馬 骉，劉鵬偉，李 寧，王大龍

（1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.沈陽公路路政管理局，遼寧 沈陽 850000）

0 引言

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層（半剛性基層）是我國公路工程建設(shè)中普遍采用的基層結(jié)構(gòu)形式，其中水泥穩(wěn)定碎石基層具有強(qiáng)度高、整體性好、穩(wěn)定性好、耐凍性強(qiáng)、抗沖刷能力強(qiáng)、初期強(qiáng)度高以及工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是初期性能受氣候環(huán)境的影響較大，在溫度或濕度變化時(shí)易開裂，進(jìn)而影響路面的使用性能［1－2］。青藏高原寒冷地區(qū)平均海拔在4 000m以上，該地區(qū)年平均氣溫低，晝夜溫差大，降溫速率快，凍融循環(huán)頻繁，并且太陽輻射強(qiáng)烈［3］。特殊的氣候環(huán)境對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層性能影響顯著，在低溫條件下易產(chǎn)生溫縮裂縫類病害；在氣溫驟降及凍融循環(huán)作用下，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部形成損傷，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度與承載能力不斷下降，并出現(xiàn)凍脹、橫向裂縫等破壞；在夏季高溫條件下，重載交通加劇了凍土路基的不均勻沉陷變形，影響其對(duì)基層的支撐作用，從而導(dǎo)致基層強(qiáng)度與承載能力的下降［4］。溫度對(duì)水泥穩(wěn)定半剛性基層強(qiáng)度的形成起決定性作用，水泥水化作用使半剛性基層材料逐漸凝結(jié)、硬化，最終形成強(qiáng)度。青藏高原寒冷地區(qū)的低溫環(huán)境使得混合料中部分自由水凍結(jié)，參與水解和水化反應(yīng)的水分減少，進(jìn)而影響水化物的初期生成，延緩水化物結(jié)晶析出過程，導(dǎo)致半剛性基層板體形成較弱，強(qiáng)度增長緩慢，承載力不高［5－7］。

針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度形成、低溫開裂、凍融損壞等問題，文獻(xiàn)［8－10］通過分析級(jí)配、水泥劑量、養(yǎng)生齡期、養(yǎng)生溫度等水泥穩(wěn)定碎石施工變異性因素和控制施工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)水泥劑量宜為5%～6%，更有利其強(qiáng)度形成，超過6%干縮系數(shù)會(huì)增大；在水泥穩(wěn)定碎石基層中摻加減縮劑可以降低基層材料的早期收縮量，對(duì)于高寒地區(qū)，摻加外加劑亞硝酸鈉可提高混合料的早期強(qiáng)度和抗收縮開裂性能，通過加筋技術(shù)減少水泥穩(wěn)定基層的收縮裂縫等都是控制低溫開裂行之有效的方法。

高寒地區(qū)關(guān)于提高水泥穩(wěn)定碎石基層抗壓強(qiáng)度的研究包括控制混合料基層以下墊層的濕度等，文獻(xiàn)［11］通過模擬多年凍土地區(qū)墊層的可能濕度狀況養(yǎng)生，定量分析了濕度對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度形成的影響，研究結(jié)果表明，墊層含水量小于基層混合料最佳含水量時(shí)，濕度對(duì)基層混合料強(qiáng)度的形成有明顯影響，且抗壓強(qiáng)度隨墊層含水量的減小而降低。

水泥穩(wěn)定砂礫基層整體強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好、成型快，是中潮濕地區(qū)較為經(jīng)濟(jì)適用的路面基層結(jié)構(gòu)。但作為半剛性基層結(jié)構(gòu)，水泥穩(wěn)定砂礫基層容易產(chǎn)生裂縫，一般還會(huì)反射到路面面層，引起面層開裂，影響路面的服務(wù)功能，縮短路面使用壽命［12］。在干旱寒冷地區(qū)，水泥穩(wěn)定砂礫基層的施工與使用面臨低溫、大蒸發(fā)量等特殊溫度和濕度條件的影響，使基層出現(xiàn)難以形成板體、強(qiáng)度低等問題，降低了路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和承載能力，易引起路面松散、龜裂等病害［3，9，11］。

