馬軍旗

(中國水利水電第四工程局有限公司，云南 玉溪 652500)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石基層材料在長期服役過程中易出現(xiàn)裂縫和唧漿等病害，這主要是由于干縮和溫縮的共同作用造成半剛性基層的開裂，且裂縫逐漸向上擴展反射至路面表層，從而導(dǎo)致雨水進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在行車荷載和動水壓力的反復(fù)作用下不斷沖刷半剛性基層而產(chǎn)生唧漿，致使基層強度降低。基于此，很多研究團隊進行了研究：黃興等從拌合工藝的角度發(fā)現(xiàn)，在水泥劑量和級配一定的情況下采用振動拌合工藝，其抗干縮和溫縮性能明顯優(yōu)于靜壓法[1]；孫杰慧等對加入基層中的水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量進行了研究，測算了不同水泥用量下不同齡期的回彈模量、干縮和溫縮性能，發(fā)現(xiàn)水泥劑量在5%～5.5%之間最為合適[2]；孫家瑛等研究了在混凝土中加入聚丙纖維后抗壓強度和抗折強度的變化，發(fā)現(xiàn)纖維摻量在0.2%時，抗折強度提高了30%左右，脆性降低[3]。本文在許多團隊研究的基礎(chǔ)上，重點通過提升工藝、外摻材料和優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)手段，改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能和抗沖刷性能，提高耐久性。

1 耐久性增強技術(shù)類型

對于增強水泥穩(wěn)定碎石的耐久性，可從充分激發(fā)水泥作用和優(yōu)化混合料結(jié)構(gòu)形式入手，并可通過摻加纖維等增強材料實現(xiàn)。

1.1 激發(fā)水泥作用

傳統(tǒng)的強制式攪拌工藝由于攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速和效率低、攪拌存在速度梯度和低效區(qū)、攪拌參數(shù)與物料間的匹配性不足等原因，導(dǎo)致混合料中有10%～30%的水泥顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，水泥顆粒的比表面積下降，造成水泥水化不充分，水泥作用未能全部發(fā)揮。振動攪拌工藝是一種通過釋放激振力來強化攪拌過程的有效手段，通過在強制式攪拌工藝的基礎(chǔ)上加入振動攪拌，使得物料之間發(fā)生很好的對流運動和擴散運動，各組分充分彌散，提高了物料的均勻性，水泥水化更充分，激發(fā)水泥發(fā)生全能作用，提升混合料強度。

1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式

水泥穩(wěn)定碎石混合料的結(jié)構(gòu)形式主要有懸浮密實、骨架密實和骨架空隙3種。懸浮密實結(jié)構(gòu)根據(jù)最大密度理論設(shè)計，采用連續(xù)級配，混合料中集料粒徑從大到小組合排列，細集料較多，粗集料含量較少，無法形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)；骨架密實結(jié)構(gòu)采用嵌擠密實原則設(shè)計，粗集料含量增加，形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，細集料主要用來填充骨架結(jié)構(gòu)中的空隙，由此最大程度地發(fā)揮粗集料的骨架嵌擠作用和細集料的填充黏結(jié)作用。因此，采用骨架密實結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有比懸浮密實結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的性能，可通過級配優(yōu)化設(shè)計、采用骨架密實結(jié)構(gòu)，抵抗干縮和溫縮引起的裂縫，提高混合料的抗裂性能。

1.3 添加纖維材料

纖維具有優(yōu)異的斷裂拉伸強度[4]，將纖維增強體加入水泥穩(wěn)定碎石中，利用纖維的橋接、拉拔作用，顯著增加基體的抗拉強度，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的開裂，提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂效果。此外，在拉應(yīng)力作用下，纖維能夠有效減弱裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，抑制裂縫的擴展。

2 試驗方案

基于重型擊實法開展水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計，礦料合成級配和目標配合比設(shè)計結(jié)果分別如表1、2所示。

