問題日趨嚴重，這是由于水泥穩(wěn)定碎石在路用性能上的不足所致。因而有必要對水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能進行研究，本文通過增加兩種添加劑(膨脹劑和減縮劑)對水泥穩(wěn)定碎石力學性能的影響展開研究，并得出了相關規(guī)律，提出了抗裂方法。

1 水泥穩(wěn)定碎石基本抗裂措施和材料綜述

國內(nèi)外道路工作者在如何預防水泥穩(wěn)定碎石的裂縫問題開展了很多研究，針對路面的水泥穩(wěn)定碎石基層而言，其防裂措施一般有三個方面:1)改善路面結(jié)構(gòu)形式，如增加上面層的瀝青層厚度;2)采用一些結(jié)構(gòu)預防措施，如采用應力吸收層，如添加級配碎石、采用SAMI層等措施;3)從改善水泥穩(wěn)定碎石的性能入手，如在保證強度的前提下盡量減少水泥的用量、嚴格控制碾壓時的含水量和加入一些添加劑等措施。很顯然，前兩種措施雖然效果明顯，但成本較高，最經(jīng)濟的措施還是改善水泥穩(wěn)定碎石自身的力學性能。

近些年來，許多道路工作者在水泥穩(wěn)定碎石中通過摻外加劑來改善其抗裂性能作了大量研究，但是對于選擇添加劑的種類、配比等，并未達成一致的結(jié)論。根據(jù)已有研究，需先對各種不同抗裂材料的特點進行了解，評估其經(jīng)濟成本，方能正確的指導水泥穩(wěn)定碎石材料添加劑的選擇方案。

1.1 粉煤灰

粉煤灰是一種常用的路用材料，它是用空氣把煤粉高速吹進電廠鍋爐，燃燒后生成的并從煙氣中收集的粉狀灰粒，國外稱其為“飛灰”(Fly Ash)或者稱其為“磨細燃料灰”(PFA)。粉煤灰的化學成分以 SiO2和 A12O3為主，此外還含有 Fe2O3，MgO，SO3，CaO等。粉煤灰顆粒粒徑主要分布在0.5 μm～300 μm范圍內(nèi)，其密度一般為 1.77 g/cm3～2.43 g/cm3。

粉煤灰摻入水泥穩(wěn)定碎石后，發(fā)生的效應一般有形態(tài)效應、活性效應和微集料效應三項基本效應。其改善水泥穩(wěn)定碎石抗裂性的機理主要有以下幾個方面:1)由于粉煤灰具有的玻璃微珠形態(tài)起到“滾珠”作用，減小了水泥顆粒間的相對滑移時的阻力，進而增大了漿體的流動度，從而降低了水泥穩(wěn)定碎石混合料的需水量，減小了干縮;2)由于粉煤灰能較快的吸收水泥水化生成的氫氧化鈣，從而大大減弱水泥穩(wěn)定碎石混合料中的碳化作用，同時也降低了碳化過程中產(chǎn)生的收縮作用;3)粉煤灰本身溫縮性能比較小，同時能降低水泥水化過程中的水化熱，縮小了水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部和外部的溫度差，從而會減緩其開裂的時間和速度;4)由于粉煤灰會發(fā)生火山灰效應，能大大增加水泥穩(wěn)定碎石中的膠凝物的數(shù)量，從而填滿其間顆粒的縫隙，增加水泥穩(wěn)定碎石的后期抗拉強度和抗裂性，使整體結(jié)構(gòu)變得更加緊密和結(jié)實。此外，粉煤灰代替部分水泥可以減少懸浮結(jié)構(gòu)中的孔隙，從而在最大限度內(nèi)以顆粒接觸為主，而顆粒的壓縮與孔隙中的氣體壓縮相比要小的多，所以表現(xiàn)出宏觀上的溫度收縮應變較小。