半剛性基層存在的主要問題是溫度和濕度影響下的縮裂，青藏高原地區(qū)還面臨著特殊氣候條件下的混合料強(qiáng)度形成問題，強(qiáng)度無法保障會(huì)影響混合料的抗縮裂能力。已有研究成果大多分析水泥穩(wěn)定砂率及其濕度的影響，主要針對(duì)青藏公路等二級(jí)及以下公路，其材料性能指標(biāo)、施工工藝與過程、路用性能要求與水泥穩(wěn)定碎石存在較大的差別。

抗壓強(qiáng)度是我國目前的材料設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，本文通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件和模擬低溫條件下水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度和回彈模量，分析水泥用量、養(yǎng)生齡期、養(yǎng)生溫度對(duì)其性能的影響，提出相應(yīng)的施工控制指標(biāo)，以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料與配合比

水泥采用西藏高爭建材股份有限公司生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

集料采用拉薩至貢嘎機(jī)場高速公路沿線碎石場碎石，共分為4檔，分別為20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm，均為石灰?guī)r，10～20mm的壓碎值為13.7%，其他物理指標(biāo)見表2所列。

表2 碎石物理指標(biāo)

水泥穩(wěn)定碎石采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，具體碎石級(jí)配組成如圖1所示。

圖1 碎石級(jí)配曲線

為了對(duì)比水泥用量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗壓性能的影響，試驗(yàn)根據(jù)所需混合料用量拌制并成型，每個(gè)配合比取5個(gè)預(yù)定含水量，即4%、5%、6%、7%、8%。由于集料和水泥均為干燥狀態(tài)，故不考慮它們的含水量。分別對(duì)水泥用量為3%、4%、5%的混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，其最佳含水量依次為5.95%、6.00%、6.05%，最大干密度分別為2.31、2.33、2.35g/cm3，較為接近。考慮到青藏高海拔地區(qū)氣候干燥，蒸發(fā)率高，路面基層施工中水分損失比一般地區(qū)快，且損失量大，試驗(yàn)中可只考慮水泥用量對(duì)強(qiáng)度或回彈模量的影響。

1.2 試驗(yàn)方法

本文根據(jù)文獻(xiàn)［13］中的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)（T 0805－1994）評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度特性，每組有4個(gè)平行試件。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件在20℃和相對(duì)濕度95%以上的環(huán)境中分別養(yǎng)生3、7、28、90d后進(jìn)行試驗(yàn)。凍土地區(qū)公路最佳施工時(shí)間為每年的5—9月份，青藏公路調(diào)查路段全年基本為負(fù)溫環(huán)境，年平均最低氣溫為－14.5～－17.4℃，最高氣溫為6.8～8.1℃，5—8月份有較短的正溫環(huán)境，但最低溫度仍低于0℃；晝夜溫差為23～26℃，地表溫差可高達(dá)50℃。有效施工時(shí)間短，降水又集中在7—9月，且雨雪無常。常年低溫導(dǎo)致在可施工季節(jié)，路面施工溫度明顯低于一般地區(qū)，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的施工溫度難以實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于不同溫度條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件分別在0、5、10℃以及相對(duì)濕度95%的環(huán)境中養(yǎng)生3d和7d，以充分模擬高寒地區(qū)試驗(yàn)條件。

依據(jù)文獻(xiàn)［13］中的抗壓回彈模量試驗(yàn)（T 0807－1994）評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度，4個(gè)平行試件，實(shí)測參數(shù)變異性高、數(shù)據(jù)離散性大，計(jì)算時(shí)多以算術(shù)平均值或加權(quán)平均值處理。在20℃、相對(duì)濕度在95%以上的環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生3、7、28、90d，然后測定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期的抗壓回彈強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下齡期與水泥用量的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的變化如圖2所示。