表1 合成級配

表2 目標配合比設(shè)計結(jié)果

為了分析以上3種技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的增強作用，分別開展了不同攪拌工藝、不同級配類型和不同纖維摻量[5-7]對水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度、間接拉伸強度和抗沖刷性能的影響。由此制定的試驗方案如表3所示，其中纖維種類為聚酯纖維。

表3 試驗方案

3 耐久性影響因素分析

3.1 拌合工藝的影響

對比分析了采用振動攪拌工藝和普通強制式攪拌工藝[8-10]對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出以下幾點。

圖1 振動拌合與普通拌合工藝結(jié)果對比

(1)隨著水泥用量的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度、7 d劈裂強度逐漸增加，28 d、30 min沖刷質(zhì)量損失率逐漸減小，表明隨著強度的逐漸形成，混合料的抗沖刷性能不斷提高。

(2)相對普通拌合工藝，振動拌合水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度和劈裂強度分別提高30.5%和10.6%，而沖刷質(zhì)量損失率降低13.7%，說明在振動拌合條件下，混合料分散更均勻，整體強度和抗沖刷性能得到一定提高，耐久性增強，其中提高最為明顯的是抗壓強度，其次為抗沖刷性能，劈裂強度的提升相對較小。

3.2 添加纖維材料的影響

對比分析了添加0.05%聚酯纖維與未添加纖維對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，相比未添加纖維，添加聚酯纖維的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度和劈裂強度分別提高6.8%和11.9%，而沖刷質(zhì)量損失率降低23.6%，說明在聚酯纖維的橋接和拉拔作用下，混合料的整體耐久性得到提升，其中最為顯著的是抗沖刷性能，其次是抗裂性能，添加纖維對抗壓強度的提升相對較小。

圖2 普通水穩(wěn)與纖維水穩(wěn)結(jié)果對比

3.3 級配類型的影響

對比分析了骨架密實結(jié)構(gòu)與懸浮密實結(jié)構(gòu)對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響，如圖3所示。結(jié)果表明，相比懸浮密實型結(jié)構(gòu)，骨架密實型結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度和劈裂強度分別提高11.6%和4.6%，而沖刷質(zhì)量損失率降低19.5%，說明骨架密實型結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的耐久性，其中抗沖刷性[11]能提升最為顯著，其次為抗壓強度[12-14]，劈裂強度的提升效果相對一般。

3.4 耐久性增強效果分析

基于以上試驗結(jié)果，對比分析不同影響因素對水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的影響程度，如圖4所示。結(jié)果表明以下幾點。

圖4 3種增強技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石耐久性的提升效果對比

(1)3種耐久性增強技術(shù)中，拌合工藝和級配類型對混合料無側(cè)限抗壓強度的提升最為顯著，添加纖維對混合料抗沖刷性能的提升最為顯著。

(2)對于水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度提升最為顯著的是拌合工藝，對于抗裂性能[15]和抗沖刷性能提升最為顯著的是添加纖維。

4 結(jié) 語

本文通過提升拌合工藝、添加纖維和優(yōu)化級配設(shè)計，對水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和抗沖刷性開展了室內(nèi)試驗對比研究，分析了不同因素對混合料耐久性的影響，主要結(jié)論如下。

(1)水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和抗沖刷性能隨著水泥用量的增加得到明顯提高，添加水泥有利于提升水泥穩(wěn)定碎石的耐久性。

(2)采用振動拌合工藝、添加纖維和優(yōu)化級配設(shè)計均可一定程度地提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的耐久性。

(3)采用振動拌合工藝和骨架密實型結(jié)構(gòu)可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度，添加纖維有利于提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能和抗沖刷性能，從而減少裂縫和唧漿等病害的產(chǎn)生。

對3種耐久性增強技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響進行了研究分析，建議后續(xù)開展對彈性模量、疲勞性能等方面的研究。