但是，近幾年的實踐表明:1)粉煤灰用量太大，導致早期強度低，收縮大，增加了施工難度，且施工拌和均勻性較差，強度檢測結(jié)果表明離散性較大。2)集料級配偏細，后期橫向裂縫較多。3)配合比使用隨意性大，粉煤灰摻法(內(nèi)摻和外摻)比較混亂。

由于水泥穩(wěn)定碎石是一種水灰比大和空隙率大(達8%)的材料，采用外摻粉煤灰能起到一定的填隙作用，可以改善水泥穩(wěn)定碎石中碎石的級配，增加水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度、早期和后期強度以及抗裂性(見表1，圖1)。

表1 水泥穩(wěn)定碎石級配

1.2 纖維

目前，在路用水泥混凝土中使用較為廣泛的纖維主要有碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維。在摻加鋼纖維添加劑以后，由于單絲纖維的重重分布，可以在混合料內(nèi)部形成大量的亂向分布的網(wǎng)狀承托系統(tǒng)，起到襯托骨架的作用，從而減少離析作用。當水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部發(fā)生收縮時，由于纖維具有微細配筋的作用，會在內(nèi)部產(chǎn)生收縮拉應力，消耗掉材料收縮的內(nèi)部能量，從而克服水泥穩(wěn)定碎石的塑性裂縫。但是鋼纖維混凝土生產(chǎn)成本較高，從而使之大面積的推廣受到一定程度的抑制。

1.3 減縮劑

路用材料的減縮劑主要是由聚醚或聚醇類有機物或它們的衍生物組成。其作用機理是對水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部的孔隙水發(fā)生作用，降低孔隙水的表面張力，在混凝土干縮過程中，孔隙水內(nèi)部會產(chǎn)生毛細收縮壓力，而減縮劑的存在，使得其收縮壓力大大降低，據(jù)有關研究，減縮劑對一般水泥混凝土干縮率的減輕程度可達20%～30%。因為對于某些養(yǎng)護比較困難的路用材料，減縮劑能發(fā)揮較好作用。我國也研制了許多性能較好的減縮劑，其摻量一般在1%～3%，但是由于其實際工程中的應用不多，因而實際效果和長期的抗裂性能方面還需在實際工程中多做觀察和研究，目前大范圍推廣也存在一定的局限性。

1.4 膨脹劑

膨脹劑的使用，最初見于膨脹水泥。路用材料中常見的膨脹劑分為硫鋁酸鈣類、氧化鈣類和氧化鎂類。其主要作用機理是從改善混凝土的應力狀態(tài)和應變狀態(tài)來實現(xiàn)的。在混凝土中添加膨脹劑以后，會與水泥水化反應生成一種叫鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)的物質(zhì)，使水泥穩(wěn)定碎石發(fā)生性能上的變化。鈣礬石在水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部產(chǎn)生體積膨脹，可以構(gòu)建一定的預壓應力(一般為0.2 MPa～0.7 MPa)，大大改善內(nèi)部的應力狀態(tài)，從而使其抗裂性能得到提高。

同時，鈣礬石膨脹后，將填充和堵塞水泥穩(wěn)定碎石的內(nèi)部空隙，降低了孔隙水的毛細作用及水泥穩(wěn)定碎石的總體空隙率，可在潮濕的環(huán)境中保持50個～200個微應變的膨脹狀態(tài)，保持一定的干縮狀態(tài)，推遲收縮產(chǎn)生的時間，使混凝土具有更長的時間增長其抗拉強度，從而抑止裂縫的發(fā)生。

2 摻膨脹劑和減縮劑后水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學性能

綜上所述，在以上三種抗裂材料中，膨脹劑和減縮劑所需的摻量較小，抗裂效果較好，經(jīng)濟成本也較低，施工過程也比較好控制，適合廣泛推廣和使用。不同的摻量和配比的膨脹劑與減縮劑對于改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能有所不同。本實驗的基準配合比為5∶100，水泥采用道路工程常用的32.5號緩凝硅酸鹽水泥混凝土。骨料的最大公稱粒徑為19 mm，膨脹劑和減縮劑的含量分別為水泥質(zhì)量的7%和2%，其配合比分別為5∶100∶0.5和5∶100∶0.1，通過室內(nèi)試驗，確定了摻加膨脹劑和減縮劑對混凝土最大干密度和最佳含水量的影響規(guī)律，并按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗。試驗結(jié)果見表2，表3。