圖2 不同水混用量時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

由圖2可見，隨著養(yǎng)生齡期的延長，不同水泥用量的水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增大趨勢，且水泥用量越大，混合料抗壓強(qiáng)度增長越明顯。在不同養(yǎng)生階段，混合料抗壓強(qiáng)度的增長幅度有所不同。

養(yǎng)生齡期從3d增加到7d時(shí)，水泥用量較?。?%、4%）的水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度較小，7d強(qiáng)度比3d強(qiáng)度分別增長了11.5%和10.6%；5%水泥用量的混合料則增長比較明顯，其7d強(qiáng)度比3d強(qiáng)度增長了39.9%。這是因?yàn)樵陴B(yǎng)生初期，水泥中的各礦物成分還沒有充分反應(yīng)，水泥水化產(chǎn)物不足，水泥與骨料間的作用尚未充分發(fā)揮，混合料強(qiáng)度主要依賴骨料間的嵌擠作用。

7～28d養(yǎng)生期間，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度明顯增大，該階段是混合料強(qiáng)度形成的主要階段，且水泥用量越大，強(qiáng)度增加幅度越大。這是因?yàn)樗嗷旌狭现械腃3S等礦物開始充分發(fā)揮作用，且其在適宜的溫度、濕度等養(yǎng)生條件下，使混合料內(nèi)部充分進(jìn)行水化反應(yīng)，并使水泥與骨料之間充分發(fā)揮作用，此時(shí)強(qiáng)度主要由水泥水化產(chǎn)物提供，但骨料與骨料間嵌擠作用和水泥與骨料間作用也為強(qiáng)度做出了貢獻(xiàn)，在三者充分發(fā)揮作用下，強(qiáng)度增長較快。

當(dāng)養(yǎng)生齡期大于28d后，混合料的抗壓強(qiáng)度仍不斷增大，但幅度明顯減小。這期間強(qiáng)度形成的3種作用仍在繼續(xù)，但由于7～8d齡期內(nèi)各種礦物大量消耗，使在28d齡期后水泥水化產(chǎn)物逐漸減少，水泥與骨料間作用逐漸降低，雖然對(duì)后期強(qiáng)度起主要作用的C2S開始發(fā)揮作用，但由于其含量較少，導(dǎo)致強(qiáng)度增長緩慢。

由此可見，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度主要在28d以前形成，水泥用量較大（5%）時(shí)7d以前強(qiáng)度形成過程與28d類似，而水泥用量較小時(shí)7d以前的強(qiáng)度形成較慢，所以施工過程中除了加強(qiáng)規(guī)范規(guī)定的7d齡期養(yǎng)生外，還應(yīng)該重視7～28d期間基層的保護(hù)，以利于混合料強(qiáng)度的進(jìn)一步形成與提高板體成型質(zhì)量。

2.1.2 不同養(yǎng)生溫度下溫度與水泥用量的影響

水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生溫度的變化如圖3所示。由圖3可見，隨養(yǎng)生溫度的升高，不同水泥用量的水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增大趨勢，但溫度對(duì)不同水泥用量和不同養(yǎng)生齡期的影響有所不同。

對(duì)于3d齡期而言，溫度從0℃升高到5℃時(shí)，水泥用量較?。?%、4%）的水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度不大，強(qiáng)度基本保持在0℃時(shí)混合料的強(qiáng)度水平；5%水泥用量的混合料強(qiáng)度水平則相對(duì)增長較快，比0℃時(shí)的強(qiáng)度增長了91.01%。溫度從5℃升高到10℃時(shí)，混合料強(qiáng)度增長較快，尤以4%更為明顯，其10℃時(shí)的強(qiáng)度比5℃時(shí)的增長了146.83%。溫度高于10℃后，混合料的抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高繼續(xù)增長。在養(yǎng)生溫度升高過程中，水泥用量大（5%）的混合料的強(qiáng)度持續(xù)增長，低溫環(huán)境（0～5℃）下強(qiáng)度形成也較快；水泥用量小（3%、4%）的混合料的強(qiáng)度在溫度高于5℃后才顯著增長。

養(yǎng)生齡期7d的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度變化總趨勢與養(yǎng)生齡期3d的相似。0℃時(shí)，穩(wěn)定料的強(qiáng)度隨著水泥用量增加而增加，水泥在該溫度下雖基本不水化，但經(jīng)過3d后仍有少量水化產(chǎn)生一定熱量。此時(shí)外部養(yǎng)生溫度仍為0℃，內(nèi)部反應(yīng)溫度已升高，致使穩(wěn)定料強(qiáng)度增加。溫度從0℃升高到10℃時(shí)，隨水泥用量的增加，抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)生溫度的影響明顯；4%水泥用量的抗壓強(qiáng)度在0～5℃內(nèi)的增長趨勢明顯大于3%的水泥用量混合料；養(yǎng)生溫度高于5℃后，混合料的抗壓強(qiáng)度均明顯增大；高于10℃后，混合料的抗壓強(qiáng)度仍持續(xù)增大，但幅度明顯減小，比10℃時(shí)的強(qiáng)度分別增長了16.12%、6.37%、3.14%，可見7d養(yǎng)生后，提高養(yǎng)生溫度對(duì)混合料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小。

圖3 不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生溫度的關(guān)系

由圖3可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)生溫度的影響極其顯著，3d養(yǎng)生齡期內(nèi)養(yǎng)生溫度越高（20℃左右）越有利于強(qiáng)度的形成，極端低溫應(yīng)不低于10℃；7d養(yǎng)生齡期在溫度10℃左右基本滿足混合料強(qiáng)度的形成；大的水泥用量有利于在低溫條件下提高混合料的強(qiáng)度。因此在西藏高海拔地區(qū)施工過程中，應(yīng)采取有效保溫措施，當(dāng)7d齡期內(nèi)的養(yǎng)生溫度控制在10℃以上時(shí)，可基本滿足混合料強(qiáng)度與板體的形成。

2.2 抗壓回彈模量

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下齡期與水泥用量的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量隨養(yǎng)生齡期的變化如圖4所示。

由圖4可見，隨著養(yǎng)生齡期的延長，不同水泥用量的混合料抗壓回彈模量呈增大趨勢，且水泥用量越大，混合料抗壓回彈模量增長越明顯。在不同養(yǎng)生階段，混合料抗壓強(qiáng)度的增長幅度有所不同。養(yǎng)生齡期在3～7d時(shí)，抗壓回彈模量增幅較小，這是因?yàn)樵陴B(yǎng)生初期，水化反應(yīng)尚不充分，水泥水化產(chǎn)物形成的膠結(jié)物較少，混合料還未形成充分密實(shí)的板體結(jié)構(gòu)。

圖4 抗壓回彈模量與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

7～28d養(yǎng)生期間，抗壓回彈模量增長最為明顯，混合料28d抗壓回彈模量比7d抗壓回彈模量分別增長了30.42%、28.13%、26.36%。隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多的膠結(jié)物，水泥與骨料之間充分發(fā)揮作用，使得混合料整體結(jié)構(gòu)逐步加強(qiáng)，抗壓回彈模量增大。

當(dāng)養(yǎng)生齡期大于28d后，混合料的抗壓回彈模量仍持續(xù)增長，但增長速率明顯降低，這是由于混合料的抗壓回彈模量隨著水泥水化反應(yīng)的穩(wěn)定而趨于平穩(wěn)。