表2 三種混合料擊實結(jié)果

表3 水泥穩(wěn)定碎石7 d強度結(jié)果匯總

從圖2可以看出，摻加膨脹劑和摻加減縮劑對水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度的影響規(guī)律并不一致。摻加膨脹劑后，混凝土的最佳含水量和最大干密度并無明顯影響;而摻加減縮劑以后，混凝土的最佳含水量和最大干密度均有明顯變化:最佳含水量下降明顯，而最大干密度則大幅度減小。

究其原因，因為減縮劑是表面活性物質(zhì)，能大幅度降低水的表面張力，具有分散、潤濕作用，導致混凝土內(nèi)部減水明顯和水泥穩(wěn)定碎石的漏漿、離析。同時，減縮劑具有引氣作用，對水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量造成了較大影響。

3 室內(nèi)試驗結(jié)果分析

通過室內(nèi)實驗結(jié)果，可歸納分析得到如下結(jié)論:

1)摻加一定量的膨脹劑后，水泥穩(wěn)定碎石的力學性能有明顯變化，主要表現(xiàn)在其7 d無側(cè)限抗壓強度下降。作為一個力學整體的水泥穩(wěn)定碎石在添加膨脹劑以后，處于無約束的自由膨脹狀態(tài)，而且膨脹劑在與水泥和水泥穩(wěn)定碎石的孔隙水發(fā)生化學反應生成的鈣礬石自由膨大，體積增長較快，因而導致水泥穩(wěn)定碎石的強度有所下降。2)摻加一定量膨脹劑以后，水泥穩(wěn)定碎石的另一力學性能指標——劈裂強度有明顯改善。分析其原因，主要是添加膨脹劑以后，與Ca(OH)2發(fā)生化學反應生成鈣礬石并結(jié)晶，而且鈣礬石的分布及大小發(fā)生變化，顆粒體積變小，分布比較密集，從而使得集料—膠體之間的空隙率得到改善，而影響劈裂強度的主要因素是膠體與集料之間的粘結(jié)力，與骨料之間的嵌鎖能力無太大關系。3)摻加一定量減縮劑以后，水泥穩(wěn)定碎石的總體力學性能改善明顯——7 d劈裂強度和抗壓強度均提高明顯。分析其原因，在于加入減縮劑以后，改善了水泥的水化條件，分散了水泥與水之間的絮凝結(jié)構(gòu);另一方面，由于減縮劑使得水泥穩(wěn)定碎石集料—膠體之間產(chǎn)生表面張力，從而改善了水泥與水的接觸條件，使得水泥顆粒的水化面積大幅增加。4)添加一定量的膨脹劑和減縮劑后的水泥穩(wěn)定碎石，其破壞拉伸應變和拉壓比均有增加，其中破壞拉伸應變變化比較顯著(提高1倍以上)。說明添加劑對水泥穩(wěn)定碎石脆性的提高具有明顯效果，因而達到改善水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的作用。

4 結(jié)語

水泥穩(wěn)定碎石具有較高的力學性能，但如何增加其抗裂性能是一個難題。在工程實踐中，要綜合考慮設計、施工工藝、材料及養(yǎng)護等多個方面。添加外加劑來提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能經(jīng)濟成本較低，適合大范圍推廣，而且具有良好的施工和易性。從長遠看來，可進一步開展其他類型的抗裂材料如粉煤灰與聚丙烯纖維的復合、聚丙烯纖維和膨脹劑的復合等對水泥穩(wěn)定碎石性能影響的研究。

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