2.2.2 不同養(yǎng)生溫度下溫度與水泥用量的影響

水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量隨養(yǎng)生溫度的變化如圖5所示。由圖5可知，3d與7d養(yǎng)生齡期混合料的抗壓回彈模量均隨養(yǎng)生溫度的升高而增長。對(duì)于3d養(yǎng)生齡期，溫度為0～5℃時(shí)，養(yǎng)生溫度對(duì)3種水泥用量混合料回彈模量的影響較??；溫度為5～10℃時(shí)，隨養(yǎng)生溫度的升高，混合料模量明顯增長，4%和5%水泥用量混合料10℃時(shí)的抗壓回彈模量比5℃時(shí)分別增長了129.32%、102.29%；10℃以上時(shí)，不同水泥用量混合料的模量仍持續(xù)增大，但增長幅度減小。對(duì)于7d養(yǎng)生齡期，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量隨溫度的升高近似呈線性增長，其中溫度從5℃升高到10℃的過程其增長最為明顯，水泥用量越多其抗壓回彈模量也越高。

由圖5還可以看出，養(yǎng)生溫度對(duì)抗壓回彈模量的影響極其顯著，養(yǎng)生溫度為5～10℃時(shí)，抗壓回彈模量增長最快。

因此，在實(shí)際工程中當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石基層的養(yǎng)生齡期較短，且不能保證其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度時(shí)，當(dāng)最低養(yǎng)生溫度控制在10℃以上，可基本滿足其強(qiáng)度形成的要求。

圖5 不同齡期抗壓回彈模量與養(yǎng)生溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量均隨養(yǎng)生齡期、水泥用量和養(yǎng)生溫度的增加而增大；在實(shí)際工程中，前7d齡期的養(yǎng)生溫度對(duì)強(qiáng)度的形成影響較大，當(dāng)條件不滿足時(shí)至少保證前3d的養(yǎng)生溫度；養(yǎng)生溫度控制在10℃以上可基本滿足混合料強(qiáng)度的形成與板體的成型；適當(dāng)增加水泥用量可有效提高混合料的強(qiáng)度，并可縮短養(yǎng)生齡期。

水泥穩(wěn)定碎石基層除了加強(qiáng)規(guī)范規(guī)定的7d齡期的養(yǎng)生外，還應(yīng)該重視7～28d期間基層的保護(hù)，以利于混合料強(qiáng)度進(jìn)一步的形成與板體成型質(zhì)量的保證。

在高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層施工中，最小水泥用量選用4%，最短養(yǎng)生齡期控制在7d以上，保證最低養(yǎng)生溫度大于10℃，并對(duì)7～28d期間基層給予適當(dāng)保護(hù)，就可基本滿足其路用性能要求。

［1］沙愛民.半剛性基層的材料特性［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（1）：1－5.

［2］黃煜鑌，呂偉民，徐建達(dá)，等.減縮劑在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng) 用 ［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：然科學(xué)版，2005，33（8）：1047－1050.

［3］馬 骉.多年凍土地區(qū)瀝青路面材料組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［M］.西安：長安大學(xué)，2006.

［4］武奇生.高等級(jí)公路路基路面施工質(zhì)量系統(tǒng)研究［D］.西安：長安大學(xué)，2003.

［5］胡長順，何子文，王秉剛，等.高原多年凍土地區(qū)路基路面典型結(jié)構(gòu)研究報(bào)告［R］.西安：長安大學(xué)，2000.

［6］張洪華.半剛性基層材料的收縮性能研究［D］.北京：交通部公路科學(xué)研究所，1989.

［7］鄭南翔.半剛性基層材料收縮抗裂性能研究［D］.西安：西安公路學(xué)院，1988.

［8］蔣應(yīng)軍.水泥穩(wěn)定碎石基層收縮裂縫防治研究［D］.西安：長安大學(xué)，2001.

［9］謝文忠，余叔藩.半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的環(huán)道試驗(yàn)研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，1990，3（2）：11－19.

［10］司 偉，馬 骉，汪海年，等.鋼絲網(wǎng)加筋水泥穩(wěn)定碎石梁加筋試驗(yàn)分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2013，37（3）：558－561.

［11］馬 骉，王秉綱.多年凍土地區(qū)濕度對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度的影響［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，26（5）：13－16.

［12］楊樹萍，鹿中山，程新春.半剛性基層瀝青路面病害的原因與防治［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，25（5）：748－752.

［13］JTG E－51－2009，公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.